岩石物理的理论模拟和数值实验新方法

第20卷　第1期地　球　物　理　学　进　展Vol.20　No.1 2005年3月(页码:4～11)PRO GRESS　IN　GEOP H YSICS March　2005

岩石物理的理论模拟和数值实验新方法

陶　果,　岳文正,　谢然红,　朱益华

(石油大学(北京)测井重点实验室,北京102249)

摘　要　当代物理实验科学和计算机科学技术的巨大进步为岩石物理的理论和实验研究开辟了新的领域.在细胞自动机基础上发展起来的格子气自动机和格子玻尔滋曼方法就是这种技术进步的产物.本文讨论了格子气自动机的发展及其应用于研究多孔岩石微观孔隙结构对宏观导电特性影响的新方法.我们开发的模拟多孔岩石导电特性的数值实验新方法,提供了一种可深入到从微观孔隙结构这个尺度上来考察具有复杂孔隙结构的,孔隙度小于10%的低孔、低渗岩石的宏观导电特性及其影响因素.研究表明:Archie系数m,n并不是传统上的意义,研究各种不同条件下F-<、I-S w关系,结果显示非阿尔奇现象与孔隙介质中孔隙、骨架和流体的混合导电网络有关,得出新的饱和度计算公式.同时还研究了泥质含量和分布、电阻率各向异性对宏观导电特性的影响,提出适用于电阻率各向异性地层的F-<、I-S w的关系.本文最后探讨了应用格子气自动机和格子玻尔滋曼方法进行岩心渗流和核磁共振数值实验的新方法及其发展前景.

关键词　格子气自动机,格子玻尔滋曼,多孔介质导电特性,阿尔奇公式,微观孔隙结构,电阻率各向异性

中图分类号　P631 文献标识码　A 文章编号　100422903(2005)0120004208

A new method for theoretical modeling and numerical

experiments on petrophysical studies

TAO Guo,　YU E Wen2zheng,　XIE Ran2hong,　ZHU yi2hua

(Universit y of Pet roleum,B ei j ing102249,China)

Abstract　The rapid development of modern physical sciences and computer technology opened new prospects for petrophysical studies Now,the Lattice G as Automation(L GA)and Lattice Boltzmann(LB)are such powerf ul tools to study the micro dynamics of fluid flow and electrical current in a complex media.It can provide insight into the mechanisms of the micro phenomenon.In this study,we studied electrical transport properties of porous media with 2D L GA.Contrary to the traditional viewpoints,our simulating results clearly disclosed the physical meaning of the Archie parameters a,b,m,n.The simulation results also demonstrate that the so called non-Archie behavior of the porous rocks is the inherent nature of the complex current paths of the rock matrix and pore fluids mixture.It is proved by our results that Archie equations are merely the linearized approximations of F-

A new formula was developed to combine the measurements in all directions to calculate fluid saturation in anisotropic

media.We finally discussed in this paper the prospects of applying L GA and LB to simulate acoustic and nuclear mag2 netic resonance fields to determine the production parameters of complex reservoirs.

K eyw ords　lattice gas automation,lattice boltzman,porous media electrical conducting mechanism,archie equations, micro porous structure,resistivity anisotropy

收稿日期　2004207220;　修回日期　2004210220.

基金项目　国家自然科学基金项目(50374048)资助.

作者简介　陶果,男,新疆人,1952年生,石油大学(北京)教授,博士生导师.(E2mail:taoguo@https://www.360docs.net/doc/8c533123.html,)

1期陶　果,等:岩石物理的理论模拟和数值实验新方法

0　引　言

我国大部分油气田属于陆源碎屑沉积,地下油气储集体孔隙结构复杂,非均质极为严重,研究非均质复杂油气藏电磁场、声场、核物理场及核磁共振场的分布特征有实验和数值模拟两种方法.传统的模拟油气藏条件下的岩心实验,是非常困难和昂贵的.另外,对于具有复杂孔隙结构的低孔、低渗油气藏,目前的实验设备还难于准确测量孔隙度小于10%的岩石物理参数及其非均质性.随着相关学科的发展,数值模拟已经成为现代科学研究的重要手段之一.众所周知的例子有,美国已经用数值模拟代替了核爆炸试验;军队的现代化战争演习已经逐渐在计算机模拟环境下进行;核物理中计算机上的蒙特卡罗粒子实验代替了大多数传统的放射性测量实验;在电法测井仪器的研究中,数值模拟早已经取代了用电模型实验方法进行仪器参数设计和考察;格子气自动机模拟岩石渗流实验等等,数值模拟技术已经成为发展最快,最经济、有效的现代科学研究方法.

