我国油气资源的勘探、开发已走向深部、复杂、非常规储层,其复杂孔隙结构的科学表征、量化及其对流体流动的影响,复杂地层岩石变形、破坏等力学行为特征及其对孔隙结构的影响,岩石孔隙结构特征、赋存流体以及力学特性的声电响应特征及其地球物理反演、预测、评价等已成为实现油气资源高效勘探开发所必需的基础理论与关键技术。传统岩石物理实验受多尺度岩石物理特性研究困难、多因素综合作用实现困难、可重复性及可视性差、岩心获取困难、测试分析耗时且费用高等客观因素制约,已不能满足复杂地层岩石物理与岩石力学的理论与应用技术研究需要及日常教学需求。因此,中心建立了岩石物理及岩石力学虚拟仿真实验平台,该平台由复杂孔隙结构量化表征及孔隙网络数值模型构建虚拟仿真实验系统、复杂结构岩石渗流虚拟仿真实验系统、岩电关系数字化虚拟仿真实验系统、复杂介质岩心超声波传播虚拟仿真实验系统、岩心岩石力学性质超声响应虚拟仿真实验系统等5部分构成。

岩石物理及岩石力学虚拟仿真实验平台为岩石物理学、岩石力学、油气层物理、渗流力学、工程地质学等课程提供了强有效的实验教学平台。该平台以相对简易、直观、便捷的手段生动展现了复杂岩石孔隙结构、声电传播、岩石变形与破裂等晦涩、抽象的岩石物理、岩石力学理论、现象,极大地激发了学生学习兴趣、提升了课程教学效果。

(1)复杂孔隙结构量化表征及孔隙网络数值模型构建实验系统

功能简介:

孔隙结构是岩石中流体分布、渗流特征、岩石力学特性、声电传播特征的重要影响、控制因素,孔隙结构的科学量化表征与不同孔隙网络模型的合理构建是探究、揭示岩石孔渗特性、声电特性、力学特性等宏观物理特性与多尺度孔隙结构内在关系的关键与基础。传统岩心分析不仅难以准确表征岩石真实三维孔隙结构,且岩心耗费大、分析耗时长,孔隙结构参数调节无法实现,已不能满足复杂孔隙结构岩石物理特性研究的需求。为此,本团队建立了复杂孔隙结构量化表征及孔隙网络数值模型构建实验系统,该系统以岩芯薄片、SEM以及微CT的成像图件(图1)为基础,实现了岩石微观结构的三维可视化(图2)及孔隙结构参数的量化表征(图3),等效孔隙网络模型的构建(图4)、以及孔隙度、渗透率、比表面等多项岩石物理基础参数的快速、有效提取,且具有孔隙结构可调控、可大量重复、可视直观等特点,不仅为油气层物理、岩石物理、渗流力学、储层地质学等课程提供了基于数值仿真的基础实验平台,同时也为复杂储层孔隙结构科学表征、储层精细评价及最大程度实现油气采收率提供了基础技术支撑。

教学效果:

该仿真系统以岩心微CT扫描测试为基础,通过该系统的仿真分析过程,学生可以获得对岩石内部三维复杂孔隙网络结构、孔吼连通性等的直观认识,并定量化统计获得岩心的孔径分布、孔吼配位数等微观孔隙结构参数。与传统的二维平面铸体薄片孔隙结构观测、岩心压汞获取岩心孔吼结构参数实体实验相比,该仿真平台完全可视化地将岩石的内部结构展现在了学生的面前,而且参数定量化程度强,使学生对复杂多孔介质孔隙结构有了更加深刻、直观的理解、认识,而且可以利用该平台实施岩电、渗流机理、岩石微观力学变形、多场耦合下岩石孔隙结构变形等研究,促进和激发了学生的学习热情和创造性。

实验项目(表1):

表1 复杂孔隙网络数值模型构建及孔隙结构量化实验课程及项目

序号

实验项目名称

学时

服务课程

服务专业

实验类别

1

数字岩心构建、孔隙网络模型构建

2

岩石物理学基础、油气层物理、储层地质学

资源勘查工程、勘查技术与工程、石油工程

综合型

孔隙结构参数(孔径、配位数、孔喉比等)的提取、评价

2

综合型

储层物性评价(孔隙度、渗透率、比表面等)

2

综合型

(2)复杂结构岩石渗流虚拟仿真实验系统

功能简介:

复杂储层油气渗流特征及渗流机理的系统研究是油气高效开发、实现最大采收率的基础与核心。常规岩心渗流实验及传统渗流数值模拟存在流动不可视,驱替流体波及范围、波及效率量化困难,两相流动难以真实表征,且实现不同孔隙结构对流体流动影响研究难度大等不足,鉴于此,中心建立了复杂结构岩石渗流虚拟仿真实验系统,该实验系统以数值岩心或孔隙网络模型为基础,以有限元为手段,进行两相流体流动数值仿真模拟(图5),实现了单相、两相流体下的连通性、渗透性参数量化提取以及流动过程、流体分布动态可视化,极大地促进了复杂孔隙结构渗流机理研究水平及渗流理论相关课程教学效果的大幅提升。该系统以复杂孔隙结构量化表征及孔隙网络数值模型构建实验系统为基础。

