利用 X 射线层析在地下条件下获得的三维图像, 提出了一种不透明多孔介质 (油气藏岩) 复杂润湿条件的表征方法。
目前, 烃类储层岩石原位润湿性测量仅有可能。这项工作的目的是提出一个协议, 以描述在地下条件下使用孔径三维 x 射线成像来表征油气藏岩的复杂润湿条件。在这项工作中, 采用了从一个非常大的采油油田提取的异质碳酸盐岩储层, 以证明该方案。岩石饱和盐水和石油, 在地下条件下老化超过三周, 以复制烃类储层中通常存在的润湿性条件 (称为混合润湿性)。盐水注入后, 采集并处理和分割高分辨率的三维图像 (2 µm/体素)。要计算接触角的分布, 定义润湿性, 执行以下步骤。首先, 流体流体和流体-岩石表面是网状的。表面经过平滑处理以去除体素文物,在整个图像中, 在三相接触线上测量原位接触角。该方法的主要优点是能够表征岩石表面粗糙度、岩石化学成分和孔隙大小等孔隙尺度岩石性质的原位润湿性核算。原位润湿性是快速确定在成千上万点。
该方法受分割精度和 X 射线图像分辨率的限制。该协议可用于表征不同流体饱和的其他复杂岩石的润湿性和不同条件下的各种应用。例如, 它可以帮助确定可产生额外采收率的最佳润湿性 (即相应地设计盐水盐度以获得更高的采收率), 并找到最有效的润湿条件来捕获更多 CO2在地下地层中。
润湿性 (固体表面不相容流体之间的接触角) 是控制储层岩石的流体配置和采油的关键特性之一。润湿性影响宏观流动特性, 包括相对渗透率和毛细管压力1、2、3、4、5、6。然而, 测量储层岩石原位润湿性仍然是一个挑战。储层岩石润湿性是传统上的核心尺度, 间接使用润湿指数7、8和直接原位在平坦矿物表面上4,9,10,11. 润湿指数和原位接触角测量都是有限的, 不能表征烃类油藏中通常存在的混合润湿性 (或接触角范围)。此外, 它们不考虑孔隙尺度岩石的性质, 如岩石矿物学、表面粗糙度、孔隙几何和空间异质性, 这些都直接影响到孔隙尺度上的流体排列。
使用 X 射线层析12的非侵入性三维成像的最新进展, 结合使用的高温和压力装置13, 允许在渗透介质中的多相流的研究14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23。该技术促进了在地下条件下, 在不透明多孔介质 (采石场石灰石岩) 的孔隙尺度上手动进行原位接触角测量的发展24。用300点的原始图像手工获得了 CO2与碘化钾 (淇) 盐水之间的45°±的平均接触角值。然而, 手动方法是耗时的 (即, 100 个接触角点可能需要数天的时间来测量) 和获得的值可能有主观偏见。
通过应用于分段三维 x 射线图像25、26、27的不同方法, 自动测量了原位接触角。Scanziani等。25通过在流体-流体界面上放置一个圆, 并在正交于三相接触线的片上的流体-岩石界面上放置一条线, 改进了手动方法。该方法已应用于癸烷和淇盐水饱和的采石场石灰石岩石三维图像中提取的小体积。Klise等。26开发了一种通过将平面与流体-流体界面和流体-岩石界面连接起来自动量化原位接触角的方法。在这些平面之间确定了接触角。该方法应用于含煤油和盐水的微珠三维图像。这两种自动化方法都适用于可能引入误差的体素化图像, 在这两种方法中, 线或平面都安装在流体流体和流体-岩石界面上, 并在它们之间测量接触角。将这两种方法应用于复杂岩石几何的体素化分割图像, 可能会导致误差, 同时也会耗费大量时间。
在本协议中, 我们应用了 AlRatrout等开发的自动原位接触角法。27通过对流体流体和流体-固体接口应用高斯平滑去除体素化文物。然后, 均匀曲率平滑仅适用于流体流体界面, 与毛细管平衡一致。成千上万的接触角点与它们的x、 y和z坐标一起快速测量。AlRatrout等的方法。27已应用于水湿和混合湿采石场石灰石样品饱和癸烷和淇盐水。
在本协议中, 我们采用了 X 射线层析与高压高温装置相结合的最新进展, 对复杂碳酸盐岩储层岩石进行原位润湿性表征, 从非常大的位于中东的油田生产。岩石在地下条件下饱和原油, 在发现时重现储层条件。据推测, 储层岩石表面 (与原油直接接触) 的部分变成油湿的, 而其他 (填充最初形成盐水) 保持水湿28,29,30。但由于控制润湿性变化程度的几个因素, 包括表面粗糙度、岩石化学异质性、原油组成、卤水组成和饱和度, 以及温度和压力。最近的一项研究31表明, 在储层中通常有一个接触角范围, 具有高于和低于90°的值, 使用 AlRatrout等开发的自动化方法进行测量。27。
