页岩油储层岩石物理特性数值模拟研究

Shale oil is a widely distributed unconventional oil resource with great potential, and it has become a research hotspot all over the world. Because of the low permeability, great anisotropy and complex structure and composition of shale reservoirs, it is difficult to obtain ideal results from conventional petrophysical experiments. As a new method of acquiring the petrophysical properties, numerical simulation based on digital core can be useful to solve the problem in the study of shale oil reservoirs. In this study, we intend to collect core samples of typical shale oil reservoir in China, and analyze 3D and 2D scanned images to obtain rock information such as the pore structure, mineral composition to assist the reconstruction of 3D digital core of shale oil reservoirs. Through the petrophysical experiments, the resistivity, acoustic wave velocity, pore distribution and permeability information of the samples can be obtained to compare with the results of numerical simulation. Finally, the well logging response mechanism of shale oil reservoirs can be deduced and the foundation of the well logging interpretation and hydraulic fracturing modeling will be built.

页岩油分布广泛、潜力巨大，是当前国内外的研究热点。由于页岩具有低孔低渗、各向异性突出、结构组分复杂等特点，导致常规实验在其岩石物理特性研究方面难以获得理想效果，而基于数字岩心的数值模拟可解决这一基础研究遇到的难题。本研究拟收集中国典型页岩油储层的岩样资料，通过分析岩样的三维扫描图像和二维薄片，获得岩样的孔隙结构、矿物组分等信息，用以辅助进行页岩油储层数字岩心的构建；利用数字岩心进行页岩油储层岩石物理特性的数值模拟计算，同时通过岩石物理实验获得岩样的电阻率、纵横波速度、孔渗等信息，并将二者的结果进行对比验证。最终获得页岩油储层在不同微观结构、矿物组分、含油性情况下的岩石物理特性，进而分析测井响应机理，为其测井解释模型的建立和储层水力压裂改造提供理论基础支撑。

本项目以页岩油储层岩石为研究对象，开展了页岩岩石三维数字岩心建模研究，针对页岩储层的特点，利用改进的马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）算法和组分嵌套法，在二维矿物组分图像的基础上，在微米尺度根据不同模拟参数的需要构建了页岩储层微米级三维数字岩心；利用互相关模拟（CCSIM）算法进行了页岩岩石数字岩心的重构。基于建立的三维数字岩心模型，利用有限元方法计算了页岩储层岩石的电性和弹性参数，研究了微观因素（孔隙度、粘土、黄铁矿以及有机质等）对岩石导电性以及弹性的影响规律。导电性模拟结果表明，页岩储层水平方向和竖直方向的导电特性差异巨大，水平方向也有一定的差异，具有很强的各向异性特征，阿尔奇公式不适用；地层的电阻率随粘土矿物阳离子交换能力和粘土含量的增加而降低；地层电阻率随黄铁矿含量的增加而降低；储层的导电性质对固体有机质不敏感，而对油气更为敏感，推断这是因为饱含气的模型中的气体有机质充填了孔隙空间，取代了导电能力较强的地层水，导致储层导电能力的下降。弹性模拟结果表明，页岩储层水平方向和竖直方向的弹性特性具有明显差异，具有各向异性特征；地层的体积模量随矿物含量的变化特征均呈线性变化，而等效剪切模量在各个方向的变化敏感性不同；等效弹性模量随粘土矿物、有机质、孔隙度的增加而降低，随长石、方解石和黄铁矿的增加而增加；对于不同的粘土矿物，等效弹性模量的变化呈指数变化；等效剪切模量对孔隙流体类型不敏感。基于导电性模拟结果，提出了页岩储层测井评价TOC的双泥质含量新模型，本模型仅利用自然伽马和电阻率两条常规测井曲线实现页岩储层TOC的快速评价，降低了测井的成本，对于没有特殊曲线的老井页岩资源复查有着重要的意义。上述研究成果对于页岩油气评价具有重要意义，为页岩油气地震勘探、测井评价以及水力压裂提供了基础支撑。