一种基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法技术

本发明专利技术公开一种基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法。采用恒温岩心夹持器提供地层原位温压；先后获取流体F1饱和岩心CT图像IM1、流体F2饱和岩心CT图像IM2；通过IM1和IM2图像配准，计算差值图像IM

【技术实现步骤摘要】
一种基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法


[0001]本专利技术属于二氧化碳地质封存与利用、数字岩心领域，具体涉及一种基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法。

技术介绍

[0002]二氧化碳地质封存与利用技术，是指将大型排放源捕集的CO2注入咸水层、油气田、煤层、盐床、地热田等深部地层，进行长期封存，以实现CO2减排和地下资源增产的过程。二氧化碳储层深度一般大于800米，地温大于31.1℃，地应力大于7.38MPa。深部岩石通常具有孔隙尺寸小、渗透率低、非均质性强的特点。而且，深地高温高压环境下岩心的孔裂隙结构与没有原位温压约束的岩心孔裂隙结构存在差异，深地原位温压下流体的特性与常温常压下流体的特性可能存在巨大差异，尤其是CO2。高温、高孔隙水压和高地应力环境下非均质致密岩心中的两相流(CO2－咸水、CO2－油、CO2－甲烷等)规律是二氧化碳地质封存与利用技术中的一个热点课题。
[0003]基于孔隙空间重构的数字岩心方法，已成功应用于多孔介质渗流的研究中。高分辨X射线成像被用于获取精确的孔裂隙结构，通过二值化建立三维孔裂隙空间，通过Navier
‑
Stokes模型模拟流体在三维孔隙空间中的流动，获得三维孔裂隙空间的渗流特性。然而该方法中岩心X射线成像通常在常温常压下进行。随着4D CT技术的发展，通过高分辨显微成像结合高温高压岩心渗流实验，可在线捕获流体在孔隙空间内流动的图像，直接用于分析渗流特性。但是，4D CT实时成像存在设施少、成本高、原位温压渗流实验架设难度大的问题。此外，两种方法都无法避开分辨率成像与样品尺寸的矛盾，高分辨率意味着大尺寸孔隙或者小尺寸样品。例如，平均孔径50μm的均质砂岩，若要获取精确的孔隙结构，其成像分辨率最大不宜超过10μm，则岩心直径最大不能超过1.024cm；对于致密岩心，则需要更小的直径；对于非均质致密岩心，高分辨X射线成像可接受的样品尺寸通常不具代表性。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足之处，提供一种实施步骤简单、成本低的一种基于孔隙度重构的原位温压下岩心两相流分析方法。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术的一种基于孔隙度重构的原位温压下岩心两相流分析方法，步骤如下：
[0006]步骤1.将设有导水钻孔的岩心放入恒温岩心夹持器，采用外部缠绕加热恒温套的岩心夹持器模拟岩心所在地层的原位温度、围压、轴压和孔压环境；
[0007]步骤2.选择X射线衰减系数差异大的流体F1和流体F2先后饱和岩心，利用扇束X射线成像系统使用在相同X射线源能量和相近的成像分辨率条件下，获取流体F1饱和岩心CT图像IM1、流体F2饱和岩心CT图像IM2；
[0008]步骤3.选择以流体F1饱和岩心CT图像IM1为模板，对流体F2和岩心CT图像IM2进行图像配准，获得配准后的图像IM2’
，通过用图像IM2’
减去图像IM1计算体现岩心中流体变化
的差值图像IM
21
，通过图像分割提取流体F1和流体F2，计算两种流体的平均灰度差μ
F21
；
[0009]步骤4.用差值图像IM
21
除以流体平均灰度差μ
21
获得整个岩心的孔隙度图像IM
ε
，利用Kozeny
‑
Carman孔渗关系模型，由孔隙度图像经像素运算获得整个岩心的渗透率图像IM
κ
；
[0010]步骤5.利用流体热力学软件获取不同温压下流体F3和流体F4以温度和压力为自变量的粘度和密度函数；
[0011]步骤6.将岩心ROI区域的孔隙度图像和渗透率图像、流体粘度和密度函数导入CFD软件，开展流体F3和流体F4的两相流仿真，获得流体F3和流体F4在岩心ROI中的渗流流速、压力和流体含量分布。
[0012]进一步，所述的恒温岩心夹持器，包括三轴岩心夹持器，三轴岩心夹持器内设有岩心/围压腔、轴压腔、孔压入口及出口，三轴岩心夹持器外侧设有柔性加热套，三轴岩心夹持器的围压腔、轴压腔、孔压入口及出口分别设有围压阀、轴压阀、入口孔压阀及出口孔压阀，夹持器外壳为低X射线衰减材料，对于热变形可忽略的岩心可以不用加热恒温套。
[0013]进一步，流体F1和流体F2，须选择不与岩心反应、且X射线衰减系数差异大的流体，同时流体F1应为低残留流体，优选地，流体F1为空气、He或N2气体，流体F2为水。
[0014]进一步，所述岩心的一个端部设有导水钻孔，导水钻孔为大于Ф10像素
×
