CN109635410B

CN109635410B - 一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法

Info

Publication number: CN109635410B
Application number: CN201811487984.5A
Authority: CN
Inventors: 赵文韬; 荆铁亚; 王金意; 张健; ***
Original assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute
Current assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: CN109635410A

Abstract

本发明提供的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，包括以下步骤：测定研究区内研究对象所处储层的平均渗透率和气体吸附‑脱附曲线；根据步骤1所得的气体吸附‑脱附曲线，确定孔隙类型；将步骤2中所得的孔隙类型进行简化，得到离散化孔径模型；计算步骤3中所得的离散化孔径模型的孔径分布基本统计学参数；根据步骤4得到的离散化孔径模型的孔径分布基本统计学参数将步骤3中所得的离散化孔径模块转化为渗透率离散元；将步骤5得到的渗透率离散元扩充嵌入至研究对象所处储层中，得到该研究区内研究对象所处储层的渗透率离散元模型；本方法能更好地满足油气/地热勘探开发、特别是在渗透率存在显著差异的储层中的油气/地热开发的实际需求。

Description

一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法

技术领域

本发明属于地质勘探开发技术中的数值模拟技术，特别涉及一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法。

背景技术

渗透率是油气、地热、水文地质研究中的一种重要参数，无论是在油气运移还是在热流传递方面都起着至关重要的作用。因此，渗透率分布是地质建模、尤其是在涉及流体运移方面的地质建模的基本要素，其准确设定成为优选油气勘探有利区、确定下一步油气/地热展布特征等的一项重要步骤。只有有效地确定主要油气储层或地热储层的渗透率展布规律，才能建立可靠的地质评价模型，为后期的储层评价和生产决策提供正确的技术指导。

现有的数值模拟方法中，最常用的是基于实测渗透率均值，将模型中储层渗透率设定为单一固定值，并在此基础上开展数值模拟工作；但这与实际地质情形差距较大，模拟结果也与实际背景相去甚远。部分学者采用随机手段，赋予储层各单元格以随机数渗透率值；但随机分布特征并不具有实际地质意义，所计算出的数值结果地质解释性较差。

随着孔径分布研究手段的不断进步，现已可通过气体吸附-脱附实验等手段获知储层的孔隙***类型和孔径分布特征，并可更进一步将孔隙***确定为两边开口型、墨水瓶型、平行狭缝型或单边狭缝型。但是，孔径分布特征尚未运用于渗透率分布研究，更未在高精度数值模拟中得以应用。

因此，有必要形成一套参考孔径分布特征、更有效表征储层渗透率分布的渗透率离散元模拟新方法，以满足油气、地热等前期勘探的实际需求。

该方法在国内首次基于孔隙***类型提出了渗透率离散元模拟方法，嵌入了孔径数据，有效地描摹了渗透率参数分布特征，能够在气体吸附-脱附实验数据的基础上进一步深化储层渗透率分布规律，提高数值模拟结果的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，解决了现有的地质建模时依据的渗透率数值不精确，导致地质解释性较差。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，测定研究区内研究对象所处储层的平均渗透率和气体吸附-脱附曲线；