当代统计物理研究认为,众多宏观复杂系统的整体复杂性,可表现为大量十分简单运动规律的基本单体之间相互作用的结果,从微观机制出发研究宏观复杂系统的运动规律,也是一种值得探索的科学研究方法.基于此,80年代由法国的三位学者提出的的格子气自动机研究即是试图在微观和宏观的研究之间架起桥梁.它基于对物理系统的微观运动描述,作时间和空间的离散化,建立直接模拟物理系统演化的格子气模型.该方法与从连续系统的偏微分方程出发的传统数值方法正好相反,其根本思想是对数学物理问题重新建立离散模型.物理系统的宏观特性直接由模型的演化方程来计算,从而导出某些物理参数等.

格子气自动机和随后发展起来的格子玻尔滋曼方法,最先用于研究流体的一些动力学性质.近年来,该方法引起了物理学家、计算机科学家与数学家们的浓厚兴趣,致使格子气自动机无论是理论分析还是计算机模拟都取得了许多进展,关于格子气的应用领域日益扩大,相关的文献也层出不穷.

近年来,地球物理学家开始尝试采用细胞自动机中的格子气模型,进行复杂介质中纵波传播的正演模拟研究(Rot hman,1987[8,11];Huang,1988). 1992年,法国学者Peter Mora在此基础上提出声格固体模型,并应用于二维复杂介质中纵波传播过程的数值计算.同年,我国学者黄联捷进而研究了在流体-固体非线性作用条件下,PL S模型的波动建模问题.1999年,刘劲松和许云改进了PL S模型[27],提出了一种新的用于地震波场模拟的变网格生格固体模型(PL SVL),新模型在同种网格内部的传输过程中不存在误差.

在孔隙介质岩石物理特性(电学性质)的研究和应用方面,Küntz[2](2000)首先利用格子气自动机研究了饱含流体孔隙介质的电导率.他从岩石物理角度,用二维模型模拟并考察了地层因素F与孔隙度和两相介质(骨架和一种流体)电导率比的关系.主要研究思路是:在孔隙介质中的大多数传输过程中,电导率遵循欧姆定律,流体遵循纳维尔斯托克斯(Stokes)方程.由Stokes方程可以导出达西定律.比较欧姆定律和达西定律可以发现,如果用电荷代替流体粒子,用电场强度代替压力梯度(Kuntz, 1997)[14],即电位代替压力,那么电流对应流体流量,介质的电阻率对应流体的粘度.作这样的比较之后,可以借助于格子气在流体力学领域的研究结果,将其用于岩石物理电学性质的研究.因为格子气自动机的传输性质仅仅依赖于应用于格点上的碰撞规则,格点上的传输性质的局部变化可以由两种不同的碰撞规则引入(如采用F H P3模拟流体,F HP5模拟固体骨架),孔隙度由格子上代表流体的粒子数与总的粒子数字比确定.研究结果表明:格子气自动机方法可以精确再现孔隙介质电导率的主要特征并可以考察阿尔奇公式的物理机理.这里孔隙度可以在0～1之间任意取值而且孔隙结构可以任意选择.

Küntz[2]的工作中仅考虑了骨架和一种饱和流体的孔隙介质,仅研究了地层因素和孔隙度的关系.在我们的实际应用中所遇到的情况远比Küntz研究的情况复杂.例如,必须考虑由于油水驱替过程造成了岩石表面性质的变化及由此引起的电导率的复杂性.必须考虑骨架和油、水(包括注入水和原生水)多相流体饱和的孔隙介质,研究电阻率增大系数I和含油饱和度的关系S w.这些问题的研究是实际应用格子气自动机方法的关键,将上述思想运用于我们所要解决的问题,那么就可以利用少量的岩心实验,借助于格子气自动机方法在多相流体、多组分、复杂结构多孔介质模拟等方面的巨大优势,直接针对孔隙度、含油饱和度和骨架组分,建立准确的计算公式.按照这个方法,测井响应将直接作为孔隙度、含油饱和度、电导率、弹性参数的函数,从而沟通岩石物理实验和实际野外地球物理测量(包括测井)结果,建立具有明确物理意义的定量计算公式.格子

