研究多孔介質(zhì)巖石的結(jié)構(gòu)和巖石物理性質(zhì)在水文、石油工程和環(huán)境工程中有著重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

孔隙網(wǎng)絡模型可以用來預測多孔介質(zhì)的巖石物理性質(zhì)。孔隙網(wǎng)絡模型可以通過微觀X射線電子計算機斷層掃描設備(全巖心CT，微米CT和納米CT)、聚焦離子束掃描設備(FIB-SEM)和其他三維成像設備對巖石樣品進行掃描獲取，樣品尺寸可以從幾個毫米到幾十個厘米。CT圖像可以被分割空隙部分和巖石骨架部分，并通過大量由喉道(狹長的空隙部分)和相連孔隙(較大的空隙部分)組成的網(wǎng)絡來描述。通過對幾何拓撲結(jié)構(gòu)等效的孔隙網(wǎng)絡進行流動模擬來獲取流體的單相流動和兩相流動特征，進而得到網(wǎng)絡的宏觀性質(zhì)，例如毛管壓力和相對滲透率。

頁巖、致密砂巖和碳酸鹽巖等非常規(guī)儲層巖石孔隙尺寸跨度大，通過單一分辨率掃描獲取的三維巖石圖像無法描述從納米尺度到溶洞尺度的跨尺度孔隙特征，通過常規(guī)方法來獲取非常規(guī)巖石的流動特征非常困難。

本實例描述的系統(tǒng)和方法包括一套多尺度工作流程，能夠預測非均質(zhì)和復雜巖石的單相和多相流性質(zhì)。

在實施例中，通過較小巖石樣品(巖心柱塞或者更小的巖樣)獲取的數(shù)據(jù)進行尺度升級，可作為油藏建模和流動模擬的輸入?yún)?shù)。模擬結(jié)果可以用來預測油藏的油氣儲量，進而指導油氣勘探和開發(fā)方案的制定等。

在下面詳細描述的工作流程示例中，獲取巖石的多尺度圖像并在分析不同尺度的圖像特征，通過多尺度網(wǎng)絡流動模擬器融合分析結(jié)果。

本實例基于多孔介質(zhì)的X射線CT掃描獲圖像，提供方法、系統(tǒng)和計算軟件來獲取樣品的巖石物理性質(zhì)。對于小于X射線CT掃描圖像分辨率的小孔隙，可通過微米CT結(jié)合更高精度的納米CT或者掃描電鏡來獲取。

基于三維圖像可以獲取多孔介質(zhì)的各種巖石物理性質(zhì)，例如孔隙度、絕對滲透率、地層電阻率因子、毛管力曲線、相對滲透率曲線、電阻率指數(shù)等。

單一尺度的掃描圖像無法獲取多孔介質(zhì)的多尺度孔隙特征。例如，碳酸鹽巖和非常規(guī)油藏巖石(頁巖、致密砂巖)孔隙尺寸差距較大，橫跨好幾個數(shù)量級。

在實施例中，不同尺寸的巖石樣品需要不同的掃描分辨率。在較小尺度上，巖石樣品尺寸大約0.05-0.1mm，掃描分辨率大約10nm；在較大尺度上，全直徑巖心尺寸大約幾個cm，掃描分辨率大約0.1mm?？梢酝ㄟ^不同的物理信號和工具進行掃描，如X射線或者FIB-SEM。

例如，在較小尺度上，尺度升級過程的第一步，將納米尺度圖像分割為不同的部分，可分為兩類，分別是納米孔隙空間和巖石顆粒。通過提取相應的孔隙網(wǎng)絡并進行滲流模擬可以得到納米尺度圖像的巖石物理性質(zhì)。在實施例中，多孔介質(zhì)的樣品大小為50-100μm，分辨率為1-50nm。

尺度升級過程的第二步，X射線微米CT掃描，分辨率為1μm以上，樣品的尺寸可以達到幾個毫米。掃描的CT圖像可以被分割為三部分，分別是微米孔隙空間部分、含有上一級納米孔隙的基質(zhì)部分和固體顆粒部分?；诖?，可以提取微米孔隙網(wǎng)絡的特征，并將納米尺度孔隙信息進行融合。在實施例中，多孔介質(zhì)的樣品大小為100μm-10mm，分辨率為50nm-1μm。

尺度升級過程的第三步，巖心柱塞尺度的X射線CT掃描，分辨率為幾微米，樣品尺寸可以達到幾個厘米(如標準巖樣柱塞或者全直徑巖心)。掃描的CT圖像可以分割為三部分，分別是孔隙空間部分、含有上一級微納米孔隙的基質(zhì)部分和固體顆粒部分。提取該尺度下的孔隙網(wǎng)絡(溶洞部分)，同時將上一級的微納米尺度特征進行融合。在實施例中，多孔介質(zhì)的樣品大小為1-20cm，分辨率大約1-100μm。

