本发明专利技术涉及一种页岩基质储层孔隙空间表征方法，基于页岩气藏岩心中的不同类型的孔隙，基于叠加耦合方法，建立了混合法生成同时考虑有机孔隙和无机孔隙数字岩心的构建理论与方法。通过叠加算法来构建的同时考虑有机孔隙和无机孔隙的数字岩心，既保留了无机孔隙的几何拓扑信息，又保留了有机微孔隙的空间位置信息，能够同时描述页岩岩石特殊的孔隙分布特征。对建立的数字岩心，进行几何拓扑结构分析，孔隙半径分布和配位数与实验结果拟合程度较好，验证了构建方法和数值分析方法的正确性。该方法为后续的页岩介质孔隙结构分析和微观流动模拟建立了基础平台。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及油气田开发工程数值模拟的
，特别是一种页岩基质储层孔隙空间表征方法。
技术介绍
为实现页岩气藏的高效开发，研究气体在微纳米孔隙中运移机制是关键力学问题之一，而数字岩心是进行微纳尺度流动模拟的基础。因此，进行页岩微纳米孔隙的识别和定量描述，建立准确的页岩储层孔隙空间表征方法成为研究的重点和难点。页岩孔隙结构复杂，既有纳米级的有机质孔隙、还发育有无机矿物中纳米-微米级孔隙，以及微米级-毫米级天然裂缝。泥页岩热演化程度不同，生成的孔隙类型不同。有机孔隙与无机孔隙中流体的相态具有较大区别，目前学者普遍认为页岩有机质中的有机孔隙是主要的存储空间，因此研究有机孔隙的比例和分布等对页岩气后续开发具有重要的理论和实践价值。由于页岩孔隙极小，目前常用来研究页岩孔隙结构的方法主要有，扫描电镜(SEM)、聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米CT、透射电子显微镜等扫描手段，结合能谱(ESD)或背散射图像(BEI)还可以实现不同矿物成分的三维分布图像。基于上述设备，可以得到数字岩心，构建方法分为两大类，聚焦离子束扫描电镜、纳米CT等物理构建法可以直接给出三维真实数字岩心，而扫描电镜、原子力显微镜、透射电子显微镜等只能给出二维图像资料，需要利用随机算法重构数字岩心。然而，不管是物理法直接构建还是利用二维图像资料随机重构，只能构建单一尺度或单一成份的数字岩心，这对于非均质性很强的页岩来说都不够准确，有学者 建议进行工业CT-微米CT-纳米CT/FIB系列扫描分析的表征手段。但是即便如此，在同一尺度下，也很难同时考虑有机孔隙和无机孔隙。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种页岩基质储层孔隙空间表征方法，以满足页岩基质储层孔隙结构分析及后续流动模拟的需求。为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术公开了一种页岩基质储层孔隙空间表征方法，表征方法包括了岩心二维图像采集、模拟退火法建立无机数字岩心、模拟马尔可夫链蒙特卡洛法(MCMC)构建有机孔隙数字岩心、叠加建立有机、无机孔隙数字岩心，具体的操作方法如下：(1)岩心二维图像采集：基于扫描电子显微镜(SEM)，获取真实页岩岩心在不同平面上的低分辨率无机孔隙和高分辨率有机孔隙扫描图像，并将图像分割转换得到页岩岩心二值图像；(2)模拟退火法建立无机数字岩心：在重建数字岩心过程中，除了保证孔隙度不变，还选取了两个统计函数作为建模过程中的待拟合量，即：自相关函数、线性路径函数；a单点概率函数：假设多相系统中第j相所占区域为vj，其在整个系统中的体积分数为则定义第j相的相函数如下：式中，表示系统中的任意一点，对于仅考虑孔隙和岩石骨架的两相系统，可将相函数简化为：于是，系统的单点概率函数(即孔隙度φ)可由统计平均值给出：b自相关函数：多相系统中第j相的自相关函数定义为：式中，为系统中相距一定距离r的任意两点，为计算方便，令r的单位为像素数，像素数与像素边长的乘积即物理长度；对于三维情况，r的单位为体素数；c线性路径函数：线性路径函数是描述多孔介质微观结构的一个重要函数，定义如下：式中，为系统中相距一定距离r的任意两点，为连接线段上的任意点，与自相关函数相同，在孔隙空间重建中以孔隙相为研究对象，L(j)(r)可进一步简化为L(r)；利用页岩岩心二值图像，使用模拟退火法构建数字岩心具体步骤如下：a.初始时，在指定大小的三维空间内随机产生由两种不同像素点组成的岩石孔隙和骨架体系，由这两种体系组成的空间结构的孔隙度要与由薄片分析得来的孔隙度相同；b.