这项工作的主要目的是提供一个彻底的协议, 以表征在地下条件下储层岩石 (混合润湿性) 的原位润湿。精确测量原位接触角需要良好的分割质量。因此, 基于机器学习的分割方法被称为可训练 WEKA 分割 (TWS)32被用来捕获不仅剩余的油量, 还有剩余油节的形状, 从而促进更准确的接触角测量。最近, TWS 已被用于各种应用, 如填料颗粒床的分割、纺织纤维内的液体和致密油藏的孔隙33、34、35、36、 37,38,39,40。为了在高分辨率和地下条件下准确地成像剩余油, 采用了一种新型实验装置 (图 1和图 2)。微型样品的岩石被加载到中心的哈塞拉罗马型芯架41由碳纤维制成。使用长而小直径的碳纤维套管, 可以使 x 射线源与样品非常接近, 从而增加 x 射线通量并减少所需的曝光时间, 从而在较短的时间内获得更好的图像质量。碳纤维套管的坚固程度足以处理高压和温度条件, 同时还能保持足够透明的 X 射线21。
在本研究中, 我们概述了在地下条件下储层岩石原位润湿性特征的步骤。这包括钻具代表性的微型样品, 核心支架总成, 流量设备和流程, 成像协议, 图像处理和分割, 最后运行自动接触角代码产生接触角分布。
在高压和高温下进行原位润湿性表征的最关键步骤如下。1) 生成良好的图像分割, 这对于获得精确的接触角测量至关重要。2) 避免在微型样品中包括大的不透水颗粒, 可以封堵流动, 大溶洞导致一个非常脆弱的样品, 具有非代表性孔隙度。3) 由于微型样品对注入液体的用量非常敏感 (即一个孔隙体积约为 0.1 mL), 因此, 无泄漏的良好控制流实验非常重要。4) 在孔隙空间中避免空气 (第四相) 的存在。5) 在整个流动实验过程中保持样品的温度控制。6) 通过等待系统达到平衡, 避免扫描采集过程中的任何界面松弛。7) 使用适当的中心移位校正, 这对于有效的 X 射线图像重建是必要的。
自动接触角法受图像分割精度的限制, 因为它仅适用于分割图像。图像分割很大程度上取决于成像协议和层析扫描仪的性能。此外, 它对图像重建和降噪滤波器, 以及 TWS32或种子分水岭法57等分割方法都很敏感。在这项工作中, TWS 方法在原始 x 射线图像上提供了更精确的接触角测量, 与应用于过滤 X 射线图像的分水岭方法相比 (使用降噪滤波器)。使用降噪滤波器使界面在岩石的某些部位看起来更少油湿, 原因是体素平均尤其接近三相接触线31。TWS 不仅可以捕捉剩余油饱和度, 还能捕获剩余油节的形状。这尤其适用于混合湿箱中的剩余油, 在这种情况下, 油在孔隙空间中被保留为薄板状结构, 这是仅基于灰度阈值进行分段的挑战。
与其他常规润湿性测量方法相比, 该原位润湿性测定提供了对储层岩石润湿条件的透彻描述。它考虑了所有重要的孔隙尺度岩石参数, 如岩石表面粗糙度, 岩石化学成分, 孔隙大小和几何形状, 这是不可能的润湿指数7,8和前原位接触角度方法4,9,10,11。在微米尺度上使用自动原位接触角度测量是稳健的, 并消除了与手动方法24相关的任何主观性。此外, 与其他自动化方法25,26相比, 它更有效地去除体素化文物。采用自动方法测量的原位接触角分布相对较快。例如, 使用单个 2.2 GHz CPU 处理器, 用于测量包含5亿9500万体素的三个样本图像中任何一个接触角的运行时大约为 2 h。
在未来, 该协议可用于表征与地层卤水和原油饱和的其他储层岩石系统。同样的方法不仅限于石油工业, 而且可以进行修改和调整, 以表征具有不同润湿条件的多孔介质中具有两个不相容流体的任何分段三维图像的润湿性。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢阿布扎比国家石油公司 (ADNOC) 和 ADNOC (以前被称为阿布扎比公司陆上石油运营有限公司) 为这项工作提供资金。
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