在接下來的升級過程中，重復以上步驟可將納米-微米-巖心柱塞尺度性質(zhì)升級到整個油藏尺度上。

本實例不受巖石孔隙尺寸限制。同樣地，相同的分步驟升級方法可以應用到整個地層和油藏中。雖然本實例以三個步驟的尺度升級過程作為闡述，但是多步驟的尺度升級過程不局限于此，可以是兩步、四步、五步或者更多。

在實施例中，提供了一種普遍使用的網(wǎng)絡提取算法來處理多相分割圖像。

在實施例中，提供了一種普遍使用的網(wǎng)絡滲流模擬方法來處理孔隙單元(孔隙、喉道)和分辨率更高的精細孔隙單元。

可以預測的巖石物理性質(zhì)包括：毛管力曲線、相對滲透率曲線、電阻率指數(shù)和各參數(shù)的敏感性分析曲線。

可以預測任意給定接觸角下的潤濕性指數(shù)，包括Amott–Harvey指數(shù)和USBM潤濕性指數(shù)。

尺度升級的流程可以根據(jù)實際情況分為兩步、三步、四步或者更多，模型的輸入均為多相分割的三維圖像。

工作流程可用來預測驅(qū)替、吸入和后續(xù)的驅(qū)替循環(huán)過程。

當前的披露信息第一次提供了毛管力占主導地位的多尺度升級工作流程，工作流程基于毛管力平衡物理定律。

第一次提供了毛管力占主導地位的流動模擬器，將單相(總孔隙度、絕對滲透率和地層電阻率因子)和兩相流動性質(zhì)(相對滲透率、電阻率指數(shù)、Amott-Harvey潤濕性指數(shù)和USBM潤濕性指數(shù))升級到巖心柱塞、全巖心、巖相、地層或者油藏尺度上。

請求披露信息的優(yōu)勢將在下面進行詳述。

附圖說明

圖1為升級流程的示意圖。

圖2A為升級流程第一步中納米尺度X射線CT灰度圖像。

圖2B為升級流程第一步中分割后的納米尺度圖像和相應的孔隙網(wǎng)絡。

圖2C為升級流程第一步中的升級結(jié)果。

圖3A為升級流程第二步中微米尺度X射線CT灰度圖像。

圖3B為升級流程第二步中分割后的微米尺度圖像和相應的孔隙網(wǎng)絡。

圖3C為升級流程第二步中的升級結(jié)果。

圖4A為升級流程第三步中巖心柱塞尺度X射線CT灰度圖像。

圖4B為升級流程第三步中分割后的巖心柱塞尺度圖像和相應的孔隙網(wǎng)絡。

圖4C為升級流程第三步中的升級結(jié)果。

圖5為升級方法闡述的流程圖。

具體實施方式

以下針對上圖進行詳細的描述。一方面，實施例中相關的方法、系統(tǒng)和計算軟件來決定基于X射線CT掃描圖像的多孔介質(zhì)巖石物理性質(zhì)，巖石孔隙尺寸跨度大，有些孔隙尺寸比X射線CT圖像的分辨率還小。

微米CT掃描的樣品尺寸可以是幾個毫米，分辨率可以達到亞微米或者幾個微米。

雖然巖石圖像和升級結(jié)果可以通過一步、兩步、三步或者更多升級步驟，但是圖1中展示的是三個步驟的巖石圖像和流動性質(zhì)升級方法。

尺度升級流程第一步

選取包含納米孔隙的巖石樣品部分獲取納米CT掃描圖像。圖2A展示了升級流程第一步中納米尺度X射線CT灰度圖像。

圖像可以被分割為納米孔隙和固體顆粒兩相。通過網(wǎng)絡提取軟件來提取相應的孔隙網(wǎng)絡。圖2B為升級流程第一步中分割后的納米尺度圖像和相應的孔隙網(wǎng)絡。

兩相流動模擬軟件用來求解基于納米尺度孔隙網(wǎng)絡的單相性質(zhì)(例如包括絕對滲透率和地層電阻率因子)和兩相流動性質(zhì)(例如包括毛管力曲線、相對滲透率曲線和電阻率指數(shù))。基本的流體/巖石性質(zhì)作為網(wǎng)絡流動模型的輸入部分，例如包括各相流體的密度、粘度和電阻率，以及流體之間的表面張力(IFT)和流體-孔隙表面的接觸角。