10像素的圆柱形导水钻孔。
[0015]进一步，采用阈值算法进行图像分割，从图像IM1和图像IM2’
图像中的导水钻孔处分离流体F1和流体F2，采用像素平均算法，计算流体F1的灰度平均值μ
F1
以及流体F2的灰度平均值μ
F2
，由μ
F2
减去μ
F1
得到流体平均灰度差μ
F21
。
[0016]进一步，基于Kozeny
‑
Carman孔渗关系模型或者单相渗流实验拟合得出的渗透率
‑
孔隙度关系模型κ＝f(ε)，对孔隙度图像IM
ε
开展像素运算获得渗透率图像IM
κ
，即IM
κ
(i,j,k)＝f(IM
ε
(i,j,k))，
[0017]Kozeny
‑
Carman孔渗关系模型如下：
[0018][0019]式中，κ—渗透率；ε—孔隙度；κ
R
—单相渗流实验获得的岩心渗透率；ε
R
—压汞实验获得的岩心孔隙度。
[0020]进一步，所述的岩心ROI区域的获取方法为，在IM
ε
或IM
κ
图像上建立与岩心同轴且略小于岩心的圆柱选区，将选区外部的像素赋值为0，然后通过图像裁剪将去除人工导水孔段的岩心。
[0021]进一步，所述步骤3
‑
4中对图像配准、差值、图像分割、像素运算，使用的图像处理软件包括IMAGEJ、MATLAB Image Processing Toolbox、AVIZO、SIMPLEWARE、DRAGONFLY；
[0022]所述步骤5中的流体热力学软件包括COCO/TEA、COOLPROP、REFPROP；
[0023]所述步骤6中的CFD软件可采用FLUENT、COMSOL、OPENFORM；
[0024]所述步骤6中的孔隙度和渗透率图像导入CFD软件的方法为，采用插值算法，由IM
ε
(i,j,k)和IM
κ
(i,j,k)的像素点集分别建立孔隙度和渗透率的空间分布ε(x,y,z)和κ(x,y,z)。
[0025]进一步，所述步骤6中的两相流仿真，其具体步骤如下：
[0026]基于孔隙度和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法，其特征在于步骤如下：步骤1.将设有导水钻孔的岩心放入恒温岩心夹持器，采用外部缠绕加热恒温套的岩心夹持器模拟岩心所在地层的原位温度、围压、轴压和孔压环境；步骤2.选择X射线衰减系数差异大的流体F1和流体F2先后饱和岩心，利用扇束X射线成像系统使用在相同X射线源能量和相近的成像分辨率条件下，获取流体F1饱和岩心CT图像IM1、流体F2饱和岩心CT图像IM2；步骤3.选择以流体F1饱和岩心CT图像IM1为模板，对流体F2和岩心CT图像IM2进行图像配准，获得配准后的图像IM2’
，通过用图像IM2’
减去图像IM1计算体现岩心中流体变化的差值图像IM
21
，通过图像分割提取流体F1和流体F2，计算两种流体的平均灰度差μ
F21
；步骤4.用差值图像IM
21
除以流体平均灰度差μ
21
获得整个岩心的孔隙度图像IM
ε
，利用Kozeny
‑
Carman孔渗关系模型，由孔隙度图像经像素运算获得整个岩心的渗透率图像IM
κ
；步骤5.利用流体热力学软件获取不同温压下流体F3和流体F4以温度和压力为自变量的粘度和密度函数；步骤6.将岩心ROI区域的孔隙度图像和渗透率图像、流体粘度和密度函数导入CFD软件，开展流体F3和流体F4的两相流仿真，获得流体F3和流体F4在岩心ROI中的渗流流速、压力和流体含量分布。2.根据权利要求1所述的基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法，其特征在于：所述的恒温岩心夹持器，包括三轴岩心夹持器，三轴岩心夹持器内设有岩心/围压腔、轴压腔、孔压入口及出口，三轴岩心夹持器外侧设有柔性加热套，三轴岩心夹持器的围压腔、轴压腔、孔压入口及出口分别设有围压阀、轴压阀、入口孔压阀及出口孔压阀，夹持器外壳为低X射线衰减材料，对于热变形可忽略的岩心可以不用加热恒温套。3.根据权利要求1所述基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法，其特征在于：流体F1和流体F2，须选择不与岩心反应、且X射线衰减系数差异大的流体，同时流体F1应为低残留流体。4.根据权利要求1所述基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法，其特征在于：所述岩心的一个端部设有导水钻孔，导水钻孔为大于Ф10像素
×
10像素的圆柱形导水钻孔。5.根据权利要求1所述基于孔隙度重构数字岩心的原位温压两相流分析方法，其特征在于：采用阈值算法进行图像分割，从图像IM1和图像IM2’
图像中的导水钻孔处分离流体F1和流体F2，采用像素平均算法，计算流体F1的灰度平均值μ
F1
以及流体F2的灰度平均值μ
F2
，由μ
F2
减去μ
F...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪秀秀，李晓昭，赵鹏，王勃，刘盛东，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：