(左图为水驱气过程岩心切面图,右图为水驱气过程三维图,图中红色代表气相,蓝色代表水相,箭头方向表示驱替方向)

教学效果:

通过该系统,学生可以自主开展油、气、水单相流体,以及气水两相、油水两相流体在多孔介质孔隙网络中的驱替及流动研究,整个渗流过程动态及孔隙网络中流体的分布状态均可视,同时,利用该仿真系统,学生可以对影响流体流动的润湿性、孔吼配位数、孔径分布等因素进行单因素和多因素的综合分析,这是在实体的岩石物理试验中完全无法实现的。该系统的建成和应用对夯实和提升学生对复杂多孔介质中流体流动规律、油驱水、气驱水等过程及内在机制的认识和分析,并开展相关研究都发挥了极为重要的作用。

实验项目(表2):

表2 岩芯单相/两相渗流机理数值仿真平台

序号

实验项目名称

学时

服务课程

服务专业

实验类别

1

单相、两相渗流数值仿真

2

岩石物理学基础、工程地质、渗流力学、油气层物理

资源勘查工程、勘查技术与工程、石油工程、地质学、城市地下空间工程、油气储运工程、海洋油气工程

综合性

微观驱替(水驱油、气驱油等)过程数值仿真

2

综合型

孔隙结构、表面特性对渗流、驱油特征

2

综合型

(3)岩电关系数字仿真实验系统

功能简介:

最基本的岩电关系就是Archie关系,其构成了地球物理测井资料解释的核心基础和支撑,从上世纪40年代至今在国内外测井界一直被广泛应用,但岩性不同、孔喉结构不同,岩电参数不同,一方面,随着油气工业从常规地层走向非常规、致密地层,由于岩石渗透性极低,导致传统的通过岩电实验(见图6)获取岩电参数越来越难;另一方面,随着岩性的复杂化,关于传统Archie岩电关系的质疑与讨论也越来越多。在这种背景下,有效获得对岩电关系的认识及如何高效获得岩电关系,必须探索建立新的途径。为此,岩石物理研究团队在多年科研积累的基础上,借助国际上快速发展的数字岩心技术,建立了数字岩电仿真实验系统。该系统由模型创建、模型及边界设置以及模拟计算、结果数据导出等几部分构成。岩电仿真实验系统界面及仿真计算结果见图6。

(a)岩石电阻率仿真模拟软件主界面(截图)

(b)不同喉道半径下的I-Sw模拟结果曲线

(c)不同孔喉比下的I-Sw模拟结果曲线

(d)不同配位数下的I-Sw模拟结果曲线

图6 实验系统的使用界面及岩电仿真计算结果

教学效果:通过该系统,学生可以自主开展岩电关系及影响因素的研究和分析,同时加深对岩石电阻率、岩电参数的内在形成机理认识,提升和激发学生的学习兴趣和创造热情。

实验项目(表3):

表3 岩电关系数字仿真实验实验课程及项目

序号

实验项目名称

学时

服务课程

服务专业

实验类别

1

真实致密砂岩岩电关系虚拟仿真实验

2

岩石物理学基础、地球物理测井、测井原理及工程应用

勘查技术与工程、资源勘查技术与工程、石油工程、海洋油气工程

综合型

孔隙结构对岩石电阻率影响的

实验

2

综合型

岩石表面特性、饱和流体性质对岩石电阻率影响的实验

2

综合型

(4)复杂介质岩心超声波传播虚拟仿真实验系统

功能简介:

超声波在复杂多孔介质中的传播规律和特征是利用地球物理测井开展岩石机械力学性质、孔隙性的评价的重要基础支撑,对缝洞碳酸盐岩、层理发育页岩地层等复杂、严重非均质地层,由于岩心自身的非均质性和不可重复性,单纯依靠岩心实验获得规律性的认识已经非常困难、甚至不可能,因此,如何虚实结合,通过大量数字岩心实验获得对复杂岩石超声波传播的规律性认识非常必要。鉴于此,中心通过多年的积累和努力,自主开发了一套可用于研究缝、洞、层理等的尺度、分布对超声波传播的影响的虚拟仿真实验系统。图7为超声波仿真软件界面及仿真结果。

(a)超声波数值实验仿真软件操作结果及均匀介质中声波的传播(截图)

(b)超声波数值实验仿真软件操作结果及孔洞介质中声波的传播(截图)

(c)不同密度裂缝发育岩心的超声波数值仿真波场

       (d)模拟得到的超声波波形(孔隙度0.72%)(e)模拟得到的超声波波形(孔隙度2.52%)

