【摘要】：碳酸鹽巖油氣儲層類型豐富,儲層巖性多樣,孔隙類型繁多,致使儲層非均質(zhì)性較強~([1])。碳酸鹽巖孔隙的空間幾何形態(tài)及不均質(zhì)性極大地影響著儲層的運移機理~([2,3])。在地表和埋藏條件下溶蝕作用形成的次生孔隙是碳酸鹽巖油氣儲層重要的儲集空間~([5])。對于碳酸鹽巖溶解動力學(xué)機理和控制因素的研究是預(yù)測碳酸鹽巖的孔-洞-封的時空分布重點~([6])。在不同的溫度、壓力、環(huán)境pH值、孔隙流體動力學(xué)性質(zhì)等條件的作用下所發(fā)生的蝕變、溶解、沉淀和孔隙-微裂隙系統(tǒng)演化、結(jié)構(gòu)形成與表征,是碳酸鹽巖油氣儲層評價中的關(guān)鍵科學(xué)問題~([7])。本文定量表征并分析了4種典型孔隙類型樣品如晶間孔(ZG9細晶白云巖)、粒間孔(LJ1-1鮞粒白云巖)、鑄膜孔(LJ5鮞粒白云巖)和混合孔(LJ2-2鮞粒白云巖)在不同直徑和不同CT掃描分辨率下的三維微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其非均質(zhì)性,研究了3個柱體碳酸鹽巖樣品(黃灰色泥粉晶白云巖(TL-6),灰色砂屑灰?guī)r(TL-8)和鮞粒白云巖(NSP-4))在高溫高壓化學(xué)溶蝕作用下三維微觀孔隙的動態(tài)演化規(guī)律,最后通過三種數(shù)學(xué)孔隙模型計算模擬了碳酸鹽巖孔隙的動態(tài)演化過程。本文主要取得以下成果:一、討論了不同CT掃描分辨率對碳酸鹽巖三維微觀孔隙定量表征的影響,認為掃描分辨率為2μm及以下為最佳。本文通過9μm和2μm等不同掃描分辨率的三維微觀組構(gòu)的定量表征及非均質(zhì)性定量刻畫研究發(fā)現(xiàn),掃描分辨率大于9μm時,基本無法提取到微孔隙;孔隙空間的微觀分布的多重分形譜也反映了掃描分辨率達到2μm及以下時才能有效反映孔隙的結(jié)構(gòu)特征。二、探討了不同孔隙非均質(zhì)性定量表征參數(shù)的有效性。(1)提出了基于二維CT圖像提取的孔隙度與盒子維數(shù)關(guān)系反應(yīng)了不同孔隙結(jié)構(gòu)特征的重要意義,為定量表征碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)提供了新的視角。通過二維CT圖像與多重分形分析,發(fā)現(xiàn),孔隙度一般與盒子維數(shù)D_b、信息維D_1和關(guān)聯(lián)維D_2呈正相關(guān)關(guān)系;孔隙度和盒子維數(shù)擬合斜率呈現(xiàn)的規(guī)律為:晶間孔[2.205,3.744]粒間孔[0.478,0.772])鑄膜孔[0.347,0.863],而混合孔在高掃描分辨率下不滿足正相關(guān)關(guān)系。(2)探討了評價碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù),其中非對稱指數(shù)R能有效區(qū)分不同孔隙類型,在定量表征碳酸鹽巖孔隙非均質(zhì)性方面具有明顯優(yōu)勢。統(tǒng)計不同類型的二維CT圖像,發(fā)現(xiàn),多重分形參數(shù)中的非對稱指數(shù)R最能代表孔隙結(jié)構(gòu)特征,晶間孔、粒間孔和鑄膜孔的非對稱指數(shù)都為負數(shù);非對稱指數(shù)R的絕對值的大小具有如下關(guān)系:晶間孔[-0.32,-0.44]粒間孔[-0.20,-0.22]鑄膜孔[-0.13,-0.15]混合孔[0.08,0.12];與三維微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征類似,三維孔隙微觀組構(gòu)亦顯示相似的規(guī)律:晶間孔[-0.55,-0.52]粒間孔[-0.46,-0.45]鑄膜孔(-0.35)混合孔[-0.19,-0.16],多重分形譜中的非對稱指數(shù)R具有穩(wěn)定性和可重復(fù)性。(3)多重分形譜寬度與滲透率呈一定相關(guān)關(guān)系。