[论文解读] Multimodal Functions as Flow Signatures in Complex Porous Media

Branko Bijeljic, Ali Q. Raeini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2018

Drilling and Well Engineering参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究表明，诸如碳酸盐岩等复杂多孔介质中的流体流动无法用单一速度分布函数来描述；相反，必须分别对微孔和宏孔区域的多峰速度分布进行建模。通过结合X射线差分成像、压汞法孔隙度分析和直接数值模拟，作者发现，在低渗透率岩石中，微孔隙可使渗透率提高多达五倍，这挑战了流动特征具有普适性的假设。

ABSTRACT

This study refutes the premise that the distribution of flow speeds in complex porous media can be described by a simple function such as a normal or exponential variation. In many complex porous media, including those relevant for subsurface storage and recovery applications, a separation of scales exists between larger inter-granular pores and micro-porosity inside the grains, leading to different flow signatures that need to be described by multimodal functions with distinct flow field characteristics. We demonstrate this finding by devising a novel methodology to simulate fluid flow in carbonate rock based on a representation of the pore space obtained by differential X-ray imaging. The permeability assignment in the micro-porous space is estimated from the pore size inferred from mercury injection porosimetry. Model predictions considering micro-porosity agree well with experimentally measured porosities and permeabilities. The micro-porosity can contribute significantly to the overall permeability, particularly in the more heterogeneous media.

研究动机与目标

• 挑战长期以来认为多孔介质中流速分布遵循单一函数形式（如高斯分布或指数分布）的假设。
• 量化复杂碳酸盐岩中亚微米级微孔隙对整体渗透率的贡献。
• 开发一种多尺度模拟方法，将亚微米级高分辨率孔隙结构与宏孔流动相结合，以实现准确的渗透率预测。
• 评估微孔和宏孔区域流动特征的差异对非均质多孔介质整体输运性质的影响。

提出的方法

• 采用X射线差分成像技术，获取具有亚微米分辨率的微孔隙结构三维图像，同时保留连通性信息。
• 利用压汞法孔隙度分析（MIP），基于推断的孔径分布为微孔隙区域分配渗透率值。
• 对分割后的孔隙空间图像执行直接数值模拟（DNS），计算宏孔和微孔区域的速度分布及渗透率。
• 按孔隙度递减顺序逐步加入微孔隙相，以隔离其对总渗透率的独立贡献。
• 将渗透率和孔隙度值进行归一化处理，以便在不同本征渗透率的样品间比较其增量贡献。
• 将模拟结果与凯顿（Ketton）、埃斯塔伊亚德（Estaillades）和波特兰（Portland）石灰岩的微型岩芯实验渗透率测量值进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用单一函数形式准确描述具有多尺度孔隙结构的复杂多孔介质中的速度分布？
• RQ2 在低渗透率和中等渗透率碳酸盐岩中，亚微米级微孔隙对总渗透率的贡献程度如何？
• RQ3 微孔隙区域与宏孔隙区域的速度分布对整体流动和渗透率的影响有何差异？
• RQ4 在非均质介质中，仅基于宏孔隙的代表性最小体积单元（REV）假设是否足以实现准确的渗透率预测？
• RQ5 微孔隙在连接原本孤立的宏孔隙流动路径中起什么作用？

主要发现

• 碳酸盐岩中的速度分布呈多峰特征，微孔隙区域和宏孔隙区域分别存在显著峰值，这否定了使用指数分布或高斯分布等单一函数形式的适用性。
• 微孔隙对总渗透率有显著贡献，当在模拟中包含所有微孔隙相时，波特兰石灰岩的渗透率最高提升五倍。
• 对于埃斯塔伊亚德石灰岩，与仅考虑宏孔隙的模拟相比，微孔隙使渗透率提高了约两倍。
• 微孔隙区域的低速流动并未阻碍流动，反而通过增强原本孤立的宏孔隙区域之间的连通性，提高了有效渗透率。
• 全尺度多尺度模拟模型的渗透率预测结果与微型岩芯样品的实验测量值高度吻合，验证了该方法的可靠性。
• 微孔隙和宏孔隙区域对渗透率的贡献权重不同，表明必须对流动特征进行独立建模，才能实现准确预测。