利用CT研究岩心驱替饱和度分布

李玉斌胜强

在物理模拟油水驱替的同时，通过CT扫描获得定量的岩心三维油水饱和度数据，从而直接分析岩心内流体运移状态。研究内容涉及CT扫描的测试方法和过程，利用CT图像重建油水流动状态和剩余油分布状态，以及如何处理CT数字图像。通过两个实例，成功地再现了油水驱物理模拟各阶段饱和度分布的历史，清晰地观察到了反转水驱、聚合物驱等EOR方法的机理。

CT；物理模拟；韵律模型；饱和机理；聚合物驱；采收率

一.导言

利用计算机层析成像(CT)技术研究多孔介质中的渗流特征是国内外普遍接受的技术。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，从而直观地分析岩心内部的流体运移状态。然而，常规测试只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用于渗流研究已有20多年，国外已形成了完整的试验体系。近年来，CT研究不断与油藏工程的新理论、新方法相结合，推动了渗流力学的技术进步。65438-0997胜利油田有限责任公司地质科学研究所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进行了大量投入，形成了一套行之有效的研究方法。研究内容涉及CT扫描的测试方法和过程，利用CT图像重建油水流动状态和剩余油分布状态，以及如何对获得的切片数据进行处理。所涉及的测试过程与常规测试类似，即先抽真空饱和水，再注水驱油建立束缚水状态，再注水驱替残余油。不同的是，实验过程中CT扫描是连续进行的。另外，使用CT扫描位移测试，需要在油水的某一项中加入能引起射线衰减的物质，比如在水相中加入NaI。

二、CT机及扫描方法

实验采用ACTIS工业CT/DR系统，具有先进的容积CT功能，用于扫描均质柱状岩心驱替实验，实现岩心三维空间油水饱和度分布值。系统配置如图1所示。X射线源发射锥形射线束，并穿过放置在转盘上的核心。通过岩心旋转，得到投影数据，一次重建100个切片，完成一个三维数据体的扫描。

该系统具有扫描二维模型的数字射线照相(DR)功能。系统配置如图2所示。扇形射线束穿过模型，通过模型的水平位移完成二维DR图像。该功能对扫描多层复合韵律油藏模型的位移更有效。

三、CT计算饱和度分布的基本原理

将测试岩心分成I、J、K方向的若干网格(图3)，通过CT扫描测量每个网格上的X射线线性衰减系数。实际中，为了方便地将衰减系数转换成CT数，每个网格的CT数用CTijk表示。当岩心被油和水饱和时，每个单元中的CT数如下:

胜利油区勘探开发随笔

式中:——油水驱替时每个网格的CT数；

φijk-每个网格的孔隙度，%;

——每个网格的含油饱和度，%;

——每个网格的含水饱和度，%;

——每个网格岩石骨架的CT数；

油的CTO-CT值；

水的CTW CT值。

图2 dr扫描二维位移模型示意图

图3核心网格划分示意图

扫描完全饱和水或完全饱和油的岩心，CT数如下所示:

胜利油区勘探开发随笔

式中:-水完全饱和时每个网格的CT数；

——油完全饱和时每个网格的CT数。

每个网格的油水饱和度由(1)、(2)、(3)得到:

胜利油区勘探开发随笔

必须通过CT扫描才能获得油水完全饱和时的CT数分布，而在驱替过程中通过扫描可以获得不同时刻的CT数，从而计算出不同时刻的饱和度分布。

第四，CT数字图像处理

仅用CT图像无法反映驱替过程中油水的动态变化，只能通过射线硬化、图像矩阵变换、射线漂移处理和体积CT位置校正计算饱和度分布。

1.射线硬化处理

因为X射线是连续的多色光谱，会造成射线硬化的伪影。这类图像的特点是边缘灰度大，中心灰度低，所以这样得到的饱和度分布图像也具有边缘饱和度值高，中间值低的特点。目前可行的方法是利用CT切片的平均数量来创建一个抗硬化图像，以消除射线硬化。

2.图像矩阵变换

对于多孔介质中的颗粒P，质心处的体积为△V，孔隙体积为△Vp，孔隙度为:

