高温干热岩(HDR)储层的声学特性研究对于地热资源勘探具有指导意义,然而在实际地热勘探中,高温导致井下测量仪器无法承受260℃以上的高温,钻井取心后在实验室条件下也无法有效地定量分析高温下干热岩岩石物理特性,且实验高温加热极易对珍贵的岩心造成热破坏。近年来迅速发展的数字岩石物理(DRP)技术可以无损建模并可视化岩心内部微观结构,通过建立的数字岩石模型可快速经济地模拟在高温条件下的声学特性等岩石物理参数。DRP基本流程是通过高分辨扫描实验或者数值方法进行三维数字岩石重建,再基于三维数字岩石模型对各种物理属性进行数值模拟,最后对声学特性等参数进行微观响应机理分析。
针对上述科学问题,我校地球物理与信息技术学院王思宇博士、谭茂金教授及其合作者采用数字岩石物理技术孔隙尺度模拟方法,构建多尺度多组分三维数字岩石,并详细研究不同温度下声学特性的变化规律。研究取得的新认识如下:
1)基于X-ray CT的三维重构技术、QEMSCAN的矿物组分标定、MAPS的高精度孔隙提取,提出一种多尺度多组分数字岩石建构方法,在一定程度上有效解决了扫描分辨率与样本量之间的矛盾,为HDR声学性质的数值模拟奠定了高质量模型基础,如图1。
2)推导了岩石矿物弹性模量与温度的理论关系式,并模拟了整个数字岩心高温下的声学特性。模拟结果表明,体积模量、剪切模量、泊松比、杨氏模量和声波速度随温度升高而减小,250 °C后显著减小,如图2。本研究是第一次使用DRP进行高温声学特性模拟。因此,该数值模拟方法可为研究HDR储集层岩石物理性质和地热评价的微观理论支持提供新思路。
3)HDR的热开裂行为通过模拟热开裂行为和数值模拟来表示,如图3,确认热开裂导致了声学特性的急剧降低,如图4。热开裂声学性质的变化趋势还需要进一步的研究,充分研究裂缝网络的膨胀机理,以更好地了解HDR储集层的岩石物理性质。
该研究通过多分辨扫描图像融合方法克服了数字岩石物理技术中扫描视域与扫描分辨率矛盾的难题,并构建了高精度的多尺度多组分数字岩石。这项高温下干热岩声学特性的孔隙尺度数值模拟阐明了干热岩热开裂后弹性模量和纵横波快速下降的微观机理,有效地解决了储层非均质性引起的岩石物理性质差异的问题,拓展了数字岩石技术在储层岩石物理特性分析中应用,为干热岩测井解释及地热资源压裂开发提供了微观理论支撑。
图1 多尺度多组分三维数字岩石构建
图2 干热岩在不同温度下的声学特性的数值模拟结果,包括(a)体积模量,(b)剪切模量,(c)泊松比,(d)杨氏模量,(e)P波速度和(f)S波速度
图3 热开裂裂缝扩展过程
图4 热开裂裂缝性模型声学特性数值模拟结果,包括(a)刚度模量,(b)垂直纵横波速度,和(c)纵横波各向异性参数。
上述研究成果发表在石油工程国际权威刊物《SPE Journal》上:Wang, Siyu, Tan, Maojin, Wu, Haiyan, Li, Yongjie, Xie, Guanbao, and Lingtan Zhang. A Digital Rock Physics-Based Multiscale Multicomponent Model Construction of Hot-Dry Rocks and Microscopic Analysis of Acoustic Properties under High-Temperature Conditions. SPE Journal. 2022. [IF2021=3.602]
全文链接:https://doi.org/10.2118/209785-PA.