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气自动机可以通过任意地调节介质模型的微观结构、流体饱和度、流体饱和分布状态以获得各个参数的物理意义,并且可以在全饱和度和孔隙度(即饱和度和孔隙度的变化范围可以从0%—100%)范围内研究电阻率变化与孔隙度、饱和度大小的关系.另外,从计算的角度来看,格子气自动机最本质的特征是它的纯布尔运动和完全并行性,因此它又是一类求解数值问题的非数值大规模并行算法.这样,格子气自动机方法不仅克服了传统数值方法中的主要矛盾———方法的稳定性和数值舍入误差,而且对各种常见边界问题的处理十分灵活方便.

1　格子气自动机对孔隙介质导电特性及流体饱和度的研究

在储集层含油性评价的测井资料综合定量解释中,阿尔奇公式作为最基本的解释关系式具有举足轻重的地位,它是测井解释定量计算含油饱和度的基础,是连接孔隙度测井和电阻率测井两大类测井方法的必要桥梁(雍世和[24],1996).然而,由于阿尔奇公式中出现的关键参数———胶结指数(m)、饱和度指数(n)、以及与岩性有关的常数(a、b),物理意义并不明确,常常难以准确测定,所以至今人们仍在为m、n、a和b这四个参数的真实物理意义和阿尔奇公式的普适性争论不休.许多学者(Sen et al,1981; Wong et al,1984;Schwartz et al,1989)指出m是孔隙结构的反映,n是饱和流体分布状态的反映.而Herrik和Kennedy(1994)指出,Archie公式的参数没有实际的物理意义,只是曲线拟合的参数,因此他认为运用导电效率的概念更符合实际.在实际应用中,通常需要根据具体地区的地质特征(含泥质的多少以及裂缝发育程度等),用实验统计的方法得到适合该地区的经验阿尔奇参数值.显然,这需要大量的岩芯实验,既耗费人力和物力,又耗费时间与资金,而且在实验中发现了大量的非阿尔奇现象,即在双对数坐标系地层因素与孔隙度(F-<)、电阻率增大系数与含水饱和度(I-S w)之间的关系并不是阿尔奇公式所描述的线性关系.在含水饱和度较大时,线性关系很好,但是随着含水饱和度的减小,I-S w关系逐渐向饱和度轴靠近.Jing[19](1993)对这种现象进行了深入的研究发现饱和度指数n并不像阿尔奇所认为的那样对同一块岩芯是定值,而是饱和度本身的函数,并给出了一个新的公式,但是我们的大量研究发现Jing给出的公式适用范围确实比阿尔奇公式广,但是当含水饱和度进一步变化时,随着含水饱和度的减小其公式所预测的电阻率开始减小,这是与实际情况不符的,并且,阿尔奇公式的F-<关系只在中高孔隙度范围内适用,当孔隙度小于10%时,非阿尔奇现象明显,这样如果利用阿尔奇公式计算地层含水饱和度,那么在孔隙度较小、含水饱和度较小时,误差比较大.因此,对阿尔奇公式各项参数,以及F-φ、I-S w关系的本质,需要进行进一步的研究.

岩心实验是宏观实验,实验过程中岩心的微观孔隙结构、组份及流体分布状态不可直接观察和定量计算,因此无法准确得考察m、n、a和b参数的影响因素,也就是说无法通过岩心实验来准确的研究这些参数的物理意义.并且由于现实条件的限制,岩心实验无法考察全饱和度和全孔隙度(即从0%—100%范围)范围内的F-<、I-S w关系.由于宏观岩电实验无法观测孔隙微观结构和流体、电子的流动,许多人尝试用数值模拟孔隙微观结构的方法来解释阿尔奇公式参数的物理意义,寻找定量解释的方法.斯坦福大学的Yale(1984)[20]曾利用一个三维孔隙网络模型来模拟储层岩石的流通特性.陶果(1992)[21]应用这个模型来模拟和解释饱和流体岩石在弹性波传播和电导率同时测量情况下的实验室测量结果.Man[22]和Jing[22](2001)进一步发展了Yale的模型以计算多相流体饱和孔隙介质的电传输特性.然而,这些模型与实际岩石中孔隙结构和流体分布相差太大,理论计算难以适应极其复杂的实际岩石孔隙结构,计算结果有很大的局限性,常常得不到令人满意的结果.