以像素点为基础，利用模拟退火算法对两种体系的像素点进行演化，即通过交换两种体系之间的像素点来改变整个系统的状态，系统能否进行更新取决于新系统是否满足Metropolis准则：p≥RAN(1,0)式中，p为在第k+1次搜索时状态的接受概率，ΔE＝Ek+1-Ek，T为引进的控制参数，称之为“温度”，RAN(1,0)表示在[0.0，1.0]内选取的随机数；在演化过程中孔隙度保持恒定不变，拟合的目标函数为与孔隙空间结构有关的自相关函数和线性路径函；(3)模拟马尔可夫链蒙特卡洛法(MCMC)构建有机孔隙数字岩心：选择双体素组合方法，基于岩心二值图像(状态仅仅为0或者1)，利用xy、yz、xz三个平面来同时来构建三维马尔可夫链模型，具体模拟步骤如下：a.模拟一维链开始的体素，采用薄片的孔隙度作为第一个体素状态为孔隙的条件概率；b.沿y方向模拟第一层第一行上的体素，第一行第二个体素使用2邻居进行模拟，从第三个体素开始均使用3邻居进行模拟，其条件概率通过xy平面的二维岩心薄片进行推导得出；c.沿x方向模拟第一层各行体素进而构建该层所有体素，对于双体素(i,j)和(i,j+1)，在边缘体素使用3、4邻居进行模拟，内部体素使用5、6邻居进行模拟，其条件概率通过xy平面的二维岩心薄片进行推导得出；d.沿z方向模拟各层体素进而构建三维模型，对于双体素(i,j,k)和(i,j+1,k)，第二层的第一行跟第一层的第二行构造方法相似，在边缘位置体素使用3、4邻居进行模拟，内部体素使用5、6邻居进行模拟，不同的是其条件概率由其他方向二维薄片的条件概率依次重构，从第二层第二行开始，边缘体素使用9、10邻居进行模拟，内部体素14、15邻居进行模拟，依次重构最后得到基于马尔科夫链蒙特卡洛方法的三维数字岩心，其中三维15邻居可表示为：(4)叠加建立有机、无机孔隙数字岩心：三维数字岩心的数据体是用二进制0和1来进行表示的，基于物理尺寸相同的无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心，叠加数字岩心构建步骤如下：a.将低分辨数字岩心中每一个体素细化为i*i*i个更小体素，细 化后的无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心的物理尺寸和体素尺寸都完全相同，其中，i为无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心的分辨率之比；b.为了构建同时描述无机孔隙和有机孔隙特征的叠加数字岩心，按照布尔叠加算法，对二进制数据体进行操作，得到基于不同分辨率的无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心构建的页岩基质孔隙数字岩心；(5)氮气吸附法:通过氮气吸附实验可以获得页岩的吸附和解吸等温线，并进一步通过计算可以得到孔隙结构参数。通过氮气吸附实验获得实际岩心的孔隙结构参数，并与叠加的数字岩心对比检验模型的准确性。其中,扫描电子显微镜(SEM)获得的图像二值化方法为采用Otsu法、迭代法、手动法、最大熵法、自适应阀值法、基本全局阈值法中的一种，优选的为Otsu法。其中,利用二维图像资料重构数字岩心采用高斯模拟法、模拟退火法、过程模拟法、多点统计法、马尔可夫随机重建法，优选用模拟退火法构建无机孔隙数字岩心，马尔可夫随机重建法构建有机孔隙数字岩心。其中,构建同时描述无机孔隙和有机孔隙特征的叠加数字岩心，布尔叠加算法具体表达式如下所示：Ω＝Ω1+Ω2式中，Ω表示页岩基质孔隙数字岩心,Ω1表示页岩无机孔隙数字岩心，Ω2表示页岩有机孔隙数字岩心，上标s、op和ip分别表示岩 心骨架、有机孔隙和无机孔隙，如果用0代表骨架，1代表有机孔隙空间，2代表无机孔隙空间，则相应的布尔叠加算法操作为：0+0＝0,0+1＝1,1+0＝2,1+1＝2。