不同孔隙類型的滲透率表現(xiàn)為,粒間孔(258.42×10~(-3)μm~2)晶間孔(24.86×10~(-3)μm~2)混合孔(1.94×10~(-3)μm~2)鑄膜孔(0.24×10~(-3)μm~2),對應(yīng)了三維孔隙組構(gòu)的多重分形譜寬度大小,而多重分形譜寬能有效反映碳酸鹽巖孔隙非均質(zhì)性,粒間孔[5.09,5.88]晶間孔[1.89,2.01]混合孔[0.94,1.86]鑄膜孔[0.98,1.32],說明多重分形譜寬度能定量的反映碳酸鹽巖孔隙的滲透率。三、基于碳酸鹽巖溶解動力學(xué)實驗和熱力學(xué)模擬驗證“溶蝕窗”,并探究孔隙演化特征。(1)柱塞樣品溶蝕實驗和熱力學(xué)模擬驗證“溶蝕窗”的存在。本次柱體溶蝕實驗溫度40℃-160℃,壓力10Mpa-50Mpa,流體為0.2%的乙酸溶液;基于水文地球化學(xué)軟件Phreeqc模擬選取了三種不同的酸性介質(zhì),pH=4的硫酸溶液、pH=4的鹽酸溶液和含CO_2溶液,進而模擬地層中碳酸鹽巖在熱液作用下的沉淀-溶蝕機理,根據(jù)熱力學(xué)平衡模擬結(jié)果可知Ca~(2+)和Mg~(2+)含量符合溶蝕窗的呈先升高后下降的模式。熱力學(xué)模擬的白云石(對應(yīng)白云巖)在H_2SO_4、HCl和含CO_2溶液對應(yīng)的“溶蝕窗”范圍都為150℃-220℃,高于實際柱塞樣樣品NSP-4(鮞粒白云巖)和樣品TL-8(黃灰色泥粉晶白云巖)的“溶蝕窗”范圍大約在70℃-120℃(20 Mpa-40Mpa)。(2)碳酸鹽巖的溶蝕是復(fù)雜的問題,除了礦物成分和流體介質(zhì)等影響因素,孔隙結(jié)構(gòu)也是控制碳酸鹽巖溶蝕重要因素。樣品TL-8(砂屑灰?guī)r)并未出現(xiàn)模擬的“溶蝕窗”現(xiàn)象,實際的柱塞樣的溶蝕實驗和熱力學(xué)的模擬的差異性,說明孔隙結(jié)構(gòu)也是控制碳酸鹽巖溶蝕重要因素。粒間孔(NSP-4)連通了粒間孔形成新的通道。對于二維孔隙結(jié)構(gòu),通過分形與多重分形方法發(fā)現(xiàn),孔隙度p和盒子維數(shù)D_b、多重分形參數(shù)Δα_R和Δ?_R呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,與Δ?、Δα_L、Δ?_L、R呈負相關(guān),說明在二維結(jié)構(gòu)上,溶蝕作用下孔隙形態(tài)變化具有自相似的特征;對于三維孔隙結(jié)構(gòu),通過多重分形參數(shù)亦呈現(xiàn)溶蝕后Δα減小和Δ?增大的趨勢;隨著溶蝕作用對孔隙空間結(jié)構(gòu)的改造,孔隙連通,孔隙空間擴大,奇異指數(shù)范圍Δα減小,表明溶蝕反應(yīng)對孔隙空間的改造,使得孔隙的不規(guī)則性減少,孔隙的奇異范圍亦縮減;Δ?增大顯示了空間上大、小孔隙的分異程度增加;多重分形能夠定量反應(yīng)溶蝕后孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征,這種方法的定量性在孔隙結(jié)構(gòu)評價具有明顯優(yōu)勢。四、基于計算模擬,探討了微觀孔隙組構(gòu)分均質(zhì)性的動態(tài)演化過程。(1)RBBDM模型模擬原生孔隙結(jié)構(gòu),模擬主要是長方體和立方體礦物的堆疊。導(dǎo)致孔隙模型孔隙結(jié)構(gòu)單一,孔隙度偏大,孔隙的分形與多重分形特征主要由長方形晶格和立方晶格兩個基本元素出現(xiàn)概率所控制,隨著長方體的比例增加,堆積過程形成的孔隙會更加細長,其中非對稱指數(shù)R呈現(xiàn)比較均勻的變化,沒有出現(xiàn)突變,具有連續(xù)性,說明非對稱指數(shù)R最能反映孔隙結(jié)構(gòu)。(2)隨機生長四參數(shù)法模擬了粒間孔,沉積過程中,顆粒(鮞粒,晶體等)逐漸長大,孔隙空間不斷地被填充,孔隙縮小的過程中,由大孔隙不斷地被分割為小孔隙,孔隙的連通性變差,對應(yīng)多重分形參數(shù)Δα、Δ?、Δα_L、Δα_R值變大,說明孔隙的非均質(zhì)增強,粒間孔被填充的過程是非均質(zhì)性增強的過程。(3)Siepinski地毯模型模擬裂隙型孔隙表明,孔隙的多重分形參數(shù)從一定程度上能模擬孔隙在空間上的不均一性,較大的非對稱指數(shù)、左偏型多重分形頻譜的孔隙空間,可能是更好的儲層。