利用计算机层析（CT）研究岩心驱替饱和度分布

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武汉理工大学的计算机科学与技术是它的优势学科之一。
目前武汉理工大学拥有的博士一级学科授权点有：
力学
机械工程
材料科学与工程
信息与通信工程
计算机科学与技术
土木工程
矿业工程
交通运输工程
船舶与海洋工程
环境科学与工程
安全科学与工程

计算机就是其中之一啦。当然王牌学科还算不上，它的王牌是材料科学与工程、船舶与海洋工程

李玉彬　盛强

摘要　进行油水驱替物理模拟的同时，利用CT扫描获得岩心内部定量的三维油水饱和度数据，从而直观分析岩心内部流体运移状态。研究涉及CT扫描的试验方法和过程，应用CT图像重建油水流动状态和剩余油分布状态，及其如何处理 CT数字图像。通过两个实例，成功再现了油水驱替物理模拟各个阶段的饱和度分布历史，清楚观察倒水驱以及聚合物驱等提高采收率方法的机理。

关键词　CT　物理模拟　饱和度　聚合物驱　采收率 韵律模型　机理

一、引言

利用计算机层析（CT）研究多孔介质中的渗流特点是被国内外广泛接受的一种技术。其优点是：在进行岩心驱替的同时利用CT扫描获得驱替岩心内部定量的三维油水饱和度数据，从而直观分析岩心内部流体运移状态。而常规试验仅能给出整个岩心内部饱和度的平均值。

图1　体积CT扫描岩心示意图

CT用于渗流研究20余年来，在国外已经形成了一套完备试验体系。近年来，CT研究同油藏工程的新理论和新方法不断结合，推动了渗流力学的技术进步。1997年，胜利油田有限公司地质科学研究院从美国引进了一套具有体积层析功能的微焦点工业CT系统，在渗流物理模拟、数据处理和软件开发等方面具有较大的投入，并形成了一套有效的研究手段。研究涉及 CT扫描的试验方法和过程，应用 CT图像重建油水流动状态和剩余油分布状态，及其如何对获得的切片数据进行处理。所涉及试验的过程同常规试验类似，即先抽真空饱和水，再用油驱水建立束缚水状态，然后注水驱替至残余油。不同点是在试验过程中不断地进行 CT扫描。另外，利用CT扫描驱替试验，必须在油水某一项中加入能引起射线衰减的物质，如在水相中加入NaI。

二、CT机及扫描方法

试验应用ACTIS工业CT/DR系统，系统具有先进的体积CT功能，用于扫描均质柱状岩心驱替试验，实现岩心三维空间油水饱和度的分布数值。系统配置见图1,X射线源发射锥形射线束，穿过放置在转台上的岩心；通过岩心旋转，获得投影数据，一次扫描重建100个切片，从而完成一个三维数据体的扫描。

该系统具有的射线数字照相（DR）功能用于扫描二维模型。系统配置见图2，扇形射线束穿过模型，通过模型水平位移完成一个二维DR图像。该功能用于扫描多层复合韵律油藏模型的驱替更有效。

三、CT计算饱和度分布的基本原理

将试验岩心在i、j、k三个方向上划分为若干网格体（图3），CT扫描测得每个网格体上的X射线线性衰减系数。在实际中，为方便应用将衰减系数转换成CT数，每个网格的CT数用CT^ijk表示。当岩心中饱和油水两相时，每个单元格CT数表示如下：

胜利油区勘探开发论文集

式中：

——油水驱替过程中每个网格的CT数；

Φ^ijk——每个网格的孔隙度，%；

——每个网格的油饱和度，%；

——每个网格的水饱和度，%；

——每个网格岩石骨架的CT数；

CT_o——油的CT数；

CT_w——水的CT数。

图2　DR扫描二维驱替模型示意图

图3　岩心网格划分示意图

对完全饱和水或完全饱和油的岩心进行扫描，CT数表示如下：

胜利油区勘探开发论文集

胜利油区勘探开发论文集

式中：

——完全饱和水时每个网格的CT数；

——完全饱和油时每个网格的CT数。

由（1）、（2）和（3）式得到每个网格的油、水饱和度：

胜利油区勘探开发论文集

必须利用CT扫描获得完全饱和油水时的CT数分布

，驱替过程中扫描获得不同时刻的CT数

，即可计算得到不同时刻饱和度分布。

四、CT数字图像处理

单纯利用CT图像无法反映出驱替过程中油水的动态变化，必须对CT图像进行射线硬化处理、图像矩阵变换、射线漂移处理和体积CT位置校正等，才能进行饱和度分布的计算。

1.射线硬化处理

由于X射线是连续的多色光谱，会造成一种射线硬化的伪像。这种图像的特点是边缘灰度大、中心灰度低，这样得到的饱和度分布图像也是边缘饱和度值高，中间的值低。目前可行的方法是利用切片CT数的平均值创建一个反硬化图像来消除射线硬化。

