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孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法_王川

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孔隙 尺度 动态 剩余 渗流 特征 研究 方法 王川
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2016年10月第35卷第5期大庆石油地质与开发PetroleumGeologyandOilfieldDevelopmentinDaqingOct.,2016Vol.35No.5收稿日期:2015-12-14改回日期:2016-04-15基金项目:国家重点技术研究发展计划(973)项目“中国南方海相页岩气高效开发基础研究”(2013CB228005)。作者简介:王川,男,1984年生,在读博士,从事油藏工程方面的研究。E-mail:iamwc3@163.comDOI:10.3969/J.ISSN.1000-3754.2016.05.014孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法王川1,2姜汉桥1糜利栋1李俊健1赵玉云1刘传斌1(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京102249;2.中石化胜利油田勘探开发研究院,山东东营257015)摘要:动态剩余油是区别于静态剩余油,为产量提供主要贡献的一类剩余油。孔隙尺度下动态剩余油渗流特征的研究不仅可以从微观上解释剩余油流动机理,而且为提高油藏剩余油动用程度和采收率提供理论指导。对照静态剩余油,提出了动态剩余油的定义方法,并建立了一套利用微观玻璃刻蚀模型实验和计算机图像识别处理技术识别孔隙尺度下动态剩余油及其渗流特征的研究方法。该方法和人工识别结果对比误差小于5%,并且大大提高了识别速度,为研究和认识孔隙尺度下动态剩余油渗流特征奠定了基础。关键词:孔隙尺度;动态剩余油;玻璃刻蚀模型;图像识别中图分类号:TE343文献标识码:A文章编号:1000-3754(2016)05-0074-05RESEARCHINGMETHODSOFTHEFLOWCHARACTERISTICSOFTHEDYNAMICREMAINEDOILSBYTHEPORESIZESWANGChuan1,2,JIANGHanqiao1,MILidong1,LIJunjian1,ZHAOYuyun1,LIUChuanbin1(1.MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.SinopecShengliOilfieldExplorationandDevelopmentInstitute,Dongying257015,China)Abstract:Dynamicremainedoil,whichisdifferentfromthestaticremainedoil,isthemaincontributoroftheoilproduction.Thestudyonthedynamicremainedoilpercolationcharacteristicsbytheporescalesnotonlyexplainthemicroflowmechanisms,butprovidethetheoreticalguideforenhancingthedevelopeddegreeandrecoveryoftheremainedoil.Comparingwiththestaticremainedoil,thedefiningmethodofthedynamicremainedoilwaspresented,andmoreoverasetofresearchingmethodswereestablishedforrecognizingthedynamicremainedoilsandtheirflowcharacteristicsbytheporescaleswiththehelpofthemicroscopicglass-etchedmodelexperimentandcomputerimageprocessing&recognizingtechniques.Thedifferencebetweenthismethodandtheartificialrec-ognizedresultislessthan5%,andfurthermoretheformercangreatlyenhancetherecognizedspeed,thusthebase-mentislaidforstudyingandrecognizingtheseepagecharacteristicsofthedynamicremainedoilbytheporescales.Keywords:poresize;dynamicremainedoil;glassetchedmodel;imagerecognition剩余油流动特征的研究对于认识剩余油流动机理、明确不同类型剩余油对产量的贡献比例以及提高采收率具有重要指导作用[1-2],特别是老油田实现经济高效开发的基础。