基于数字岩心技术的砂岩渗透性研究

孙 润，田午子，徐生双，孙 泽

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201; 2.成县祁连山水泥有限公司 设备技术部，成县 742508)

0 引言

有关砂岩层组的渗透性研究，一直以来都是地质类学科的关注重点，无论是存储油气容量方面还是岩层透水、含水能力方面，归根结底都是在探索砂岩层组的渗透性原理。而砂岩，作为一种非均质的多孔介质，影响其渗透性的因素有很多，包括围岩应力作用、岩样各矿物含量，以及孔隙的占比、孔径分布、孔隙形状因子乃至孔隙分形维数，都会一定程度上干扰到岩样渗透性的数值结果，但究其根源，还是孔隙间的连通程度占主要位置。前人利用多种方式或方法来探究孔隙连通情况，包括图像法的铸体薄片、扫描电镜、电子探针、阴极发光，以及实测法的物性分析、恒压压汞、高压压汞、核磁共振、瞬变电磁等，这些方式或方法都具有其独特的优势，但在可视化及定量化方面，又存在一定的弊端，做不到两者兼顾。三维CT所搭建的数字岩心模型，不仅能够在不损坏岩样的条件下，对复杂孔隙结构进行360°检测扫描，而且扫描过后的岩样仍可进行其他类型的试验，优点十分明显[1]。唐明明，卢双舫等学者基于数字岩心建模技术分析了致密砂岩水驱的微观过程，发现当提高水驱注入速度和增加驱替压差时，驱替的效率会大大提高[2-4]；吕邦民，王启立，宋晓夏，TIWARI P. 等学者通过微米CT扫描技术，从多孔碳的真实孔隙结构入手，研究了多孔碳的孔隙结构变化规律，发现渗流在不同尺寸孔隙内的流动情况，并建立了渗流模型[5-8]。王春生，闫国亮，王冬欣等学者通过X-微米CT技术建立了三维数字岩心模型，并利用该技术打破了传统岩石物理实验对低孔、低渗、高复杂性孔隙结构的宏观岩石物理性质的研究[9-11]。以往的研究成果多侧重于如何建立更加精准的三维模型，鲜有进一步讨论岩体内气液的渗流路径，故笔者在前人的研究基础上，同样利用三维可视化软件Avizo对数字岩心模型展开气液渗流路径的探索。

本文中采用的试验设备是天津三英科技公司生产的NanoVoxel 3000 高分辨率X-微米CT扫描仪[1]，首先通过电脑前端扫描插件控制X-微米CT扫描仪对岩样进行三维透视扫描，再采用电脑后端重建插件对岩样进行三维数字岩心重构，最后，将重构的数据体导入Avizo软件中进行展示、选点、修整、切割，及相关信息的提取等一系列工程操作，以求所得数字岩心模型具有更好地分辨率，更高地精准度，更准地还原度，也为下一步模型的渗透性分析垫定了良好基础。基于上述准备工作完毕且保证数据体正确无误，就能实现微米级孔隙度、渗流曲线等数据的可视化展示，这有助于对地下气液流动机理认识及研究工作的展开。

1 实验样品

本文研究实验样品采自于山西省境内霍州煤电李雅庄矿区石炭二叠纪太原组的砂岩含水层组，岩样埋深493.87 m，平均厚度2.67 m左右(本次采样编号为：Hz-3)。以灰白色、灰色的细粒砂岩为主，分选性差，磨圆度低，棱角状明显，铸体薄片镜下鉴定以浅黄色细粒岩屑砂岩，岩屑含量为主，约占58%，石英约占20%，以硅质、钙质孔隙式胶结为主。Hz-3的实测数据如表1所示。

表1 Hz-3实测数据结果表

表1所展示的物性分析及核磁共振两种测试法的检测结果中，在孔隙度方面呈现出较大的差异性(即物性分析孔隙度1.59%小于核磁共振孔隙度5.02%)，但两种方法在渗透率测试结果方面较为接近，造成此类现象的主要因素是测试手法的特殊性所致。物性是通过计算穿过岩样的气体体积，所得结果为连通部分的孔隙占比情况，而核磁经过饱水-离心过程，其结果反映的是总孔隙的占比情况(包括连通孔和封闭孔)，因此，依据表1可知，Hz-3的总孔隙为5.01%，连通孔隙为1.59%，经总孔隙减去连通孔隙的比重，求得孤立孔隙部分约为3.43%，渗透率范围在0.00221 mD～0.00267 mD之间。

2 数字岩心渗流场模型的建立

数字岩心模型是先后经历“选样—制样—扫描—重构—建模—分析”六个步骤，只有通过前4个步骤，才能在三维数字可视化软件Avizo里建立出准确的岩心模型。由于本次所选研究对象属于致密性较强的砂岩，且根据实测结果反映出的岩样整体孔隙度是较低的，可推断其孔隙的孔径较小，因此，在选样和制样过程中，尽量保证岩样的体积在1 cm3以内，以确保扫描数据体的清晰程度较高(若预扫的岩心原样尺寸过大，扫描结果往往看不到较小的孔径，因此要将岩样体积控制在较小的范围内)。

2.1 扫描数据体重构

岩心样本(如图1所示)经过X-微米CT扫描仪得到的数据体不可直接应用，需再通过数据体重构后才能在三维数字可视化软件中建立岩心模型。重构后的三面切片及其渲染图像，如图2所示。