步骤2，根据步骤1所得的气体吸附-脱附曲线，确定孔隙类型；

步骤3，将步骤2中所得的孔隙类型进行简化，得到离散化孔径模型；

步骤4，计算步骤3中所得的离散化孔径模型的孔径分布基本统计学参数；

步骤5，根据步骤4得到的离散化孔径模型的孔径分布基本统计学参数将步骤3中所得的离散化孔径模块转化为渗透率离散元；

步骤6，将步骤5得到的渗透率离散元扩充嵌入至研究对象所处储层中，得到该研究区内研究对象所处储层的渗透率离散元模型。

优选地，首先，采集该研究区内研究对象所处地层不同位置、不同深度的m个样品，并测量各样品渗透率，分别记录为k₁、k₂、k₃……k_m；

其次，利用公式(1)计算该对应储层的渗透率均值

优选地，将原始孔径模型转化为离散化孔径模型的具体方法是：

首先，根据步骤2中得到的不同孔径模型特征，绘制原始孔径模型；

其次，设定原始孔径模型的总长度为d，单位nm；该原始孔径模型包括n个离散元组合单元数，则每个离散元组合单元所对应长度为

接着，根据下面计算第i个离散元组合单元的平均孔径r_i：

其中，S_i为第i个离散单元内孔径实际覆盖的面积；

最后，根据上述所得的各个离散元组合单元的孔径r_i，拼接绘制离散化孔径组合模型。

优选地，计算步骤3中所得的离散化孔径模型的孔径分布基本统计学参数的具体方法是：

设定步骤2中得到的离散元孔径模型中包括n个离散元组合单元，其中，各个离散元组合单元内的孔径分别为r₁、r₂、r₃……r_n，单位nm，则主要统计学参数可表示为：

其中，

是指该离散元孔径模型的孔径均值，单位nm；σ(r)是指该离散元孔径模型的孔径标准差，单位nm；cv()是指该离散元孔径模型的变异系数。

优选地，将步骤3中所得的离散化孔径模型组合转化为渗透率离散元模型组合的具体方法是：

首先，设定渗透率离散元模型组合中包括n′个渗透率离散单元，则该渗透率离散元模型组合中各个渗透率离散单元的渗透率依次表示为

单位mD；

其中，该渗透率离散元模型组合的平均渗透率

应满足以下关系式：

该渗透率离散元模型组合的渗透率变异系数

应满足以下关系式：

该渗透率离散元模型组合的标准差

则进一步表示为：

其次，根据不同的孔隙结构补充特定的条件关系，其中，假定离散元组合包含2个渗透率离散单元，则：

若孔隙***为两边开口型，则应满足关系式：

若孔隙***为墨水瓶型，则应满足关系式：

若孔隙***为平行狭缝型，则应满足关系式：

若孔隙***为单边狭缝型，则应满足关系式：

假定离散元组合包含2+1个渗透率离散单元，则：

若孔隙***为两边开口型，则应满足关系式：

若孔隙***为墨水瓶型，则应满足关系式：

若孔隙***为平行狭缝型，则应满足关系式：

若孔隙***为单边狭缝型，则应满足关系式：

最后，通过联立公式(5)-(11)，则求解出离散元组合中各离散元组合单元所对应的渗透率值

优选地，采用水平重复或纵向重复方式将步骤5得到的渗透率离散元扩充嵌入至研究对象所处储层中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，将气体吸附-脱附实验参数与渗透率实测数据相结合，可依据孔隙***类型更可靠地表征储层渗透率分布特征，能更好地满足油气/地热勘探开发、特别是在渗透率存在显著差异的储层中的油气/地热开发的实际需求。

附图说明

图1为本发明中的渗透率离散元模拟流程图；

图2为本发明中的孔隙***类型示意图；

图3为本发明中的孔隙离散元转化为渗透率离散元示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、确定研究区各个地层的模拟类型，其中，所述模拟类型包括精细化模拟和简化模拟：

首先，确定研究区内的研究对象，并将该研究对象所处地层的模拟类型确定为精细化模拟；而将该研究区其他地层的模拟类型确定为简化模拟；

步骤二、测定储层平均渗透率：

首先，采集该研究对象所处地层不同位置、不同深度的多个样品，并测量各样品渗透率，分别记录为k₁、k₂、k₃……k_m；

其次，利用公式(1)计算该对应储层的渗透率均值

步骤三、获取气体吸附-脱附曲线，确定孔隙类型：

首先，采集储层内样品，并根据标准“岩石比表面和孔径分布测定静态氮吸附容量法(SY/T6154-1995)”，开展气体(通常指N₂、CO₂等)吸附-脱附实验，获取对应样品的吸附-脱附曲线；

其次，根据获取的吸附-脱附曲线并结合纯粹和应用化学国际联合会(IUPAC)相关研究成果，判断该吸附-脱附曲线属于H₁、H₂、H₃或是H₄类型；

最后，根据吸附-脱附曲线的所属类型，确定该储层的孔隙类型，所属孔隙类型包括两边开口型、墨水瓶型、平行狭缝型和单边狭缝型(图2)。

步骤四、简化孔隙类型，离散化表征孔径分布：

为了可在离散元模型中表征孔隙***对储层渗透率的影响，需先将原始孔径模型转化为离散化孔径模型，具体地：

首先，根据纯粹和应用化学国际联合会(IUPAC)所描述的不同孔径模型特征，绘制原始孔径模型(图3)，孔径模型总长度为d，单位nm；其次，设定原始孔径模型的总长度为d，单位nm；该原始孔径模型包括n个离散元组合单元数，则每个离散元组合单元所对应长度为

接着，根据下面计算第i个离散元组合单元的平均孔径r_i：

其中，S_i为第i个离散元组合单元内孔径实际覆盖的面积；

最后，根据上述所得的各个离散元组合单元的孔径r_i，拼接绘制离散化孔径组合模型(图3)；

步骤五、计算孔径分布基本统计学参数：为了将孔径分布特征反映至渗透率特征上，首先需计算孔径分布主要统计学参数。假定孔径离散元模型组合共包括n个孔径离散元组合单元，各个孔径离散元组合单元内的孔径分别为r₁、r₂、r₃……r_n，单位nm。则主要统计学参数可表示为：