兩相流網(wǎng)絡模擬的代碼參見P.H.Valvatne and M.J.Blunt的論文“Predictive pore-scale modeling of two-phase flow in mixed wet media,"Water Resources Research,40,W07406。本次披露通過完整的參考文獻方式進行了引用。

圖2C為升級流程第一步中的升級結(jié)果，包括納米CT圖像在驅(qū)替和吸入過程的毛管力曲線和相對滲透率曲線。

尺度升級流程第二步

如在圖1中所述，升級流程第一步中的網(wǎng)絡流動模擬結(jié)果作為升級流程第二步的輸入。升級的納米CT性質(zhì)包括絕對滲透率(k)、毛管壓力(Pc)、相對滲透率(kr)和電阻率指數(shù)(RI)。

在尺度升級流程第二步中，通過微米CT掃描獲取更多的巖石圖像。圖3A為升級流程第二步中微米尺度X射線CT灰度圖像。

圖像體素可以標記為三類，分別為固體顆粒體素、微米孔隙體素和包含納米尺度孔隙的基質(zhì)體素。圖3B為升級流程第二步中分割后的微米尺度圖像和相應的孔隙網(wǎng)絡，包含固體顆粒、微米孔隙和含納米孔隙的基質(zhì)部分。在實施例中，包含納米孔隙的基質(zhì)體積可通過微米CT圖像進行獲取，其中的納米孔隙信息可通過更高分辨率的納米CT進行獲取。

此處披露的實施例提供了提取網(wǎng)絡中的微米孔隙空間和納米孔隙空間的方法，即雙孔隙網(wǎng)絡提取方法。

孔隙、喉道和含納米孔隙的基質(zhì)部分均為融合網(wǎng)絡的單元。為了與尺度升級流程第一步中的納米尺度孔隙相區(qū)分，這個尺度上的孔隙單元是指大孔隙。通過算法來提取大孔隙單元的網(wǎng)絡，此類網(wǎng)絡提取算法參見H.Dong和M.J.Blunt論文"Pore-network extraction from micro-computerized-tomography images",Physical Review E,80(3):036307,(2009)。本次披露通過完整的參考文獻方式進行了引用。

納米孔隙單元可以通過最大球算法進行提取，為了流動特征的精確計算，需要對納米孔隙的尺寸進行限定。在實施例中，15個體素的最大尺寸能夠在流動模擬的計算速度和求解精度上進行平衡。通過這種方式獲取的納米孔隙單元可視為有限體積網(wǎng)格，進而融合到大孔隙網(wǎng)絡中。

基于提取的微米CT雙孔隙網(wǎng)絡，結(jié)合基本流體/巖石性質(zhì)和升級的納米CT性質(zhì)，可用來尺度升級流程第二步中網(wǎng)絡流動模擬的輸入?yún)?shù)。

由Valvatne和Blunt(2004)編寫的兩相流動模型代碼可擴展到融合網(wǎng)絡的流動模擬中。本方法中流體經(jīng)過孔隙單元時的流動方程詳見Valvatne和Blunt(2004)。

流體經(jīng)過納米孔隙單元時可通過達西多相流方程來描述，流動特征參數(shù)通過尺度升級第一步來獲取。在網(wǎng)絡模型中，通過不斷增加油相壓力模擬油驅(qū)替過程，然后不斷降低油相壓力模擬水驅(qū)過程，進而模擬流體流動，這與實驗測量的原理相似。

在尺度升級第一步中，含水飽和度、流動特征和電導率可以分別通過毛管力曲線、相對滲透率和電阻率指數(shù)進行計算。大孔隙和納米孔隙融合網(wǎng)絡的流動特征同樣是通過Valvatne和Blunt(2004)描述的質(zhì)量守恒方程，求解微米CT圖像的單相和兩相滲流特征來獲取。

圖3C為升級流程第二步中的升級結(jié)果，包括微米CT圖像在驅(qū)替和吸入過程的毛管力曲線和相對滲透率曲線。

尺度升級流程第三步

如圖1所述，尺度升級第二步中網(wǎng)絡流動模擬得到的結(jié)果可以作為尺度升級第三步網(wǎng)絡流動模擬的輸入?yún)?shù)。進行升級的微米CT性質(zhì)包括絕對滲透率(k)、毛管壓力(Pc)、相對滲透率(kr)和電阻率指數(shù)(RI)。