目前,国内外学者围绕静态剩余油的赋存状态、类型、流动特征等进行了大量的研究[3],但实际上对产量具有直接贡献作用的是动态剩余油(动态剩余油:即发生流动的剩余油)。特别是孔隙尺度下动态剩余油的类型、流动形态、流动特征的研究对于认识微观剩余油流动机理、优化挖潜措施,提高采收率具有重要意义[4-5]。而在研究动态剩余油时,需要处理不同时刻每一帧静态剩余油的图像,传统的通过工作人员手动识别标记工作量极大,标准不统一,完成难度极大。本文充分利用现代计算机快速图像处理技术和微观玻璃刻蚀模型实验建立了一套适用于孔隙尺度下动态剩余油识别及研究其流动特征的方法,很大程度上提高了工作效率,节约了实验成本,为研究和认识孔隙尺度下动态剩余油渗流特征奠定了基础。1物理实验可视化玻璃刻蚀模型实验是实验室研究微观渗流的重要实验手段[6-9]。根据研究岩心切片孔喉结构特点,设计制作不同孔喉半径、孔喉比、配位数、形状因子等特征参数的概念模型或实际模型,利用玻璃刻蚀技术制作微观玻璃刻蚀模型。根据研究目的的不同,利用微观驱替系统完成不同孔隙结构(均质、非均质等),不同驱替条件(驱替压力、速度等)条件下不同驱替实验(水驱油,聚合物驱油等),并记录整个驱替过程。2动态剩余油计算机辅助识别虽然实验人员可以利用自身的工作经验及认识,按照研究本身的需求对微观玻璃刻蚀模型剩余油进行手动分类标记,但是这种传统的处理方法一方面很难实现图像的批量处理(剩余油的动态变化),另一方面由于观察者经验及识别精度的局限性使得研究结果差别很大。而计算机的优势就是不仅可以按照研究的需求设定特定参数快速完成重复的工作(视频中每一帧图像的批量处理),并且可以得到统一的处理结果。为了实现动态剩余油的快速分类识别及渗流特征的研究,首先需要对剩余油进行提取分割,然后按照不同类型剩余油特征参数进行分类,最终达到动态剩余油渗流特征的研究。2.1剩余油特征参数表征选取形状因子、圆形度、凹度、长宽比、欧拉数、接触比以及所占孔喉个数等图像特征参数,用于图形特征的提取与描述(表1)。特征参数的引入,一方面便于用户操作,得到统一的识别结果,另一方面更有利于计算机程序的实现以及图像批量处理(每一帧)。表1模型孔喉特征参数Table1Characteristicparametersoftheporeandthroatfordifferentmodels特征参数特征描述计算方法形状因子形状因子越小,剩余油形状越不规则单块剩余油的面积(单块剩余油的面周长)2圆形度和形状因子差一个常数,圆形度越小,剩余油形状越不规则;反之,越接近圆形4π×单块剩余油的面积(单块剩余油的周长)2凹度凹度越大,剩余油形状越不规则,弯曲厉害单块剩余油的周长包含该剩余油的最小凸多边形的周长长宽比长宽比越小,剩余油形状越接近滴状包含该剩余油的最小矩形的长包含该剩余油的最小矩形的宽欧拉数欧拉数越小,剩余油孔洞越多欧拉数=1(单块剩余油连通数)-孔洞数接触比反映单块剩余油与孔壁的相互接触关系;接触面积比越小,剩余油附着在孔隙表面的比例越小剩余油与孔隙的接触长度剩余油的周长孔喉数孔喉数越多,连续性越强剩余油所占孔的个数+喉的个数·57·第35卷第5期王川等:孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法2.2剩余油分块提取一般情况下,对剩余油进行分类时,每一块儿剩余油的形状(表1中给出的特征参数),油-驱替液-岩石之间的接触关系以及占据孔喉的个数等都是主要的研究参数。2.2.1剩余油提取分割(1)油-驱替液-岩石分离:每一张图像中剩余油的提取需要通过两次使用二值化方法对油、驱替液、岩石骨架三种介质进行分割。主要思想是:首先采用“背景窗口移植法”,对实验视频第一帧(即饱和油状态)图像进行二值化处理,得到岩石骨架;然后借助第一次二值化处理得到的“岩石骨架”作为背景,对提取的油、驱替液部分进行第二次二值化,实现驱油过程中不同驱替阶段图像的三值化处理,从而达到油、驱替液、岩石骨架精确分离的目的。如图1所示为驱替到某一阶段的分离结果,其中黑色是油,白色是驱替液,灰色是岩石骨架,对应的灰度值分别为0,255,128。(2)单块剩余油分割:为了提取剩余油特征参数,采用“8领域”法(图2)对上一步提取出的全部剩余油进行分割(单连通剩余油提取)、标号,并计算相应的形状因子、圆形度、凹度、长宽比、欧拉数等。2.2.2孔隙-喉道结构分离单块剩余油所占孔喉个数直接影响着剩余油的连续性,孔隙-喉道结构的精确分离是实现微观剩余油流动形态划分的基础,孔-喉结构分离的前提是孔喉拓扑结构的提取。(1)孔隙-喉道拓扑结构提取:图像的数学描述是以1个像素点为最小单元的离散结构,孔隙-喉道居中轴线则是位于孔喉中心位置的像素相互连接而成的曲线,不仅保留了孔喉的拓扑结构,而且反映了孔喉的空间分布及连通情况。采用“边界收缩法”[10]在保证孔喉空间的拓扑结构不发生变化的前提下依次剔除孔喉空间的边界点来构建孔喉居中轴线。文中采用LKC方法,具体算法:①搜索孔隙介质P的边界点并将其划分为R、U、L、B四类(图3);②按R、U、L、B方向顺序,在每个方向上搜索满足下列条件的点并依次将其删除,如果在四个方向上均没有满足条件的点,则说明P相的居中·67·大庆石油地质与开发2016年轴线体系已经生成,输出P。条件为δX(P∩N(ν))=0;o(P∩N(ν))=1;|P'∩N(ν)|≥2(1)其中P'为当前研究的P相删除边界点后剩余的部分,|P'∩N(ν)|≥2为{P'∩N(ν)}≥2中从属于P相的像素个数。