孔隙度影响因素测试方法与流程

1.本发明涉及油气藏开采技术领域，具体地说，涉及一种孔隙度影响因素测试方法。


背景技术：

2.多数油气藏岩石已完成压实和胶结，属于致密多孔介质。油藏开采过程中，孔隙压力下降，岩石被压缩，主要发生弹性变形，孔隙度随应力变化的程度较小。
3.现有技术中，油藏孔隙度随应力的变化程度通常采用实验方法进行研究，实验表明在10-30mpa的围压条件下，油藏岩石的孔隙度变化幅度在5～40％。储量评价研究中，也通常采用加载围压的实验测试方法对孔隙度进行校正。根据多孔介质的双重有效应力理论，岩石的本体变形遵循孔隙度不变的原则。本体变形的假设条件为骨架颗粒压缩过程中的形状不变，骨架与孔隙的变形是等比例的。岩石压缩后，骨架颗粒的排列形式和粒径分布均没有改变，因此本体变形过程中，岩石的孔隙度不会发生改变。
4.然而，真实条件下岩石骨架颗粒之间相互接触，颗粒的变形受到邻近颗粒的约束，压缩过程中骨架颗粒的形状会发生改变，不严格遵守等比例变形的假设。
5.目前，常规测试孔隙度难以避免表皮效应的影响，常规孔隙度变化的分析局限在颗粒的无约束变形前提条件。然而，测试的表皮效应会夸大孔隙度的应力敏感性，同时孔隙度的变化过程中颗粒是有约束变形的。
6.因此，本发明提供了一种孔隙度影响因素测试方法。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供了一种孔隙度影响因素测试方法，所述方法包含以下步骤：
8.构建骨架颗粒变形模型，并将所述骨架颗粒变形模型置于不发生位移和变形的刚性约束体内；
9.在所述骨架颗粒变形模型的孔隙填充刚性流体，并对所述刚性约束体的上表面施加上覆压力；
10.改变所述骨架颗粒变形模型的球体数量、杨氏模量以及泊松比，逐步降低所述刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及所述骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到表皮效应对孔隙度变化的影响以及有约束变形对孔隙度变化的影响。
11.根据本发明的一个实施例，所述骨架颗粒变形模型为多个球体紧密排列的立方堆积体，所述骨架颗粒变形模型的六个表接触壁面为恒应力边界，允许发生位移，壁面为刚性无变形壁面。
12.根据本发明的一个实施例，所述方法还包含以下步骤：
13.设置多组不同球体数量的所述骨架颗粒变形模型，每组骨架颗粒变形模型的杨氏模量和泊松比相同，逐步降低所述刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及所述骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到表皮效应对孔隙度变化的影响。
14.根据本发明的一个实施例，所述方法还包含以下步骤：
15.基于多组不同球体数量的所述骨架颗粒变形模型进行试验，确定球体数量、表皮效应与孔隙度变化的关系，其中，球体数量与表皮效应呈负相关，表皮效应与孔隙度变化量呈正相关。
16.根据本发明的一个实施例，所述方法还包含以下步骤：
17.设置多组不同泊松比的所述骨架颗粒变形模型，每组骨架颗粒变形模型的杨氏模量和球体数量相同，逐步降低所述刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及所述骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到有约束变形对孔隙度变化的影响。
18.根据本发明的一个实施例，所述方法还包含以下步骤：
19.基于多组不同泊松比的所述骨架颗粒变形模型进行试验，确定泊松比、有约束变形与孔隙度变化的关系，其中，泊松比与孔隙度变化量呈正相关。
20.根据本发明的一个实施例，所述方法还包含以下步骤：
21.绘制孔隙度随孔隙充填压力变化的曲线图，基于孔隙度变化量分别分析表皮效应与有约束变形对孔隙度变化的影响。
22.根据本发明的一个实施例，所述上覆压力大于所述孔隙充填压力。
23.根据本发明的一个实施例，所述方法还包含以下步骤：
24.改变所述骨架颗粒变形模型的材料、球体数量、杨氏模量以及泊松比，逐步降低所述刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及所述骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到表皮效应对孔隙度变化的影响以及有约束变形对孔隙度变化的影响。
25.根据本发明的一个实施例，所述骨架颗粒变形模型的球体材料为橡胶球体、黏土球体以及石英球体。