胜利油区勘探开发随笔

在φ和△ V之间画一条曲线，当△ V收缩到△ V 0附近的某一体积时，φ开始剧烈振荡。当△V在孔隙上时，φ= 1；当△V在骨架质点上时φ= 0。饱和度计算也是如此。如果单纯用CT像素矩阵作为网格，计算出来的饱和度分布值会剧烈振荡。这就是矩阵变换的原因。

3.x射线漂移校正

由于扫描位移测试持续十几到几十个小时，由于辐射检测仪的不断老化和测试过程中外界条件的随机变化，同一种材料的辐射衰减值差异很大。必须使用校准材料的衰减数据来校正不同时间的ct图像数据。

4.容积CT位置校正

一方面，容积CT使用的是锥形X射线束，射线边缘和中间的强度不同。另一方面，容积CT除了中心切片，其他切片实际上是多个椭球体衰减值的叠加。这两种情况导致岩心K方向各切片的平均CT数略有差异。测试需要用均匀的柱状材料进行校准。

动词（verb的缩写）应用示例

1扫描的均质岩心内部位移特征。计算机化X线体层照相术

试验的主要目的是研究CT扫描驱替试验中油水饱和度分布的测试和计算方法，不同渗透率的均质岩心的饱和度分布特征，通过CT扫描确定水驱和聚合物驱的驱替规律。

实验选用均质人造岩心，在常温常压下完成，注射速率为0.1 ml/min。岩心渗透率为684× 10-3μ m2，孔隙度为27.8；核心直径2.5cm，5.7cm在长度上；原油粘度为38兆帕·秒

图4采收率与注入倍数关系曲线

利用CT扫描可以计算油水饱和度分布、水驱残余油分布和聚合物段塞残余油富集情况，同时可以得到采收率曲线。图4是在CT图像处理之后获得的数据。可以看出，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%。

在CT图像处理后的轴向切片中可以清楚地观察到提高采收率的机理(图5)。图5是实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，反映了不同注入倍数下油水饱和度的数值分布。可以看到，随着水的不断注入，图像由黑变白，岩心含油量不断降低。水驱阶段，水窜通道明显形成。在窜流通道上，含油饱和度明显低于其他地区，微波非均质性非常明显。注入0.2PV聚合物段塞有效富集水驱后剩余油，形成活塞式驱替。一般认为聚合物驱可以提高宏观波及系数，本次实验成功观察到在微观层面也有效提高了波及均匀性。

不同注入倍数下的饱和度分布。

图中颜色越深，含油饱和度越高；含水饱和度自上而下递减，注入倍数为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聚合物段塞和0.4PV水后的状态。

2.用射线数字成像研究韵律模型的位移规律。

实验目的: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，以及不同驱替阶段油水饱和度的分布特征。

模型为三层反韵律模型，维度为:长×高×宽= 20cm×5cm×1.5cm；三层结构自上而下高度分别为1.5cm、2.5cm、1cm，渗透率分别为4μm2、2μm2、1μm2。实验在室温(25℃)下进行，平均注射线速度分别为4mm/min、2mm/min和65438±0mm/min。置换油为混合机油，25℃时粘度为115 MPa·s。

和CT扫描一样，DR扫描可以用来计算模型在二维平面上的孔隙度分布、驱替过程中的油水饱和度分布、水驱剩余油分布、注采曲线等。与CT图像数据处理相比，DR图像处理相对简单，利用DR图像减影技术还可以观察水驱微通道。

图6韵律模型DR的成像结果

从图6中可以看出，两幅图像都表明，在注入速度为1mm/min，注入0.07PV水溶液后，流体沿高渗透层涌过。图6A反映了饱和度分布状态；图6B示出了通过图像相减获得的流动模式。流体的冲刷方式与经验不同，微观指进异常。

主要参考文献

S . L .惠灵顿，H . J .醋。x射线计算机断层摄影。SPE 16983:885~898。

[2]阿格拉格，阿尔科夫斯克。CT扫描和神经网络技术构建注水开发过程中剩余油饱和度的详细分布。SPE 35737:695~710。