本项研究从格子气方法的建立入手,探索一种全新的获取含油饱和度和储集层物性参数的理论和方法.首先最重要的就是建立孔隙介质模型.传统的数值模拟孔隙微观结构的方法之所以有局限性,其重要的原因之一就是建立的孔隙介质模型过于理想化和简单化.我们所采用的孔隙介质建模方法是模拟自然界沉积岩的形成过程:不同形状、不同粒径的骨架颗粒,经堆积压实成型.这样做将使我们所建立的孔隙介质模型的孔隙结构最大程度的与实际的岩石相同.其次,在建立的孔隙介质模型的基础上,利用格子气自动机模拟电的传输特性,在这个过程中可以通过调节微观孔隙结构和流体的分布状态来研究m、n、a和b参数的物理意义.

1.1　孔隙介质模型

饱和流体的多孔介质有骨架和充满流体的孔隙空间组成,若孔隙空间中充满了油水两相流体,则孔

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隙介质模型由骨架、水和油三相组成.根据需要,骨架可以采用任意点状随机分布、三角形随机分布、菱

形随机分布、矩形分布等等,模拟自然界沉积岩的形成过程,不同形状、不同粒径的骨架颗粒经堆积压实成型.按照不同的孔隙度和饱和度,不同的孔隙结构和饱和流体的分布构建任意复杂的,孔隙度可从0

到100%变化的孔隙介质模型,使我们所建立的孔隙介质模型的孔隙结构在最大程度上与实际岩石接近.图1是构建的一个多孔介质模型[4].骨架的复杂程度能够反映孔隙空间结构的复杂程度,这样就可以利用格子气的演化考察复杂孔隙结构对多孔介质导电特性及流体分布的影响

.

图1　多孔介质模型示意图

Fig.1　Sketch map of porous medium model

图(a )为多孔介质模型;图(b )为图(a )中方框部分的放大图(b )中黑色代表油相,

灰色代表骨架,白色代表水相,圆点代表空间离散的节点

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1.2　数值实验

电流在多孔介质中的传输特性宏观上体现为介质电阻率的大小,骨架和油对应于高电阻率相,孔隙中的水电阻率低,为导电相.代表骨架的节点在建立介质模型时就被选中,且在整个数值实验过程中位置固定保持不变,这种生成骨架点的方式以及随意分配孔隙介质各相比例构成介质模型的方法可以模拟电流在任意不规则孔隙几何形状中的流动特性.根据达西定律与欧姆定律的类比分析,多孔介质中每相的电阻率可以用该相的粘度代替,这样就可以把电流在多孔介质中的传输问题转化为流体在多孔介质中的流动问题,可以利用研究流体问题所得的结果来解决电的传输问题[2,4,14].由于骨架、流体等的导电特性都被定义在节点上,那么多孔介质的孔隙度就应为孔隙中流体所占节点数与总节点数的百分比,含水饱和度应为水所占的节点数与总流体所占节点数的百分比,含油饱和度应为油所占的节点数与总流体所占节点数的百分比.

在格子气自动机方法(L GA)中,每相的电传输特性仅仅取决于该相所在空间节点粒子的碰撞规则[2,4],因此分别对孔隙介质模型中的油、水和骨架相对应的空间节点采用不同的碰撞规则,经过足够长的演化时间,达到稳态时,再做时间和空间的统计平均,可得到多孔介质的宏观物理量,如电阻率、孔隙度和饱和度等.

