GeoDict应用 · 数字岩石/岩心

面向油气藏精准勘探与开发的数字化解决方案

在储层岩石物理性质的分析与自动化方面，GeoDict计算机仿真技术能够为油藏工程师与地质科学家提供有力支持。以下案例研究展示了GeoDict 如何助力储层岩石数字孪生建模、两相流动与毛细压力仿真，以及CO₂封存潜力评估等油气勘探开发相关课题。

案例一：建模颗粒状储层岩石的数字孪生

精确的岩石与孔隙几何数字化复现

加速能源行业研发与生产的关键,在于高效、普适地测定储层岩石的物理性质。本案例研究展示了储层岩石统计学数字孪生生成技术的最新进展,所提出的工作流程可普遍适用于任何颗粒状样品。

研究人员生成了尺寸达 600³ 体素及以上的、基于体素几何的储层岩石数字孪生模型,目标是精确复现岩石及其孔隙几何结构。数字岩心分析(DCA)与储层建模领域的最新发展,使数字孪生技术的重要性与日俱增——尤其是近年来针对这类岩石的数值仿真能力日益强大,数字孪生可用于开展进一步的非破坏性数字化测量,从而降低成本与资源消耗。

通过在建模的数字孪生中还原原始岩石样品的物理参数,该数字孪生便可进一步应用于数字岩心分析的各类场景。研究团队基于一个数字岩心样品,通过分析、建模与性能预测对该方法进行了验证。

本案例采用的多丁顿砂岩(Doddington sandstone)产自英国 Fell Sandstone 组,为细至中粒砂岩,年代约为 3.39–3.43 亿年前,除石英外还含有少量方解石、长石及粘土矿物,孔隙率范围为 16%–23%,渗透率范围为 3.7–5.4 达西(Darcy)。

研究人员测定了该多丁顿砂岩的颗粒尺寸分布,并据此生成了岩石结构的统计学三维数字孪生。随后计算并比较了两种三维几何结构的绝对渗透率,验证结果表明该方法具有足够的精度,由此证明了这一高性能工作流程同样适用于其他类型的储层岩石。

这一成果对客户意味着什么?

对特定类型储层岩石建模数字孪生,无论对工业界还是学术界的质量控制工作都具有重要意义。数字孪生中各项性质的变化,可用于确定不同结构参数相对于岩石性质的敏感程度。

结构分析

以显微计算机断层扫描(µCT)获取的多丁顿砂岩灰度图像为材料分析的基础。将完整图像堆栈导入 GeoDict 后,利用软件高效的工具与模块对图像进行滤波、裁剪与分割,从而获得岩石三维结构的表征(即数字孪生)。

由于数字孪生的尺寸可自由调整,该方法对于计算物理参数与结构尺寸之间的依赖关系至关重要——通过改变数字孪生的尺寸,可以识别出哪些参数具有尺寸依赖性,并对其相对于样品尺寸的敏感程度进行分类。

使用模块:ImportGeo-Vol

建模方法

研究团队复现了标准储层岩石的建模过程,假设该结构具有代表性体积单元(REV)尺寸,即岩石参数与所研究样品的尺寸及观察方向无关。此次研究采用了一份经 µCT 成像扫描的多丁顿砂岩样品,该样品富含石英,孔隙率与渗透率均较高。

对参照样品物理参数进行分类,是充分精确建模数字孪生不可或缺的前提。除孔径分布外,还可通过计算颗粒尺寸分布及弦长分布等参数,获取这类高层次信息。

在该方法中,参照岩石通过迭代逼近用户定义参数的方式完成建模——建模所需的参数函数及作为停止准则的误差指标均可自由调整。本案例中,研究人员采用五种不同的颗粒尺寸分布作为函数参数,在 GeoDict 软件中生成结构;随后,该结构将采用与初始结构相同的参数表征方式进行分析。若未达到指定精度,则利用误差测量结果,在新一轮循环中对结构进行进一步逼近。

GeoDict 内置的结构生成器与高斯随机场(Gaussian Random Field)共同构成了建模的基础,二者以可变比例共同参与建模过程,具体比例由该方法的算法自动确定。

建模结果的验证

如本案例所示,在 GeoDict 中对储层岩石数字孪生进行建模是完全可行的。研究团队的迭代方法表明,常规砂岩可通过该方法得到充分精确的建模。GeoDict 软件中的各个模块均可用于岩石参数的验证与参照对比。