在尺度升級流程第三步中，通過巖心柱塞或全直徑微米CT掃描獲取更多的巖石圖像。CT掃描設備可以是微米CT掃描儀或者更大掃描尺寸的全直徑掃描儀。

如果算例中的巖石樣品包含大的孔隙(溶洞)，導致微米CT設備不能完全獲取到代表性區(qū)域(通過較小尺度的掃描區(qū)域獲取的性質(zhì)不一定能代表整個巖石樣品)，可以通過更大分辨率下的CT掃描來獲取更大的巖石樣品區(qū)域。

更大的CT掃描圖像體素可以標記為三類，分別為固體顆粒體素、孔隙體素和包含微納米尺度孔隙的基質(zhì)體素。圖4A為升級流程第三步中巖心柱塞尺度X射線CT灰度圖像。

使用與升級流程第二步中相同的網(wǎng)絡提取算法來提取不同體素標記的三維圖像，包含溶洞單元和微孔隙單元。圖4B為升級流程第三步中分割后的巖心柱塞尺度圖像和相應的孔隙網(wǎng)絡，包含固體顆粒、溶洞和含微納米孔隙的基質(zhì)部分。

使用尺度升級流程第二步中相同的流動模擬方法進行兩相流動模擬和柱塞尺度特征升級計算，唯一的區(qū)別是輸入文件為由溶洞和微孔隙(包含納米孔隙特征)組成的網(wǎng)絡單元，而不是第二步中由微納米孔隙組成的網(wǎng)絡單元。

第二步中的升級結(jié)果通過連續(xù)性(達西)方程來描述流體經(jīng)過微孔隙單元的流動特征進行計算。通過求解融合后雙孔隙網(wǎng)絡中溶洞和微孔隙單元的流動方程，可獲取柱塞圖像的毛管力曲線、絕對滲透率、相對滲透率、地層電阻率因子和電阻率指數(shù)。

圖4C為升級流程第三步中的升級結(jié)果，包括巖心柱塞尺度圖像在驅(qū)替和吸入過程的毛管力曲線和相對滲透率曲線。

本方法可以通過將軟件或程序代碼存儲在任何類型的計算機可讀介質(zhì)或內(nèi)存來實現(xiàn)，如存儲設備，包括磁盤或硬盤。計算機的可讀介質(zhì)包括非暫時性的計算機可讀介質(zhì)或內(nèi)存，例如通過計算機可讀介質(zhì)來短時間的存儲數(shù)據(jù)，如寄存器存儲器、處理器緩存和隨機存儲器(RAM)。計算機可讀介質(zhì)包括非暫時性介質(zhì)或者內(nèi)存，例如二次或永久的長期儲存，如只讀存儲器(ROM)、光盤或者磁盤、只讀光盤驅(qū)動器。計算機可讀介質(zhì)也可以是任何其他的易失性或非易失性存儲系統(tǒng)。計算機可讀介質(zhì)可以被視為一種計算機可讀存儲介質(zhì)、一種有形存儲裝置或其它制造制品。

此外，對于方法500和在此公開的其他處理方法和方法，圖5中的每一個部分可以表示在進程中執(zhí)行特定邏輯功能的電路，并且該方法可以使用計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)。另外，計算機系統(tǒng)包括有存儲指令的計算機可讀介質(zhì)，以實現(xiàn)上述方法中的各個步驟。

本次披露中的所有參考文獻都涵蓋了它們的全部內(nèi)容。雖然具體的實施例已經(jīng)在前面進行了詳細描述，但僅僅是為了闡述目的。因此，上面所描述的許多方面不是必須的元素，除非明確說明。除了上述的那些描述，各種修改和對應等效行為的示例性實施例，可以通過個人普通技能獲取目前披露的利益，并且不能離開下列權(quán)利要求定義的披露范圍，該范圍是受到最廣泛的解釋、修改和等效結(jié)構(gòu)。

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.基于計算機執(zhí)行的多孔介質(zhì)特征計算方法，該方法包含以下幾步：

第一步包括：

獲取第一個尺度上的多孔介質(zhì)的第一組圖像，其中第一組圖像包括從物理信號掃描獲得的三維圖像；從第一組圖像中提取第一組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第一組孔隙網(wǎng)絡模型進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第一組一系列性質(zhì)；

第二步包括：

在第二個尺度上獲取比第一個尺度更大的第二組多孔介質(zhì)圖像；

從第二組圖像中提取第二組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第二組孔隙網(wǎng)絡模型和第一組孔隙網(wǎng)絡中的一系列性質(zhì)進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第二組一系列性質(zhì)。