上式中，

指在一个离散元组合中的孔径均值，可反映模型中储层平均孔径水平，单位nm；σ(r)指孔径标准差，反映孔径的变化幅度，单位nm；而cv()指离散元组合中的变异系数，可在无量纲的前提下反映孔径的离散程度。上述各指标均可为渗透率离散元的建立提供参考依据。

步骤六、将孔径离散元转化为渗透率离散元：假定各渗透率离散元组合共包含n个渗透率离散单元，组合中渗透率离散单元的渗透率依次表示为

等，单位mD。为保证渗透率离散元组合的平均渗透率与模型中储层的整体渗透率一致，则应满足以下关系式：

式中，

代表离散元组合中的渗透率均值，单位mD。

同时，为了令渗透率离散元的离散程度与孔径分布的离散程度基本一致，则渗透率离散元也应满足公式：

式中，

代表离散元组合中的渗透率变异系数，无量纲。其中，渗透率离散元的标准差

可进一步表示为：

单位mD。

除此之外，由于不同的孔隙***具有不同的孔径分布特征，因此，需针对不同的孔隙结构补充特定的条件关系。假定离散元组合包含2个渗透率离散单元，若孔隙***为两边开口型(H₁型)，则应满足关系式：

若孔隙***为墨水瓶型(H₂型)，则应满足关系式：

若孔隙***为平行狭缝型(H₃型)，则需满足关系式：

若孔隙***为单边狭缝型(H₄型)，则应保证：

假定离散元组合包含2+1个渗透率离散单元，若孔隙***为两边开口型(H₁型)，则应满足关系式：

若孔隙***为墨水瓶型(H₂型)，则应满足关系式：

若孔隙***为平行狭缝型(H₃型)，则需满足关系式：

若孔隙***为单边狭缝型(H₄型)，则应保证：

通过联立公式(5)-(15)，则可求解出离散元组合中各离散单元所对应的渗透率值

等(图3)。

步骤七、外推渗透率离散元至整个模拟***：由于渗透率离散元组合中涉及的离散单元有限，需将离散单元外推至整个储层模型。因此，可通过水平重复、纵向重复等方式，将可反映孔隙***孔径展布的渗透率离散单元扩充至整个流体储层，以嵌入整个模拟***之中；所述整个模拟***为TOUGH系列软件，该软件用于模拟一维、二维和三维多孔裂隙介质中，多相流、多组分及非邓文的流体流动、传热和污染物运移的数值模拟程序。

为了使本领域的普通技术人员可以对本发明专利中基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法有更深刻的理解，下面将以A地区为例，参照流程图(图1)，对本发明中的渗透率离散元模拟方法做进一步详细介绍。

步骤一、确定需模拟的地质***及对应储层：在开展数值模拟工作之前，首先应确定需模拟的研究区、研究对象与对应储层。A地区为重庆渝东南地区的页岩气区块，研究区内主力页岩气勘探开发层系为下寒武统牛蹄塘组，埋藏深度约3000-4000m。根据A地区内B井页岩气钻探井揭示，牛蹄塘组整体厚度约125m，底部目的层储层对应深度3802-3842m，优质页岩厚度约40m，岩性以深灰-灰黑色泥岩、灰质泥岩、含粉砂质泥岩、黑色硅质岩和灰黑色含硅质泥岩为主，整体具有有机质含量丰富、演化程度偏高、孔渗条件极低等特征。因此，可基本确定：A地区为研究区，牛蹄塘组底部约40m的优质储层为需精细模拟的重点页岩气储层，其上下其它地层则可简化处理。

步骤二、测定储层平均渗透率：选取B井3802-3842m对应深度的29块牛蹄塘组页岩样品开展渗透率分析测试，并利用公式(1)计算得出对应目的层平均渗透率

由于研究区无其它研究层位，因此无需计算其它页岩气储层的平均渗透率。

表1 B井3802-3842m岩心渗透率表

步骤三、获取气体吸附-脱附曲线，确定孔隙类型：选取B井3802-3842m样品开展N₂吸附-脱附实验，易发现：对应深度页岩样品的N₂吸附曲线与脱附曲线几乎重合，且吸附-脱附曲线整体较平直，根据IUPAC研究成果，指示吸附-脱附曲线属于H₄类型，其对应的孔隙类型为单边狭缝型。

步骤四、简化孔隙类型，离散化表征孔径分布：根据步骤三，可确定A地区牛蹄塘组目的层的孔隙类型为单边狭缝型。同时，根据研究区孔径分析，主要微孔孔径约为5nm。在包含3个离散单元的离散元组合中，可依次设定离散元的孔径分别为r₁＝1nm、r₂＝5nm和r₃＝9nm，其适用于数值模拟的离散元孔径模型组合。