③重新标记P的边界点并分类,返回②。(2)孔隙-喉道结构分割:首先利用“射线法”[10],以孔隙中心为原点每隔一定角度发出一条射线,并延长直至抵达岩石颗粒后终止生长,在所有射线中一部分由于穿过喉道无法反映孔的大小,而另一部分则是由标记孔隙半径大小的长度组成的数据集合;然后借助“最大类间距法”[9-11]求取最佳阈值对两类数据进行合理划分,得到可以真实反映孔隙大小的孔隙半径。通过所建立的孔隙-喉道分离方法对概念模型进行孔-喉分离,结果表明,该方法分离精度可达到98%以上。3动态剩余油渗流特征研究方法3.1研究方法孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法主要包括以下几个步骤:(1)按照研究目的,制作可视化玻璃刻蚀模型,完成实验并录制视频;(2)按照研究需求,对剩余油进行人工标记,提取每一类型剩余油特征参数取值范围;(3)设定特征参数取值范围,对比计算机和人工识别结果,并矫正参数范围,使得误差小于5%,参数矫正结束;(4)利用矫正后的模型,处理(1)中录制的实验视频,可以得到不同类型剩余油变化关系及渗流特征,并可实现敏感性分析。3.2实例分析笔者采用水驱油实验验证剩余油类型识别的准确性:首先,制作不同孔喉比、孔喉半径、配位数、形状因子的6个概念模型(图4)并完成水驱油实验;然后,选取具有代表性的图像若干张进行手动分类识别(该水驱油实验中,剩余油流动状态可分为膜状流、滴状流、柱状流、多孔流以及簇状流5种),并提取对应的特征参数;最后,对比不同类型以及不同模型中剩余油的计算机识别和人工标记结果,误差均小于5%。参数矫正完成后,即可分析动态剩余油渗流特征,如图5所示为某一水驱油实验驱替至某一时刻时不同类型剩余油分类识别结果,其中簇状流和多孔流分布最多,柱状流次之,膜状流和滴状流最少。利用建立的剩余油分类识别方法以及矫正后的特征参数取值范围,对物理实验部分设计的9个模型、3组黏度及2个驱替速度的54组微观水驱油实验视频统计分析,结果表明:(1)随着水驱油过程中含水饱和度的增加,油相不断被分割,非连续程度不断加剧,表现为数量多,体积小,分散性强的特点(图6);(2)非连续程度加剧是因为簇状流向多孔状等演化转变,原油的流动越来越分散;·77·第35卷第5期王川等:孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法(3)随着含水饱和度的增加,非连续流动形态(滴状流、膜状流、柱状流、多孔流)比例持续增加,连续流动形态(簇状流)比例逐渐减小(图7);(4)簇状流作为连续相,动用能力较强,油相相对渗透率较大,其他四种形态的剩余油作为非连续相,动用能力较弱,油相相对渗透率较小,而相渗曲线拐点的出现时机恰为相对渗透率较小的非连续相开始发育的时间,也就是说抑制连续相向非连续的转化及非连续相发育,把连续相所占比例维持在一定水平上,可以在某种程度上延迟相渗曲线拐点出现时机,有助于提高采收率。4结论(1)利用计算机图像识别处理技术和可视化微观玻璃刻蚀模型实验建立了孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法。该方法开放性强,可以根据研究目的的不同,调整特征参数取值范围而满足不同研究需求。(2)通过孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法分析特高含水期微观剩余油不同流动状态变化关系,从微观上解释了特高含水期油水微观流动规律及相渗曲线非线性的原因,为特高含水期油藏提高剩余油动用程度和提高采收率提供指导。参考文献:[1]贾忠伟,杨清彦,兰玉波,等.水驱油微观物理模拟实验研究[J].大庆石油地质与开发,2002,21(1):46-49.[2]韩福来.利用大物理模型研究特高含水期水驱规律[D].青岛:中国石油大学(华东),2012.[3]姜汉桥,谷建伟,陈月明,等.剩余油分布规律的精细数值模拟[J].中国石油大学学报(自然科学版),2004,23(5):30-34.[4]侯健,邱茂鑫,陆努,等.采用CT技术研究岩心剩余油微观赋存状态[J].石油学报,2014,35(2):319-325.[5]邱茂鑫.基于CT的剩余油微观赋存状态描述方法研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2013.[6]王志伟,李相方.凝析气相变微观孔隙模型实验研究[J].工程热物理学报,2006,27(2):251-254.[7]白振强,吴胜和,付志国.大庆油田聚合物驱后微观剩余油分布规律[J].石油学报,2013,34(5):924-931.[8]孙先达.储层微观剩余油分析技术开发与应用研究[D].长春:吉林大学,2011.[9]李峥嵘.图像分割多阈值法在CT图像重建中的应用[D].合肥:合肥工业大学,2007.[10]赵秀才.数字岩心及孔隙网络模型重构方法研究[D].北京:中国石油大学,2009[11]王超,王士同.有局部保持的最大间距准则特征提取方法[J].模式识别与人工智能,2009,22(6):898-902.编辑:邵宪志·87·大庆石油地质与开发2016年
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