Küntz et al.[2]构建了含有骨架和水两相的多孔介质模型,用二维格子气自动机计算了完全饱和水的多孔介质的电导率,研究了地层因素F和孔隙度<的关系,说明了由实验得到的阿尔奇公式有一定的物理意义.岳文正[4]在Kuntz et al.研究成果的基础上,构建了含有骨架、油和水三相的多孔介质模型.用二维格子气自动机方法不仅给出了地层因素F和孔隙度<的关系,而且由模拟结果给出了电阻率增大系数I(I=σoσt,σt为饱和油、水两相时多孔岩石的电导率,σo为完全饱和水时岩石的电导率)与含水饱和度S w的关系.通过调节微观孔隙结构、流体的分布状态及饱和度,研究了阿尔奇公式中各参数m、n、a、b的物理意义,并进一步考察了泥质以及各向异性等对阿尔奇关系的影响[4].

数值实验结果给出了孔隙度从0到100%变化时,地层因素F与孔隙度<的关系.对于实验室经常测量的油田岩石孔隙度在10%到30%范围内,数值实验结果表明F与<在双对数坐标系下为线性关系,符合阿尔奇公式F=a<-m的幂函数关系;但在岩石物理实验比较困难的低孔隙度(孔隙度小于

10%)的范围内,数值实验结果表明F与<不再符合阿尔奇公式的关系表达式,这说明F=a<-m关系

式仅在一定的孔隙度范围内成立.

比较多孔岩石数值实验给出的电阻率增大系数

I与含水饱和度S w的关系与在实验室测得的油田实际岩心样品I的S w与的关系,可发现I与S w有相同的依赖关系,且阿尔奇公式中I=bS-n w关系仅在一定的饱和度范围内成立,当S w小于某一数值时(该值的大小受岩心孔隙度、泥质含量、孔隙结构等因素影响[4]),I与S w关系在双对数坐标系下呈现非线性,这与实验室所做的大量岩心实验结果是一致的[15,16].

从前面的研究结果以及结合前人的岩心实验结果都显示电阻率增大系数I和含水饱和度S w之间的关系并不是Archie公式所描述的在双对数坐标系内的直线关系,孔隙介质及其所含流体的网状结构以及因而产生的混合导电模式决定这个关系是非线性的.随着含水饱和度的减小,I-S w关系向含水饱和度轴靠近,这表明Archie指数n将不再是一个定值,它本身是与含水饱和度S w有关的,也就是说指数n是S w的函数.但是,当孔隙介质的孔隙度不太小(大于10%)并且含水饱和度不太低(大于15%)时,I-S w关系在双对数坐标系可以近似成线性关系.

根据模拟结果,可以发现饱和度指数n在很多情况下不是常数,它是含水饱和度、孔隙度以及孔隙结构等参数的函数.根据这些结果我们可以推导出新的I-S w关系

I=R t

R o

=S-bS

n

w,(1)

其中,<为孔隙度(小数);b、n是与孔隙结构相关的参数.

求解式(1),得到饱和度计算公式

S w=e W(f(<))

<

n,(2)其中

f(<)=-n

b<

ln I,

W(?)为lambert W函数(关于lambert W函数参见陶果和刘国强[26](2002)).

利用得到的饱和度计算公式,我们对两个模型进行计算,这两个模型的孔隙度分别为30%和10%,都是利用随机点状骨架产生的孔隙介质模型.在利用公式进行计算时,公式的参数(b=1.5,n=

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0.2)都是固定不变的,变化的只有孔隙度.公式计算结果与实际模拟测量的结果吻合的十分好.这表明了计算公式的有效性.

2　泥质含量及其分布形式对F-<、I-S w 关系的影响

泥质含量及其分布形式对地层因素F与孔隙度<的关系以及电阻率增大系数I和含水饱和度S w关系有重要影响.

我国地球物理测井的开拓者王曰才教授在国内最先开展并领导了对泥岩附加导电特性及其在解释含水饱和度S w中的应用研究[27].但是,由于岩心实验是宏观实验,实验过程中岩心的微观孔隙结构、组份等不可直接观察和定量计算,因此无法准确地考察这些因素对F-<、I-S w关系的影响.也就是说,无法通过控制泥质的分布形式来研究它的影响.

应用格子气自动机方法,可以不从传统的岩石物理体积并联导电模型出发,而是从组成孔隙介质的各种导电组份完全混合导电的模型出发(这是格子气自动机方法的根本特性),来研究泥质含量及其分布形式对Archie公式各项参数的影响,这种方法具有很大的灵活性,是一种有力的工具.