碳酸鹽巖孔隙非均質(zhì)性強,對碳酸鹽巖孔隙的定量表征是碳酸鹽巖儲層研究的難題,本文運用分形和多重分形進行了探討,認為掃描分辨率為2μm及以下才能反映碳酸鹽巖微觀孔隙結(jié)構(gòu);多重分形參數(shù)對定量表征碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)及其演化具有較好的指示意義,特別是多重分形譜寬度和非對稱指數(shù)R能區(qū)分不同孔隙類型,多重分形譜寬度反映了孔隙的非均質(zhì)性,并且多重分形譜寬度與滲透率存在一定相關(guān)關(guān)系;同時孔隙模擬結(jié)果,也表明孔隙在演化過程中對應(yīng)了多重分形參數(shù)的變化,這些研究結(jié)果為探究碳酸鹽巖儲層的儲集性能評價提供新的技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P618.13
【圖文】：

圖 1.1 技術(shù)路線圖Fig 1.1 The working flowchart1.4.3 研究內(nèi)容(1)碳酸鹽巖二維孔隙結(jié)構(gòu)定量表征在不同觀測尺度下，對碳酸鹽巖孔隙進行定量表征。本次選取孔隙發(fā)育樣品的鑄體薄片，在不同倍數(shù)的顯微鏡下，連續(xù)拍攝鑄體薄片，再通過 Photoshop 合成整個視域數(shù)值圖像，再對孔隙進行數(shù)值化提取，獲得顯微鏡尺度的二維孔隙圖像。對不同孔隙類型的碳酸鹽巖進行 CT 掃描，對 CT 樣品的圖片序列進行二值化提取孔隙，獲得不同分辨率碳酸鹽巖二維孔隙結(jié)構(gòu)。通過計算機模擬采用不同的孔隙模型獲得不同二維孔隙結(jié)構(gòu)。對于上述不同方式獲得的二維孔隙，結(jié)合 ImageJ 的分形插件(Fraclac)進行孔隙分形與多重分形參數(shù)計算[140]，優(yōu)選表征孔隙結(jié)構(gòu)的分形與多重分形參數(shù)。(2)碳酸鹽巖三維孔隙結(jié)構(gòu)定量表征對不同孔隙類型的碳酸鹽巖進行 CT 掃描，對 CT 樣品的圖片序列進行二值化

第二章 實驗技術(shù)手段與方法技術(shù)2.1 樣品來源本次采集了塔里木盆地、川東—湘鄂西地區(qū)和四川盆地的碳酸鹽巖樣品，如表2.1 所示，包括發(fā)育自塔里木盆地奧陶系鷹山組(O2y)地層的細晶白云巖(ZG9、HMB1-15、JCT147-1、JCT147-3 和 JCT147-9)、粗晶白云巖(JCT147-6 和 JCT147-7)、鮞粒灰?guī)r(JSCT13)、泥粉晶白云巖(TL-6)和砂屑灰?guī)r(TL-8)，以及發(fā)育自四川盆地飛仙關(guān)組(T1f)地層的鮞粒白云巖(LJ1-1、LJ2-2 和 LJ5)，發(fā)育自川東—湘鄂西地區(qū)的湖南慈利南山坪剖面燈影組(Z2dn)地層的鮞粒白云巖(NSP-4)，孔隙類型主要包括晶間孔、粒間孔、鑄膜孔、混合孔。

圖 2.2 溶解動力學(xué)模擬裝置示意圖[139]Fig 2.2 Schematic diagram of the dissolution experiment將前處理后的樣品送往中石油杭州碳酸鹽巖儲層重點實驗室采用自主設(shè)計的高溫高壓溶解動力學(xué)模擬裝置進行柱體溶蝕實驗[139,162]。高溫高壓溶解動力學(xué)模擬裝置(圖 2.2)含有柱塞流反應(yīng)釜和巖心夾持器，本次實驗主要利用巖心夾持器進行巖石內(nèi)部溶蝕的模擬，還包括用于控制流體的輸入及壓力的控制閥門，壓力表和溫度儀用于檢測壓力和溫度。2.4 碳酸鹽巖孔隙表征軟件及計算模擬技術(shù)2.4.1 碳酸鹽巖孔隙二維定量表征技術(shù)Fraclac(如 2.2 圖)是澳洲查爾斯特大學(xué)基于 ImageJ 軟件開發(fā)的用于計算灰度圖像和二值化圖像的分形和多重分形特征的插件[140]，本插件被廣泛運用，譬如，Pantic 等運用 Fraclac 研究了肽對超大胰腺結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的影響[163]；用分形分析定量

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本文編號：2776474