            (f)缝密度与速度的关系                (g)缝角度与速度关系图

图7 超声波仿真软件界面及仿真结果

教学效果:

利用该系统,学生可以根据研究需要,在模拟岩心中自主模拟设置不同类型、不同分布的孔、洞、缝,并观测不同模拟岩心状态、不同超声波频率下的声波传播速度、衰减特性及岩心内部的波场分布,不仅使学生对孔、洞、缝、层理等发育地层中,声波的传播及地球物理响应特征有了更深刻和直观的认识,同时为学生深入研究提供了平台,激发了创新研究热情。

实验项目(表4):

表4 复杂介质岩心超声波传播虚拟仿真实验课程及项目

序号

实验项目名称

学时

服务课程

服务专业

实验类别

1

均质孔隙性岩石的超声波传播数值仿真实验

1

岩石物理学基础、声波测井、地震勘探原理、地球物理测井、测井原理及工程应用

勘查技术与工程、资源勘查技术与工程、石油工程、海洋油气工程

综合型

层状非均质岩石的超声波传播数值仿真实验

2

综合型

裂缝型岩石的超声波传播数值仿真实验

2

综合型

溶洞型岩石的超声波传播数值仿真实验

2

综合型

缝洞发育岩石的超声波传播数值仿真实验

2

综合型

(5)岩心岩石力学性质超声响应虚拟仿真实验系统

功能简介:对岩石的力学性质及岩石变形破坏规律和机理的认识对构造地质课程学习、地质构造现象、特征及形成演化机理的认识、理解都至关重要,同时其也是工程地质、勘查地球物理等学科专业非常重要的基础性研究工作。直接的岩石压、拉、剪实验对学生学习非常直观、也非常重要,但对于岩心内部发育的缝、洞等对岩石变形、起裂、破坏等的影响,在实体岩心实验环境下,无法透视获知,不能满足学生深入学习的需要,为此,以大连力软科技有限公司联合,借助其RFPA岩石破坏仿真模拟软件系统,采用虚实结合的方式,很好地解决了这一难题,不仅使学生能够更好地在虚拟环境下开展大批量实验,总结规律,而且也极大地激发了学生学习的兴趣和分析问题、解决问题的内在主动性。

将该仿真系统与上述超声波实验系统相结合,构建了岩心岩石力学性质超声响应虚拟仿真实验系统。该系统不仅可以直接通过RFPA仿真系统直观观察不同岩石岩样的外加载荷或孔隙流体压力的单因素作用下和综合影响下的岩石变形、破坏特征,使学生对不同岩石的变形和破坏规律及影响因素有深入的认识和理解,同时将数值破坏实验用数字岩样输入上述复杂介质岩心超声波传播虚拟仿真实验系统,可以获得该岩样的超声波响应,进一步开展岩石力学与岩石超声响应的内在关系研究。该系统的仿真实验界面及仿真结果见图8。

(a)RFPA软件主界面(截图)

(b)不同倾角层理的岩石抗压仿真模拟结果

(c)发育不同孔径岩石的抗压仿真模拟结果

(d)岩石断裂韧性仿真模拟结果

‍          (e)250KHz探头频率下抗压强度          (f)50KHz探头频率下抗压强度

                 与衰减系数的关系                        与衰减系数的关系

              (g)250KHz探头频率下杨氏弹性模量与   (h)50KHz探头频率下杨氏弹性

                       衰减系数的关系                     模量与衰减系数的关系

             (i)250KHz探头频率下泊松比与         (k)50KHz探头频率下泊松比与

                         衰减系数的关系                   衰减系数的关系

图8 RFPA软件界面及岩石力学特性仿真结果

教学效果:

利用该仿真平台,学生可以根据需要在虚拟岩心内部设置不同尺度、不同形状、不同分布的孔、洞、缝,并开展压、拉(巴西劈裂)、断裂韧性实验,获得对岩石变形、起裂、破坏等的宏观及微观内在机制的认识。同时学生也可以直接将真实岩心的切片照片输入该仿真系统,获得对岩心破坏机制的真实体验。采用虚实结合的方式,极大地激发了学生学习的兴趣和分析问题、解决问题的内在主动性、创新性。

实验项目(表5):

表5 岩心岩石力学性质超声响应虚拟实验课程及项目

序号

实验项目名称

学时

服务课程

服务专业

实验类别

1

复杂结构岩石巴西劈裂数值仿真实验

2

岩石物理学基础、工程地质、岩石力学

勘查技术与工程、石油工程、地质学、城市地下空间工程、土木工程、工程管理

综合型

复杂结构岩石单轴/三轴数值仿真实验

2

综合型

复杂结构岩石断裂韧性数值仿真实验

2

综合型

岩石流固耦合数值仿真实验

2

综合型



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