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术通过叠加算法建立了同时考虑有机孔隙和无机孔隙的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种页岩基质储层孔隙空间表征方法，其特征在于，所述的表征方法包括了岩心二维图像采集、模拟退火法建立无机数字岩心、模拟马尔可夫链蒙特卡洛法(MCMC)构建有机孔隙数字岩心、叠加建立有机、无机孔隙数字岩心，具体的操作方法如下：(1)岩心二维图像采集：基于扫描电子显微镜(SEM)，获取真实页岩岩心在不同平面上的低分辨率无机孔隙和高分辨率有机孔隙扫描图像，并将图像分割转换得到页岩岩心二值图像；(2)模拟退火法建立无机数字岩心：在重建数字岩心过程中，除了保证孔隙度不变，还选取了两个统计函数作为建模过程中的待拟合量，即：自相关函数、线性路径函数；a单点概率函数：假设多相系统中第j相所占区域为vj，其在整个系统中的体积分数为则定义第j相的相函数如下：式中，表示系统中的任意一点，对于仅考虑孔隙和岩石骨架的两相系统，可将相函数简化为：于是，系统的单点概率函数(即孔隙度φ)可由统计平均值给出：b自相关函数：多相系统中第j相的自相关函数定义为：式中，为系统中相距一定距离r的任意两点，为计算方便，令r的单位为像素数，像素数与像素边长的乘积即物理长度；对于三维情况，r的单位为体素数；c线性路径函数：线性路径函数是描述多孔介质微观结构的一个重要函数，定义如下：式中，为系统中相距一定距离r的任意两点，为连接线段上的任意点，与自相关函数相同，在孔隙空间重建中以孔隙相为研究对象，L(j)(r)可进一步简化为L(r)；利用页岩岩心二值图像，使用模拟退火法构建数字岩心具体步骤如下：a.初始时，在指定大小的三维空间内随机产生由两种不同像素点组成的岩石孔隙和骨架体系，由这两种体系组成的空间结构的孔隙度要与由薄片分析得来的孔隙度相同；b.以像素点为基础，利用模拟退火算法对两种体系的像素点进行演化，即通过交换两种体系之间的像素点来改变整个系统的状态，系统能否进行更新取决于新系统是否满足Metropolis准则：p≥RAN(1,0)式中，p为在第k+1次搜索时状态的接受概率，ΔE＝Ek+1‑Ek，T为引进的控制参数，称之为“温度”，RAN(1,0)表示在[0.0，1.0]内选取的随机数；在演化过程中孔隙度保持恒定不变，拟合的目标函数为与孔隙空间结构有关的自相关函数和线性路径函；(3)模拟马尔可夫链蒙特卡洛法(MCMC)构建有机孔隙数字岩心：选择双体素组合方法，基于岩心二值图像(状态仅仅为0或者1)，利用xy、yz、xz三个平面来同时来构建三维马尔可夫链模型，具体模拟步骤如下：a.模拟一维链开始的体素，采用薄片的孔隙度作为第一个体素状态为孔隙的条件概率；b.沿y方向模拟第一层第一行上的体素，第一行第二个体素使用2邻居进行模拟，从第三个体素开始均使用3邻居进行模拟，其条件概率通过xy平面的二维岩心薄片进行推导得出；c.沿x方向模拟第一层各行体素进而构建该层所有体素，对于双体素(i,j) 和(i,j+1)，在边缘体素使用3、4邻居进行模拟，内部体素使用5、6邻居进行模拟，其条件概率通过xy平面的二维岩心薄片进行推导得出；d.沿z方向模拟各层体素进而构建三维模型，对于双体素(i,j,k)和(i,j+1,k)，第二层的第一行跟第一层的第二行构造方法相似，在边缘位置体素使用3、4邻居进行模拟，内部体素使用5、6邻居进行模拟，不同的是其条件概率由其他方向二维薄片的条件概率依次重构，从第二层第二行开始，边缘体素使用9、10邻居进行模拟，内部体素14、15邻居进行模拟，依次重构最后得到基于马尔科夫链蒙特卡洛方法的三维数字岩心，其中三维15邻居可表示为：(4)叠加建立有机、无机孔隙数字岩心：三维数字岩心的数据体是用二进制0和1来进行表示的，基于物理尺寸相同的无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心，叠加数字岩心构建步骤如下：a.将低分辨数字岩心中每一个体素细化为i*i*i个更小体素，细化后的无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心的物理尺寸和体素尺寸都完全相同，其中，i为无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心的分辨率之比；b.为了构建同时描述无机孔隙和有机孔隙特征的叠加数字岩心，按照布尔叠加算法，对二进制数据体进行操作，得到基于不同分辨率的无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心构建的页岩基质孔隙数字岩心；(5)氮气吸附法:通过氮气吸附实验可以获得页岩的吸附和解吸等温线，并进一步通过计算可以得到孔隙结构参数。通过氮气吸附实验获得实际岩心的孔隙结构参数，并与叠加的数字岩心对比检验模型的准确性。...