26.本发明提供的孔隙度影响因素测试方法采用有限元数值模拟方法，研究多孔介质本体变形过程中的骨架颗粒变形与孔隙度的变化，测试了表皮效应和有约束颗粒变形对孔隙度影响；常规测试孔隙度难以避免表皮效应的影响，常规孔隙度变化的分析局限在颗粒的无约束变形前提条件。测试的表皮效应会夸大孔隙度的应力敏感性，同时孔隙度的变化过程中颗粒是有约束变形的，本发明避免了现有技术的以上缺陷，通过多种组合试验，揭示了有约束变形以及表皮效应与孔隙度变化的关系。
27.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
28.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
29.图1显示了岩石的本体变形的变形模式图；
30.图2显示了岩石的本体变形的体积变化图；
31.图3显示了岩石的结构变形的变形模式图；
32.图4显示了岩石的结构变形体积变化图；
33.图5显示了骨架颗粒形状变化示意图；
34.图6显示了根据本发明的一个实施例的孔隙度影响因素测试方法流程图；
35.图7显示了根据本发明的一个实施例的骨架颗粒变形模型的示意图；
36.图8显示了根据本发明的一个实施例的石英球体颗粒排列10
×
10
×
10条件下孔隙度随孔隙充填压力变化图；
37.图9显示了根据本发明的一个实施例的石英球体颗粒排列30
×
30
×
30条件下孔隙度随孔隙充填压力变化图；
38.图10显示了根据本发明的一个实施例的石英球体颗粒排列30
×
30
×
30条件下，泊松比μ为0时，孔隙度随孔隙充填压力变化图；
39.图11显示了根据本发明的一个实施例的黏土球体颗粒排列10
×
10
×
10条件下孔隙度随孔隙充填压力变化图；
40.图12显示了根据本发明的一个实施例的黏土球体颗粒排列30
×
30
×
30条件下孔隙度随孔隙充填压力变化图；以及
41.图13显示了根据本发明的一个实施例的黏土球体颗粒排列30
×
30
×
30条件下，泊松比μ为0时，孔隙度随孔隙充填压力变化图。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
43.如图1和图2所示，油藏岩石通常受上覆压力(外应力，σ)和孔隙压力(内应力，p，包含p1，p2)的共同作用。油藏开采过程中，孔隙压力降低，岩石的有效应力增加，岩石的骨架颗粒发生变形，导致岩石被压缩。
44.岩石存在结构变形和本体变形二种基本的变形机制。本体变形指因骨架颗粒自身的变形而导致的岩石整体变形(如图1)。本体变形中，骨架颗粒的形状和排列方式均不发生变化，变化的是骨架颗粒自身的体积(如图1)。岩石的孔隙度与骨架颗粒的大小无关，与骨架颗粒的排列方式与粒径分布有关。孔隙是多孔介质的存在形式，而不是一种物质。应力状态的变化，不能直接作用于岩石的孔隙，而是通过岩石骨架颗粒的变形引发孔隙的变形。本体变形中，仅有骨架颗粒的体积发生了变化，颗粒的形状和排列方式均未发生变化。因此，岩石的骨架体积和孔隙体积等比例变化，岩石的孔隙度并不发生变化(如图2)。
45.如图3和图4所示，岩石的结构变形中，骨架颗粒自身的体积不发生变化，但颗粒的排列方式发生了变化(如图3)。此时，岩石的孔隙体积减小，但是骨架体积没有发生变化，因此孔隙度会发生较大变化(如图4)。结构变形实际上就是岩石的压实或微观破坏，通常发生在疏松多孔介质中(未胶结岩石)。致密介质则以本体变形为主，疏松介质以结构变形为主。
46.现有技术中，岩石本体变形的一个假设条件是骨架颗粒的形状保持不变，即每个骨架颗粒独立发生压缩。然而，真实情况下，多孔介质中的骨架颗粒之间相互接触，应力变化通过骨架颗粒的接触传递，这种接触对骨架颗粒的变形存在一定的约束。因此，多孔介质中骨架颗粒的变形，实质上是一种有约束的变形，如图5。由于岩石已经胶结，骨架颗粒的排列方式一般难以发生变化，但压缩过程中，颗粒的形状发生一定的变化，如图5(a)与图5(b)。
47.骨架颗粒在接触位置受到邻近颗粒的约束，而孔隙位置均匀地受到流体压力的约
束。加载过程中，骨架应力σ
s
增大，而孔隙压力不变或变化量较小。由于骨架颗粒受流体压力的作用是均匀的，因此孔隙位置可以认为不存在变形的约束条件。变形过程中，在约束位置(接触位置)，骨架颗粒的弹性变形量会减小，而在无约束的位置(孔隙)，弹性变形量会增加。
48.因此，有约束的弹性变形从一定程度上地改变了骨架颗粒的形状，从而破坏了等比例变形(岩石的骨架体积和孔隙体积等比例变化，岩石的孔隙度并不发生变化)的假设条件。约束变形条件下，骨架颗粒的变形量取决于骨架颗粒的弹性模型e
s
和泊松比μ。弹性模量决定颗粒弹性变形的程度，而泊松比决定骨架颗粒向“孔隙”方向的变形程度。而这种有约束的变形一定程度上改变了骨架颗粒的形状，对孔隙度有一定的影响。
49.现有技术中，测试孔隙度难以避免表皮效应的影响，孔隙度变化的分析局限在颗粒的无约束变形前提条件下。实际中，测试的表皮效应会夸大孔隙度的应力敏感性，同时，孔隙度的变化过程中颗粒是有约束变形的，因此，本技术为了克服现有技术的以上缺陷，研究表皮效应与有约束变形对孔隙度变化的影响，提供了一种孔隙度影响因素测试方法。