步骤五、计算孔径分布基本统计学参数：根据上述包含3个离散单元的孔径组合，可计算孔径均值

为：

孔径标准差σ(r)为：

同时，基于孔径均值

与孔径标准差σ(r)，可计算孔径变异系数cv(r)，即：

上述各指标均可为渗透率离散元的建立提供参考依据。

步骤六、将孔径离散元转化为渗透率离散元：在包含3个离散单元的离散元组合中，假定各离散单元的渗透率依次为φ₁、φ₂、φ₃等，单位mD。为保证离散元组合的渗透率均值与模型储层中整体渗透率一致，应满足关系式：

式中，cv(φ)代表离散元组合中的渗透率变异系数，无量纲。其中，渗透率离散元的标准差σ(φ)可进一步表示为：

单位mD。除此之外，由于渝东南地区牛蹄塘组目的层的N₂吸附-脱附曲线属于H₄类型，其对应的孔隙***为单边狭缝型，因此需满足关系式：

通过联立步骤六各公式，可求解得：

即离散元组合中各离散单元的渗透率依次为：0.00051mD、0.00257mD和0.00463mD。

步骤七、外推渗透率离散元至整个模拟***：整体而言，研究区地层呈水平分布，因此可通过水平重复的方式，将离散元组合扩展至整个A地区牛蹄塘组目的层，并嵌入整个离散元模型中。其余地层则可通过均一化渗透率统一表征。

本领域的技术人员应当理解，孔径分布与渗透率参数的准确测量是渗透率离散元模拟的重要前提，而实际样品的代表性、可靠性均可影响后期数值模拟的准确性。因此，为了保证该方法的计算结果可与实际地质情况进行有效对比，在数值模拟之前有必要筛选具有代表性的样品，渗透率数值模拟结果才具有较高的精度。

Claims

1.一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤6，将步骤5得到的渗透率离散元扩充嵌入至研究对象所处储层中，得到该研究区内研究对象所处储层的渗透率离散元模型；

步骤3中，将原始孔径模型转化为离散化孔径模型的具体方法是：

接着，根据下面计算第i个离散元组合单元的平均孔径r_i：

其中，S_i为第i个离散单元内孔径实际覆盖的面积；

最后，根据上述所得的各个离散元组合单元的孔径r_i，拼接绘制得到离散化孔径模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，其特征在于，步骤1中，首先，采集该研究区内研究对象所处地层不同位置、不同深度的m个样品，并测量各样品渗透率，分别记录为k₁、k₂、k₃……k_m；

其次，利用公式(1)计算该研究区内研究对象所处地层的渗透率均值

3.根据权利要求1所述的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，其特征在于，步骤4中，计算步骤3中所得的离散化孔径模型的孔径分布基本统计学参数的具体方法是：

其中，

是指该离散元孔径模型的孔径均值，单位nm；σ(r)是指该离散元孔径模型的孔径标准差，单位nm；cv(r)是指该离散元孔径模型的变异系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，其特征在于，步骤5中，将步骤3中所得的离散化孔径模型组合转化为渗透率离散元模型组合的具体方法是：

首先，设定渗透率离散元模型组合中包括n′个渗透率离散单元，n′＝2n，则该渗透率离散元模型组合中各个渗透率离散单元的渗透率依次表示为

单位mD；

其中，该渗透率离散元模型组合的平均渗透率

应满足以下关系式：

其中，

为该研究区内研究对象所处地层的渗透率均值；

该渗透率离散元模型组合的渗透率变异系数

应满足以下关系式：

其中，cv(r)是指该离散元孔径模型的变异系数；

该渗透率离散元模型组合的标准差

则进一步表示为：

其次，根据不同的孔隙结构补充特定的条件关系，其中，假定离散元组合包含2n个渗透率离散单元，则：

若孔隙***为两边开口型，则应满足关系式：

若孔隙***为墨水瓶型，则应满足关系式：

若孔隙***为平行狭缝型，则应满足关系式：

若孔隙***为单边狭缝型，则应满足关系式：

且

假定离散元组合包含2n+1个渗透率离散单元，则：

若孔隙***为两边开口型，则应满足关系式：

若孔隙***为墨水瓶型，则应满足关系式：

若孔隙***为平行狭缝型，则应满足关系式：

若孔隙***为单边狭缝型，则应满足关系式：

且

5.根据权利要求1所述的一种基于孔隙***的渗透率离散元模拟方法，其特征在于，步骤6中，采用水平重复或纵向重复方式将步骤5得到的渗透率离散元扩充嵌入至研究对象所处储层中。