泥质的分布形式主要有分散泥质、结构泥质和层状泥质.按照它们的定义,分别采取在建立的孔隙介质模型的孔隙空间充填分散的泥质颗粒、用泥质颗粒代替孔隙介质的骨架、使泥质呈层状分布等方法来研究泥质的不同分布形式对F-<、I-S w关系的影响.

模拟结果显示对于只含有分散泥质的模型,随着泥质含量的增加,F-<关系逐渐向孔隙度轴靠近,也就是说m值减小,而I-S w关系逐渐向含水饱和度轴靠近,即n值减小,并且当泥值含量达到12%以上时,在双对数坐标系F-<、I-S w关系表现为明显的非直线关系,即出现非A rchie现象.而当孔隙介质仅含有结构泥质时,随着泥质含量的增加,m、n值也逐渐减小,但是在双对数坐标系F-<、I-S w间的直线关系并不发生改变,不出现非Ar2 chie现象.当孔隙介质仅含层状泥质时,随着泥值含量的增加,m、n值减小,并且泥值含量达到4%时,就出现了非常明显的非Archie现象.

一般情况下,泥值含量的增加将导致m、n值减小,当含有分散和层状泥质时这种减小的趋势更明显.

研究还发现除了结构泥质外,点状泥质和层状泥质的存在都会在一定程度上导致非Archie现象的产生.总的来说,层状泥质对非Archie现象的影响要大于点状泥质.对于自然界中含有泥质的孔隙介质来说,其组份中的泥质分布形式很少是单一的,一般由多种分布形式组合而成.由此可以得出,自然界的孔隙介质大多随着泥质含量的增加,其F-<关系会表现出一定程度的非Archie现象(其程度取决于哪种泥质分布形式占主要地位).这个结论与众多学者的岩心实验结果相吻合.

此外,研究结果表明,对于各种分布形式的泥质,泥质含量的增加都将使a增加,而b基本不变,也就是说,a受泥质含量的影响,而b与泥值含量无关.并且a和m之间存在明显的关系:当a减小时, m值增大;而当m减小时,a值就增大.

3　电阻率各向异性地层的流体饱和度计算方法

孔隙介质电阻率的各向异性反映了介质不同方向电传输特性的差异,是实际地层中普遍存在的现象.在大斜度井和水平井测井中,电阻率各向异性的测量和解释尤其具有重要意义.现代新型的三分量感应测井仪可以在电阻率各向异性地层的不同方向上测得不同电阻率值,如果利用传统Archie公式将在同一地层得到不同的饱和度.而饱和度是一个标量,在同一个采样点应当只有一个值.

为了研究各向异性地层饱和度的计算方法,并且考虑到数值方法的灵活性与可靠性,本文采用格子气自动机方法来模拟饱和多相流体电阻率各向异性孔隙介质的导电特性,即采用数值的方法模拟电阻率各向异性介质的Archie实验过程.研究表明采用骨架颗粒随机分布的方法无法产生具有电阻率各向异性孔隙介质,而采用矩形骨架定向排列的方法可以产生具有各向异性的孔隙介质.

模拟结果显示孔隙介质的各向异性通常导致不同方向上Archie公式参数a、b、m、n不同,计算出来的饱和度大小不同.为了解决这个问题,本文提出适用于电阻率各向异性地层的地层因素F和孔隙度<、电阻率增大系数I和含水饱和度S w的关系(以二维各向异性为例),暂称为综合各向异性Archie公式 F=R ox R oy/R2w=a/

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液时x方向的地层电阻率;R ty为孔隙介质饱和油水混合液时y方向的地层电阻率;a、m、b、n为参数.从而得到相应的饱和度计算公式

　S w=n abR2w/R tx R ty

a=a x a yα,

b=b x b yβ,

m=χx m x+χy m y,

n=o x n x+o y n y,

α、β、χ和ο都是与各向异性有关的参数.在各向同性地层,该饱和度计算公式可以退化到传统的Ar2 chie计算饱和度公式.