50.图6显示了根据本发明的一个实施例的孔隙度影响因素测试方法流程图。
51.如图6，在步骤s601中，构建骨架颗粒变形模型，并将骨架颗粒变形模型置于不发生位移和变形的刚性约束体内。
52.在一个实施例中，骨架颗粒变形模型的示意图如图7所示，骨架颗粒变形模型为多个球体紧密排列的立方堆积体，骨架颗粒变形模型的六个表接触壁面为恒应力边界，允许发生位移，壁面为刚性无变形壁面。
53.如图7，骨架颗粒变形模型包含n
×
n
×
m个球体，其中，x方向包含n个球体，y方向包含n个球体，z方向包含m个球体，n，m为正整数。具体来说，骨架颗粒变形模型可以通过有限元分析软件abaques构建。理论上n和m没有取值范围，可以在计算机的运算能力条件下，尽可能取较大数值，在一个实施例中，n取值范围10～50，m取值范围10～50，超过或等于30为较大取值。
54.图7中，骨架颗粒位于不发生位移和变形的刚性约束体内，呈紧密排列；球体表面的灰色平面为移动面，通过灰色平面的向下移动向骨架颗粒加载外应力(上覆压力σ)，灰色上平面为刚性接触面，发生位移但不出现变形。模型中，多孔介质和约束体存在接触面(表皮)。
55.实验结果是多孔介质本身和表皮特性的共同表现，表皮的存在对测试结果的影响，称之为表皮效应。紧密排列的多孔介质内部，一个骨架颗粒与附近12个颗粒相邻，存在12个约束位置。而表皮上的骨架颗粒，约束位置数量明显减小(最少为6个)。因此，表皮上的骨架颗粒与多孔介质内部的变形方式不同。由于约束壁面不发生变形和位移，数值实验中的表皮为刚性表皮，仅有颗粒的变形方式发生变化。
56.如图6，在步骤s602中，在骨架颗粒变形模型的孔隙填充刚性流体，并对刚性约束体的上表面施加上覆压力。
57.具体来说，在骨架颗粒变形模型体内的孔隙充填压力为p的刚性流体，骨架颗粒变形模型的上表接触壁面为刚性接触面，其向下移动对骨架颗粒加载上覆压力σ，上覆压力大于孔隙充填压力(σ大于p)；在一个实施例中，孔隙充填压力p取值为0.65σ。
58.如图6，在步骤s603中，改变骨架颗粒变形模型的球体数量、杨氏模量以及泊松比，
逐步降低刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到表皮效应对孔隙度变化的影响以及有约束变形对孔隙度变化的影响。
59.在一个实施例中，设置多组不同球体数量的骨架颗粒变形模型，每组骨架颗粒变形模型的杨氏模量和泊松比相同，逐步降低刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到表皮效应对孔隙度变化的影响。
60.进一步地，基于多组不同球体数量的骨架颗粒变形模型进行试验，确定球体数量、表皮效应与孔隙度变化的关系，其中，球体数量与表皮效应呈负相关，表皮效应与孔隙度变化量呈正相关。
61.在一个实施例中，设置多组不同泊松比的骨架颗粒变形模型，每组骨架颗粒变形模型的杨氏模量和球体数量相同，逐步降低刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到有约束变形对孔隙度变化的影响。
62.进一步地，基于多组不同泊松比的骨架颗粒变形模型进行试验，确定泊松比、有约束变形与孔隙度变化的关系，其中，泊松比与孔隙度变化量呈正相关。
63.具体来说，在第一实验中，设定较小n和m值，n和m均≤10，设定球体的杨氏模量e与泊松比μ，杨氏模量和泊松比根据球体的材质而定，三种不同材料的杨氏模量e与泊松比μ见下表1所示。在球体的弹性变形范围内逐渐降低流体压力p，每个计算点降低5-8mpa，进行数值实验，可以通过abaques软件计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化。
64.具体来说，在第二实验中，设定较大n和m值，n和m均≥30，设定球体的杨氏模量e与泊松比μ，杨氏模量和泊松比根据球体的材质而定，在球体的弹性变形范围内逐渐降低流体压力p，每个计算点降低5-8mpa，进行数值实验，可以通过abaques软件计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化。
65.具体来说，在第三实验中，设定较大n和m值，n和m均≥30，设定球体的杨氏模量e，杨氏模量根据球体的材质而定，设置泊松比μ为0，在球体的弹性变形范围内逐渐降低流体压力p，每个计算点降低5-8mpa，进行数值实验，可以通过abaques软件计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化。
66.进一步地，第一实验、第二实验与第三实验中，球体材料相同，均选用橡胶球体、黏土球体以及石英球体中的任一种，球体的粒径为1mm。