渗透率的计算在 GeoDict 中通过 LIR 流动求解器完成,该求解器通过求解斯托克斯方程实现计算,分别测定了参照结构与数字孪生的渗透率,计算中假设边界条件为 0.02 Pa 的压差。所得渗透率数值随后被用于进一步改进数字孪生的建模。

结果表明,参照结构与数字孪生中的流速及其偏差均具有良好的一致性;此外,通过分析孔喉尺寸分布,还可纳入几何参数以进一步验证结果。

参考文献 

[1] Andrew, M., Bijeljic, B., and Blunt, M., "Doddington Sandstone." Digital Rocks Portal, 30 April 2020. 

数据集链接：https://digitalporousmedia.org/published-datasets/tapis/projects/drp.project.published/drp.project.published.DRP-290

[2] Andrew, M., Bijeljic, B., and Blunt, M.J., "Pore-scale imaging of trapped supercritical carbon dioxide in sandstones and carbonates." International Journal of Greenhouse Gas Control, 2014.

原文链接:Modeling Digital Twins of grain-based Reservoir Rocks

https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/digital-rock-physics-digital-core-analysis/modeling-digital-twins-of-grain-based-reservoir-rocks.html

案例二：基于三维岩石图像的数字化特殊岩心分析(SCAL)——毛细压力与两相流分析

借助 GeoDict 开展数字化特殊岩心分析(Digital SCAL),相较传统实验室方法,提供了一种更快速、无损、且结果可重复的替代与补充方案。通过直接在显微 CT 或其他3D岩石图像上仿真油、水等两相流体的流动与分布,GeoDict 能够精确预测毛细压力曲线、相对渗透率及滞后(hysteresis)行为——这些洞见对于储层表征、产量预测及提高采收率(EOR)方案的规划都至关重要。

凭借即用型工作流程且无需对实物岩心进行任何改动,数字化 SCAL 可将周转时间从数月缩短至数天,同时完好保留样品的完整性。

该方法还使工程师能够测试多种饱和度情形、边界条件及岩石类型。此外,理解流动与孔隙连通性,还能揭示以往难以获取的、关于孔隙尺度流体动力学的深入洞见。

对于希望提升决策效率、降低运营风险的运营商、服务商及岩心实验室而言,无论是用于验证实验室 SCAL 结果,还是弥补复杂地层的数据缺口,数字化 SCAL 都是储层评估中一项极具价值的高影响力工具。

第一部分:借助 GeoDict 真实仿真滞后循环与岩石老化

每一项数字岩石物理(DRP)工作流程都从岩石图像的分割与岩石模型的生成开始。在建立三维微结构后,GeoDict 可对完整的毛细压力滞后循环进行仿真,捕捉两相流动的每一个关键阶段:

• 一次排驱(Primary Drainage):油驱替水;
• 吸渗(自发+强制)(Imbibition):水自发重新进入结构,以及水驱过程;
• 二次排驱(Secondary Drainage):油自发重新进入,及强制油再次驱替水。

每一压力步下,岩石中的饱和度与流体分布都会被详细记录。

其中一项关键优势在于:GeoDict 会在矿物层面纳入润湿性考量,以真实呈现亲油、亲水或混合润湿等不同场景。此外,还可对一次排驱之后的岩石老化过程进行仿真,以真实捕捉润湿条件的变化。

得益于预定义的工作流程及直观的用户界面,这类复杂仿真无需编程即可快速、透明、可重复地完成。

第二部分:工作流程的高效自动化

GeoDict 支持对各项工作流程进行广泛的自动化处理。本案例研究中,完整的滞后循环利用 GeoDict 已内置的 Hysteresis for Oil-Water Setups GeoApp 完成仿真,仿真场景与所用输入参数均可根据具体应用需求自由调整。

在 GeoDict 中实现时,所仿真流体的全部接触角范围(亲水、中性润湿、亲油、混合润湿)均可依据岩石各自的润湿特性进行映射。GeoDict 同时也被用于仿真多孔介质中两相流动性质计算所涉及的多孔板法(porous plate)及离心法(centrifugal)标准实验。