为了检验新饱和度计算公式的可靠性,构造了一个具有11个层位的二维电阻率各向异性地层模型(各向异性方向定为x和y方向),利用格子气自动机可以分别获得其x和y方向的Archie公式,计算时,对x方向的电阻率资料利用x方向的Archie 公式,对y方向的电阻率利用y方向的Archie公式,同时利用x、y方向电阻率采用综合各向异性Archie公式进行计算.计算结果表明,在各向异性地层传统的Archie公式是不适用的,计算所得的饱和度是不准确的,而采用综合各向异性Archie公式首先可以解决饱和度标量的不统一问题,利用该公式计算所得的饱和度结果比较准确.

4　结论与展望

格子气自动机、格子Boltzmann方法作为现代物理科学和计算机技术的产物,从微观角度出发,以空间和时间完全离散的方式解决传统数值模拟方法难以处理的非线性、不规则几何边界等复杂微观结构的特殊问题.它既可以描述复杂问题的宏观特征,又能得出其微观细节.在此领域内,它具有其它方法无法相比的独特优点.本项研究从格子气方法的模型建立入手,探索一种全新的获取含油饱和度和储集层物性参数的理论和方法.我们开发的模拟多孔岩石导电特性的数值实验新方法,提供了一种可深入到从微观孔隙结构这个尺度上来考察具有复杂孔隙结构的,孔隙度小于10%的低孔、低渗岩石的宏观导电特性及其影响因素.我们的研究表明Archie公式参数m并不是孔隙结构复杂程度的反映,因为复杂的孔隙结构其m值并不一定比比较简单的孔隙结构更大.最后,研究各种不同条件下F-φ、I-S

w关系,结果显示非阿尔奇现象与孔隙介质中孔隙、骨架和流体的混合导电网络有关.本文的研究得出新的饱和度计算公式,经与岩心实验对比证明新公式对地层含水饱和度的计算更加准确.本文还研究了泥质含量、分布和电阻率各向异性对宏观导电特性的影响.提出适用于电阻率各向异性地层的地层因素F和孔隙度<、电阻率增大系数I和含水饱和度S w的关系.

目前的研究成果是基于二维孔隙介质模型,与实际岩心有一定差距,需要进一步发展三维孔隙介质模型.为此,首先根据非均质复杂油藏的孔隙结构特征建立孔隙介质模型.传统的测井解释模型都是体积加权的线性模型,不能适应非均质复杂油气藏的测井解释需要,利用微观机制明确的数值模拟可以建立非均质油气藏的精确测井解释模型和理论.与传统的数值模拟采用的理想和简单孔隙介质模型不同,我们将采用实际岩心的SEM、CT或磁共振成像来建立格子气自动机孔隙介质模型,从而使得数摸的孔隙结构最大程度地与实际岩心的结构相同.然后,利用格子气自动机研究电磁场、声场、核物理场及核磁共振场与孔隙结构、孔隙表面性质及孔隙中油水分布状态等的关系.

2001年,Schlumberger Doll研究中心应用格子Boltzmann方法研究孔隙介质中多相流的渗流和驱替问题,研究出更好的表面活性剂[28].1999年,刘劲松和许云改进了PL S模型[27],提出了一种新的用于地震波场模拟的变网格声格固体模型(PL SVL),新模型在同种网格内部的传输过程中不存在误差.在核磁共振场的模拟方面,2002年,美国麻省理工学院的Pravia[29]证明基于格子气自动机理论发展起来的量子格子气自动机(QL GA)可以用来求解扩散方程、薛定谔方程以及狄拉克方程等.他利用QL2 GA来模拟介质中粒子的进动,建立了离散格子中的节点位置与自旋粒子之间的对应关系,然后在节点上施加磁场梯度以及射频脉冲,这样就可以对格子的量子信息进行编码和处理,可用整个格子系统的演化来模拟核磁共振场.他利用这种方法对氯仿的核磁共振进行模拟并与实验测量的结果作对比,获得了理想的结果.我们将应用这种方法研究T2谱的微观影响因素,明确T2分布与孔隙结构、含油饱和度以及渗透率的关系.格子Boltzmann计算方法应用于非均质复杂油气藏与各物理场关系研究是一项有广阔应用前景的开创性研究工作,对于建立具有我国地质特点的测井方法和解释模型具有重要

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的意义.

参　考　文　献(References):

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