2.图像矩阵变换

对于多孔介质中某一质点P，以其为质心的体积为△V，其孔隙体积为△Vp，孔隙度为：

胜利油区勘探开发论文集

绘制φ和△V的曲线，当△V缩小到某个体积△V₀附近时，φ开始剧烈振荡。当△V在孔隙上时，φ＝1；当△V在骨架颗粒上时φ＝0。对于饱和度计算亦是如此，如果简单的以CT像素矩阵为网格，将使计算的饱和度分布数值剧烈振荡。这即为进行矩阵变换的原因。

3.X射线漂移校正

由于扫描驱替试验长达十几至几十小时，在试验过程中射线检测器不断老化及外界条件的随机变化，导致相同材料的射线衰减值有相当的差别。必须利用标定材料的衰减数据对不同时间CT图像数据进行校正。

4.体积CT位置校正

一方面，体积CT应用锥形X射线束，射线的边缘和中间强度有一定差别。另一方面，体积CT除了中心切片外，其他切片实际上是再现多个椭圆体衰减值的叠加。这种两种情况导致了岩心的k方向各个切片CT数的平均值略有差别。试验需要利用均匀柱状材料进行标定。

五、应用实例

1.CT扫描均质岩心内部驱替特征

试验主要目的：研究 CT扫描驱替试验油水饱和度分布的试验和计算方法，不同渗透性均质岩心的饱和度分布特征，以及利用CT扫描确定水驱和聚合物驱的驱替规律。

试验选用均质人造岩心，在常温常压下完成，注入速度0.1ml/min；岩心渗透率684×10^－3μm²，孔隙度27.8；岩心直径2.5cm，长度5.7cm；原油粘度为38mPa.s。

图4　采收率与注入倍数关系曲线图

利用CT扫描能够计算驱替过程中油水饱和度的分布、水驱剩余油分布状态、聚合物段塞残余油富集状态，同时获得采收率曲线。图4是CT图像处理后得到的数据，可以观察到注入聚合物段塞后提高采收率效果明显。注入聚合物段塞后，采收率约为76%，比水驱提高约16%。

提高采收率的机理由CT图像处理完成的轴向切片可清晰观察到（图5）。图5为试验一的成像处理结果，黑色代表高含油饱和度，白色代表高含水饱和度，反映在不同注入倍数下油水饱和度的数值分布状态。可以看出，随着水的不断注入，图像由黑变白，岩心内部含油不断减少。在水驱阶段水窜通道明显形成，在窜流通道上，油饱和度明显低于其他区域，微观波及的不均匀性非常明显。注入0.2PV聚合物段塞，有效富集了水驱之后的剩余油，形成了类似活塞式的驱替。通常认为聚合物驱可提高宏观波及系数，而该试验成功地观察到其在微观上也有效地提高了波及的均匀性。

图5　不同注入倍数时的饱和度分布图

图中颜色越黑，反映油饱和度越高；从上到下水饱和度不断减少，注入倍数依次为0、0.36、1.31、2.58、2.88；1为束缚水状态，2～4为水驱过程中的饱和度分布，5为注入0.2PV聚合物段塞后注入0.4PV水后的状态

2.射线数字成象研究韵律模型驱替规律

试验目的：观察韵律模型在不同注入速度下的驱替特征，水窜通道沿渗透层的突进规律，以及油水饱和度在不同驱替阶段的的分布特点。

模型为人工烧制三层反韵律模型，尺寸为：长×高×宽＝20cm×5cm×1.5cm；自上而下三层结构高度分别为1.5cm、2.5cm、1cm，渗透率分别为4μm²、2μm²、1μm²。试验在室温（25℃）下进行，平均注入线速度分别为4mm/min、2mm/min、1mm/min。驱替用油为混合机油，25℃下粘度为115mPa·s。

利用DR扫描和CT扫描一样，能够计算模型在二维平面上孔隙度的分布、驱替过程中油水饱和度的分布、水驱剩余油分布状态，以及注入采出曲线。相对CT图像数据处理，DR图像的处理较为简单，同时利用DR图像相减技术还能观察水驱微观通道。

图6　韵律模型 DR成像结果图

从图6中可以看出，两幅图像均为注入速度为1mm/min、注入0.07PV水溶液后，流体沿高渗透层窜进。图6A反映了饱和度分布状态；图6B为利用图像相减获得的流动形态图，流体的冲刷方式与经验有所差别，微观指进异常明显。

主要参考文献

[1]S L Wellington,H J Vinegar.X-Ray Computerized Tomography.SPE 16983:885～898.

[2]Agrag,ARKovscek.CT Scan and Neural Network Technology for Construction of Detailed Distribution of Residual Oil Saturation DuringWaterflooding.SPE 35737:695～710.

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