2.權(quán)利要求1中的方法，進一步包括：

第三步：

在第三個尺度上獲取比第二個尺度更大的第三組多孔介質(zhì)圖像；

從第三組圖像中提取第三組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第三組孔隙網(wǎng)絡模型和第二組孔隙網(wǎng)絡中的一系列性質(zhì)進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第三組一系列性質(zhì)。

3.權(quán)利要求2中的方法，進一步包括：將第三組一系列性質(zhì)應用到水文學、石油工程和環(huán)境工程領域中。

4.權(quán)利要求2中的方法，第三組一系列性質(zhì)包括多孔介質(zhì)的巖石物理性質(zhì)和流體流動數(shù)據(jù)，該方法可以進一步將第三組一系列性質(zhì)升級到油藏建模尺度，并預測油藏的烴含量。

5.權(quán)利要求2中的方法，其中：

第一個尺度為納米尺度；

第二個尺度為微米尺度；

第三個尺度為宏觀尺度。

6.權(quán)利要求5中的方法，其中：

第三個尺度為柱塞尺度。

7.權(quán)利要求2中的方法，第一組一系列性質(zhì)至少絕對滲透率(k)，毛管壓力(Pc)，相對滲透率(kr)，地層電阻率因子或者電阻率指數(shù)。

8.權(quán)利要求2中的方法，第一組圖像包括至少一個CT圖像或者FIB-SEM圖像。

9.權(quán)利要求8中的方法，第一組圖像為納米CT的X射線圖像。

10.權(quán)利要求9中的方法，第二組圖像為微米CT的X射線圖像。

11.權(quán)利要求10中的方法，第三組圖像為宏觀CT的X射線圖像。

12.權(quán)利要求2中的方法，第二組網(wǎng)絡為由納米尺度孔隙和微米尺度孔隙組成的雙孔隙網(wǎng)絡。

13.權(quán)利要求2中的方法，多孔介質(zhì)為多孔巖石。

14.權(quán)利要求13中的方法，多孔巖石至少包含碳酸鹽巖、頁巖和致密砂巖。

15.一個永久的機讀介質(zhì)，通過指令來推導出多孔介質(zhì)性質(zhì)，指令包括：

在第一個尺度上獲取多孔介質(zhì)的第一組圖像，其中第一組圖像包括從物理信號掃描獲得的三維圖像；

從第一組圖像中提取第一組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第一組孔隙網(wǎng)絡模型進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第一組一系列性質(zhì)；

在第二個尺度上獲取比第一個尺度更大的第二組多孔介質(zhì)圖像；

從第二組圖像中提取第二組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第二組孔隙網(wǎng)絡模型和第一組孔隙網(wǎng)絡中的一系列性質(zhì)進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第二組一系列性質(zhì)。

16.權(quán)利要求15中永久的機讀介質(zhì)，進一步包括：

在第三個尺度上獲取比第二個尺度更大的多孔介質(zhì)圖像；

從第三組圖像中提取第三組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第三組孔隙網(wǎng)絡模型和第二組孔隙網(wǎng)絡中的一系列性質(zhì)進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第三組一系列性質(zhì)。

17.權(quán)利要求16中的永久機讀介質(zhì)可將第三組一系列性質(zhì)應用到水文學、石油工程和環(huán)境工程領域中。

18.權(quán)利要求16的永久機讀介質(zhì)，其中第三組一系列性質(zhì)包括多孔介質(zhì)的巖石物理性質(zhì)和流體流動數(shù)據(jù)，該方法可以進一步將第三組一系列性質(zhì)升級到油藏建模尺度，并預測油藏的烴含量。

19.通過計算機系統(tǒng)來推導多孔介質(zhì)性質(zhì)，其中計算機系統(tǒng)配置為：

在第一個尺度上獲取多孔介質(zhì)的第一組圖像，其中第一組圖像包括從物理信號掃描獲得的三維圖像；

從第一組圖像中提取第一組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第一組孔隙網(wǎng)絡模型進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第一組一系列性質(zhì)；

在第二個尺度上獲取比第一個尺度更大的第二組多孔介質(zhì)圖像；

從第二組圖像中提取第二組孔隙網(wǎng)絡模型；

基于第二組孔隙網(wǎng)絡模型和第一組孔隙網(wǎng)絡中的一系列性質(zhì)進行孔網(wǎng)滲流模擬得到多孔介質(zhì)的第二組一系列性質(zhì)。

20.權(quán)利要求19中的計算機系統(tǒng)，其中計算機系統(tǒng)進一步配置來顯示第三組一系列性質(zhì)，至少包括：絕對滲透率(k)，毛管壓力(Pc)，相對滲透率(kr)，地層電阻率因子(FRF)或者電阻率指數(shù)(RI)。