图1 岩心样本

图2 数字岩心三面切片及其渲染图

2.2 模型建立及分析

将重构后的“.raw”数据导入Avizo软件中，对应输入重构时的XYZ三轴方向的数据及岩样的扫描分辨率。通过上述操作步骤后，得到初始数字岩心模型，再输入对应的命令，最终实现所要展示的渗流场效果。其主要操作步骤如下所示：

第一步：原始模型加载；

岩样实物边界加载结果为X方向8639.7 μm、Y方向8360.7 μm、Z方向10220.7 μm大小的不规则模型，为减小计算机的运行压力，需要对原始模型进行校正和裁切。

第二步：裁切；

由于原始数据体大小有3.85 GB，若要整体运算，则需要2台工作站同时配合工作。受计算条件限制，从较大的数据体中裁切出规则的目标研究体进行研究。

第三步：图像滤波、交互式阈值分割；

图像未经过滤波处理时，会出现干扰点。检测表明：这些干扰点是颜色过暗的有机矿物质，而非真正的孔隙或微裂隙。

第四步：提取模型中的总孔隙；

提取出的总孔隙部分如图3所示，蓝色部分为孤立孔隙，红色部分为连通孔隙。在本次砂岩渗透性研究中，由于孤立孔隙之间不存在连通性，故不作为重点研究。本文着重分析的是基于数字岩心技术的连通孔隙部分对渗透性的影响。

图3 总孔隙

第五步：提取模型中的连通孔隙；

将总孔隙中的连通孔隙部分提取出来进行详细分析，如图 4所示。

图4 连通孔隙部分

第六步：针对连通孔隙进行渗流场模型的建立；

在建立连通孔隙渗流场模型之前，需要将连通孔隙部分进行透视处理，如图5所示。这是为了后期更好的观察渗流曲线的路径及孔隙间连通性的强弱。若孔隙间的连通性越强，通过该部分孔隙的流线，呈现出青蓝色；若孔隙间的连通性越弱，流线呈红黄色，表明孔隙间不够畅通，需要较大的压力才能使流体通过孔隙连接处。由于岩样在原始环境埋藏过程处于三向应力场、三向渗流场之中，为保证模型的真实可靠性，本文对裁切体的连通孔隙部分，同时建立了XYZ三向渗流场模拟，如图6所示。

图5 连通孔隙部分透视图

从三向渗流场的流场曲线图6中可以看出，X方向与Z方向存在两端连通的情况，而Y方向上隔断，说明Y方向上的渗流是不存在的。X方向与Z方向的渗流场虽然均强于Y方向，但就整个切块而言，渗流场的占比依然处于劣势，大部分区域都处于非连通状态。此外，本文将实测数据与三向渗流场的模拟渗流数据进行比对，发现两者误差较小，即模拟还原程度较好。数据对比见表2。

图6 XYZ三向渗流曲线图

第七步：整理数据。

3 实测结果、模拟结果对比分析

通过整理及分析霍州煤电李雅庄矿区石炭二叠纪太原组砂岩含水层组Hz-3号样的实测、模拟结果，数据对比见表2。

表2 Hz-3实测、模拟结果对比表

对比：

(1) 实测结果中，物性分析法反映的是连通孔隙的孔隙度及渗透率，核磁共振法反映的是总孔隙的孔隙度及渗透率；模拟结果中，可直接得出连通孔隙和总孔隙的孔隙度，以及连通孔隙的XYZ三向渗透率。

(2) 从数据结果的对比分析来看，两种方法在预测渗透率范围方面同样表现出较好的拟合度；实测结果与模拟结果误差较小，通过模拟得出的渗流曲线路径，可以真实的还原岩样在原始沉积环境下的内部孔隙间喉道畅通程度，及其流体动向。

(3) 渗流场存在的前提是连通孔隙的占比，以及喉道的宽窄程度。孔隙与喉道的判别，两者本质上是一类事物，当孔隙受到三向应力的挤压而变的细窄狭长时，喉道就产生了，因此，反过来理解，若喉道过窄时，就意味着围压的增大或胶结作用性强，此时，即便岩样中仍赋存较多的细小连通孔隙，在真实的地层环境下，流体想要通过这些孔隙或喉道而穿过岩体，就变得十分困难了。

综上所述，岩样的孔隙度低，其中连通部分的孔隙体积约占总孔容的30%，其余的孤立孔隙部分约占70%，再结合样品埋藏条件及原岩岩性特征等信息，可以判断，Hz-3为致密性较强的岩屑石英细粒砂岩。

4 结论

(1) 从实测角度出发，很难判断砂岩渗透性的主要参与部分；而从模型角度出发，就能非常直观地给出结论，渗流路径产生于岩心内部的连通孔隙部分，连通孔隙度范围在1.496%～1.59%之间，其渗透率范围在0.00215 mD～0.00267 mD之间。

(2) 通过图像处理软件Avizo的数字化操作，得到了较为可靠的数字岩心三维模型，为砂岩渗透性的研究提供了新方向。通过对比发现，实测结果与模拟结果间的拟合度较好，表明数字岩心技术可以简化需要多次重复的实测过程，提高科研效率，降低研究成本。其次，通过扫描获得的数据体，还可对有机矿物开展研究(即将孔隙剔除，保留其骨架结构部分，观察沉积状态，这有利于对地层沉积史的推测及判定)。

(3) 数字岩心技术才被引进到煤系地层砂岩领域中，在油气方面的研究已颇具规模。该技术展示出了其独有的特色，从裁切、孔隙提取、孔隙筛选，到最后的渗流场模型建立，全程可视化、定量化的操作，为煤系地层砂岩领域的研究者们提供帮助。