在直观的图形用户界面中,用户可自由设置以下输入参数:流体属性、润湿条件、接触角、界面张力、流动方向。这使得复杂的数字化 SCAL 场景能够在完全可控、技术精确的前提下实现自动化仿真。

使用模块:PoroDict、MatDict、FlowDict、SatuDict

第三部分:大尺寸结构的相对渗透率计算

借助 GeoDict 的数字化仿真能力,大尺寸岩石结构可实现快速、经济的评估。GeoDict 通过直接在高分辨率三维岩石模型上仿真毛细压力曲线并推导相对渗透率曲线,为大量实验室测试提供了替代方案,从而同时节省时间与资源。

每一压力步下,系统都会详细计算流体各相的饱和度分布;基于所选饱和度水平,计算各相的有效渗透率,从而精确预测相对渗透率随饱和度变化的关系。在整个工作流程中,用户对仿真参数拥有完全的掌控权,确保结果的透明性、可重复性及可追溯性。

案例研究:Gildehauser 砂岩

研究团队对完整的滞后循环进行了仿真,从一次排驱开始,依次为自发吸渗与强制吸渗,并考虑了一次排驱过程后矿物表面部分老化的影响。同时计算了油、水两相相应的相对渗透率。

GeoDict 提供 Corey 模型与 LET 模型等行业标准方法,可将离散的仿真结果参数化为连续函数,便于集成至储层仿真器与历史拟合(history matching)工作流程中——从而弥合孔隙物理与油田尺度之间的差距,最终帮助用户在储层开发中做出更明智的决策。

仿真参数

• 矿物表面接触角:初始接触角 40°;老化矿物表面接触角 140°
• 毛细压力曲线计算结果:束缚水饱和度 15%;残余油饱和度 42%
• 所用计算资源:耗时约 20 小时;内存约 95 GB;并行 32 核;软件版本 GeoDict 2025

参考文献 / 相关出版物

• Burmester, G., Zekiri, F., Jurcic, H., Arnold, P., Ott, H., "Integration and Upscaling of Multi-Phase Fluid Flow Properties in Clastic Reservoirs", 83rd EAGE Annual Conference & Exhibition, Conference Proceedings, pp. 1-5, 2022. DOI: 10.3997/2214-4609.202210939
• Arnold, P., Dragovits, M., Linden, S., Hinz, C., & Ott, H. (2023), "Forced imbibition and uncertainty modeling using the morphological method." Advances in Water Resources, 172, 104381. DOI: 10.1016/j.advwatres.2023.104381
• Berg, S., Rücker, M., Ott, H., Georgiadis, A., Van der Linde, H., Enzmann, F., Kersten, M., Armstrong, R., De With, S., Becker, J., & Wiegmann, A. (2016), "Connected pathway relative permeability from pore-scale imaging of imbibition." Advances in Water Resources, 90, 24-35. DOI: 10.1016/j.advwatres.2016.01.010
• Andrä, H., Combaret, N., Dvorkin, J., Glatt, E., Han, J., Kabel, M., Keehm, Y., Krzikalla, F., Lee, M., Madonna, C., Marsh, M., Mukerji, T., Saenger, E. H., Sain, R., Saxena, N., Ricker, S., Wiegmann, A., & Zhan, X. (2012), "Digital rock physics benchmarks—Part I: Imaging and segmentation." Computers & Geosciences, 50, 25-32. DOI: 10.1016/j.cageo.2012.09.005

原文链接:Digital SCAL from 3D Rock Images - Capillary Pressure & Two-Phase Flow Analysis

https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/simulation-of-two-phase-flow-and-hysteresis-cycle.html

案例三：CO₂封存技术与储存机制

面向多种CO₂储存方式的岩石数字化分析

将 CO₂ 封存于枯竭油气藏,有助于减少大气中的 CO₂ 排放,从而对缓解气候变化产生积极贡献。由于相关基础设施已经建成,这些枯竭的能源储层可被快速、有效地改造用于封存;这些枯竭储层由此转变为需要在整个储层生命周期内进行主动管理的重要资产。详尽掌握储层信息,对于量化其 CO₂ 封存潜力至关重要。

储层的埋深属于已知量,但岩石本身仍需经过分析,方能确定其可能的 CO₂ 储存容量。借助 GeoDict 的数字岩石物理能力,可快速高效地测定岩石以下特征参数:

• 利用 SatuDict 模块计算毛细压力曲线;
• 利用 SatuDict 与 FlowDict 模块计算相对渗透率;
• 利用 SatuDict 与 ConductoDict 模块计算电阻率指数;
• 利用 AddiDict、FlowDict 与 MatDict 模块仿真反应性流动。

借助这些数字化分析,可针对以下 CO₂ 封存技术,评估枯竭油气藏的封存潜力:

• 构造圈闭(Structural trapping):CO₂ 相被限制在非渗透性盖层之下;
• 毛细圈闭(Capillary trapping):CO₂ 作为残余相被截留在孔隙空间中;
• 矿物圈闭(Mineral trapping):CO₂ 作为反应相形成碳酸盐矿物。

通过 GeoDict 中的数字化工作流程,可快速高效地测定储层岩石的上述性质。使用 GeoDict 的优势包括:

• 节省时间:GeoDict 中的数字化实验所需时间仅为实验室实验的一小部分;
• 可靠性:GeoDict 可信赖地分析高分辨率岩心样品与岩石,其求解器已被证明能够快速、精确、可靠地处理数十亿级别的数据点;
• 集成能力:得益于与客户长期紧密合作积累的丰富经验,GeoDict 提供了合适的接口,可无缝集成到用户现有的内部工作流程中。

计算毛细压力曲线

• 两相流的直接数值仿真:直接在体素几何上进行仿真;
• 驱替效率(CO₂ 驱替水):采用结合动态流体界面特征的孔隙形态学(Pore-Morphology)方法;
• 计算排驱、吸渗与滞后:可应用用户自定义设置,或确定气体圈闭曲线;
• 润湿性考量:涵盖亲水、亲 CO₂ 及混合润湿体系。

使用模块:SatuDict

计算相对渗透率

• 预测有效渗透率与相对渗透率:基于所得流体分布序列进行预测;
• CO₂ 封存:仿真超临界 CO₂ 驱替水的过程;
• 借助 GeoDict 实现提高采收率(EOR):及/或水驱过程的计算。

使用模块:SatuDict、FlowDict

计算电阻率指数

• 预测电阻率指数:基于所得流体分布序列进行预测;
• 胶结指数与饱和度指数:基于电阻率指数计算结果得出;
• 地层电阻率因子;
• 薄水膜效应考量。

使用模块:SatuDict、ConductoDict

反应性传输预测

在反应物(如酸)持续流入的条件下,计算矿物相的溶解与沉淀过程,并预测:

• 渗透率变化及孔隙率-渗透率关系的改善;
• 四维(4D)岩石蚀变——溶解机制的演变;
• 化学传输过程。

反应性流动在数字岩石物理中的应用包括:CO₂ 封存(溶解、沉淀过程)、碳酸盐岩储层的酸化处理,以及核废料储存、环境修复等其他应用领域。

使用模块:AddiDict、FlowDict、MatDict

原文链接:CO2-sequestration techniques and storage mechanisms

https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/co2-sequestration-techniques-and-storage-mechanisms.html

结语

从颗粒状储层岩石统计学数字孪生的精确建模，到涵盖排驱、吸渗与老化全流程的数字化特殊岩心分析(Digital SCAL)，再到面向构造圈闭、毛细圈闭与矿物圈闭三种机制的CO₂封存潜力评估，三篇案例研究充分展示了GeoDict仿真软件在数字岩石物理与数字岩心分析领域的全面能力。无论是基于µCT扫描数据的真实岩石结构，还是通过统计学方法生成的岩石数字孪生，GeoDict都能够将高分辨率三维模型与经过验证的高性能流动、饱和度、传导及反应性传输仿真求解器紧密结合，帮助油藏工程师与地质科学家在数天而非数月内完成毛细压力曲线、相对渗透率、电阻率指数等关键储层参数的精确预测，大幅减少对实物岩心的破坏性测试与漫长的实验室周期，为油气藏的精准勘探开发及CO₂地质封存提供可靠的数字化决策依据。

如您希望进一步了解GeoDict在数字岩石物理与数字岩心分析领域的具体应用，或希望获取免费试用许可，欢迎联系覃思科技，我们将根据您的实际需求提供专业的技术支持与解决方案建议。