【技术特征摘要】
1.一种页岩基质储层孔隙空间表征方法，其特征在于，所述的表征方法包括了岩心二维图像采集、模拟退火法建立无机数字岩心、模拟马尔可夫链蒙特卡洛法(MCMC)构建有机孔隙数字岩心、叠加建立有机、无机孔隙数字岩心，具体的操作方法如下：(1)岩心二维图像采集：基于扫描电子显微镜(SEM)，获取真实页岩岩心在不同平面上的低分辨率无机孔隙和高分辨率有机孔隙扫描图像，并将图像分割转换得到页岩岩心二值图像；(2)模拟退火法建立无机数字岩心：在重建数字岩心过程中，除了保证孔隙度不变，还选取了两个统计函数作为建模过程中的待拟合量，即：自相关函数、线性路径函数；a单点概率函数：假设多相系统中第j相所占区域为vj，其在整个系统中的体积分数为则定义第j相的相函数如下：式中，表示系统中的任意一点，对于仅考虑孔隙和岩石骨架的两相系统，可将相函数简化为：于是，系统的单点概率函数(即孔隙度φ)可由统计平均值给出：b自相关函数：多相系统中第j相的自相关函数定义为：式中，为系统中相距一定距离r的任意两点，为计算方便，令r的单位为像素数，像素数与像素边长的乘积即物理长度；对于三维情况，r的单位为体素数；c线性路径函数：线性路径函数是描述多孔介质微观结构的一个重要函数，定义如下：式中，为系统中相距一定距离r的任意两点，为连接线段上的任意点，与自相关函数相同，在孔隙空间重建中以孔隙相为研究对象，L(j)(r)可进一步简化为L(r)；利用页岩岩心二值图像，使用模拟退火法构建数字岩心具体步骤如下：a.初始时，在指定大小的三维空间内随机产生由两种不同像素点组成的岩石孔隙和骨架体系，由这两种体系组成的空间结构的孔隙度要与由薄片分析得来的孔隙度相同；b.以像素点为基础，利用模拟退火算法对两种体系的像素点进行演化，即通过交换两种体系之间的像素点来改变整个系统的状态，系统能否进行更新取决于新系统是否满足Metropolis准则：p≥RAN(1,0)式中，p为在第k+1次搜索时状态的接受概率，ΔE＝Ek+1-Ek，T为引进的控制参数，称之为“温度”，RAN(1,0)表示在[0.0，1.0]内选取的随机数；在演化过程中孔隙度保持恒定不变，拟合的目标函数为与孔隙空间结构有关的自相关函数和线性路径函；(3)模拟马尔可夫链蒙特卡洛法(MCMC)构建有机孔隙数字岩心：选择双体素组合方法，基于岩心二值图像(状态仅仅为0或者1)，利用xy、yz、xz三个平面来同时来构建三维马尔可夫链模型，具体模拟步骤如下：a.模拟一维链开始的体素，采用薄片的孔隙度作为第一个体素状态为孔隙的条件概率；b.沿y方向模拟第一层第一行上的体素，第一行第二个体素使用2邻居进行模拟，从第三个体素开始均使用3邻居进行模拟，其条件概率通过xy平面的二维岩心薄片进行推...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨永飞，张文杰，姚军，张建光，孙致学，樊冬艳，安森友，孙海，张磊，张琦，赵建林，刘磊，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37
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