67.在第一实验中，设定n＝10，m＝10，杨氏模量为50000mpa，泊松比为0.24，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止。
68.在第二实验中，设定n＝30，m＝30，杨氏模量为50000mpa，泊松比为0.24，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止。
69.在第三实验中，设定n＝30，m＝30，杨氏模量为50000mpa，泊松比为0，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止。
70.具体来说，对比第一实验与第二实验两次实验的孔隙度数值变化结果，分析得到表皮效应对孔隙度变化的影响；对比第二实验与第三实验两次实验的孔隙度数值变化结果，分析得到有约束变形对孔隙度变化的影响。
71.表1三种材料的力学参数
72.材料杨氏模量，mpa泊松比，小数夹持器封套(橡胶)1000.47
软矿物(黏土)50000.35硬矿物(石英)500000.24
73.在一个实施例中，绘制孔隙度随孔隙充填压力变化的曲线图，基于孔隙度变化量分别分析表皮效应与有约束变形对孔隙度变化的影响。
74.在一个实施例中，改变骨架颗粒变形模型的材料、球体数量、杨氏模量以及泊松比，逐步降低刚性流体的孔隙充填压力，计算球体变形情况以及骨架颗粒变形模型的孔隙度变化情况，分析得到表皮效应对孔隙度变化的影响以及有约束变形对孔隙度变化的影响。
75.在一个实施例中，骨架颗粒变形模型的球体材料为橡胶球体、黏土球体以及石英球体。
76.实施例一：
77.s11、构建n
×
n
×
m个球体紧密排列的立方堆积体模型，即为骨架颗粒变形模型，如图7。骨架颗粒位于不发生位移和变形的刚性约束体内，其中n和m为正整数；理论上n和m没有取值范围，可以在计算机的运算能力条件下，尽可能取较大数值，一般来说，n取值范围10～50，m取值范围10～50，超过或等于30为较大取值。
78.s12、将骨架颗粒变形模型的六个表接触壁面设定为恒应力边界，边界可发生位移，壁面为刚性无变形壁面；在立方堆积体内的孔隙充填压力为p的刚性流体，立方堆积体的上表接触壁面为刚性接触面，其向下移动对骨架颗粒加载上覆压力σ，σ大于p；作为优选的是，p取值为0.65σ。
79.s13、设定n和m值均等于10，设定石英球体(球体粒径1mm)的杨氏模量为50000mpa，泊松比为0.24，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止，进行数值实验，计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化，测试结果见图8，横坐标为孔隙充填压力p，单位为mpa；纵坐标为孔隙度φ，单位为％。
80.s14、设定n和m值均等于30，设定石英球体(球体粒径1mm)的杨氏模量为50000mpa，泊松比为0.24，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止，进行数值实验，计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化。测试结果见图9，横坐标为孔隙充填压力p，单位为mpa；纵坐标为孔隙度φ，单位为％。
81.s15、设定n和m值均等于30，设定石英球体(球体粒径1mm)的杨氏模量为50000mpa，设置泊松比μ为0，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止，进行数值实验，计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化，测试结果见图10，横坐标为孔隙充填压力p，单位为mpa；纵坐标为孔隙度φ，单位为％。
82.s16、对比步骤s13和步骤s14两次数值实验的结果，分析表皮效应对孔隙度变化的影响。可以看出，步骤s13的数值实验具有较大的表皮效应，同时拥有较大的孔隙度变化量，因此表皮效应是影响孔隙度变化的重要因素。对比步骤s14和步骤s15两次数值实验的结果，分析有约束变形对孔隙度的影响。可以看出，泊松比为0的实验结果表明孔隙度基本保持不变，因此可以认为孔隙度的变化主要来自颗粒的泊松比，即横向变形效应。
83.实施例二：
84.s21与s22与实施例一中的s11与s12相同，在此不再赘述。
85.s23、设定n和m值均等于10，设定黏土球体(球体粒径1mm)的杨氏模量为5000mpa，
泊松比为0.35，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止，进行数值实验，计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化，测试结果见图11，横坐标为孔隙充填压力p，单位为mpa；纵坐标为孔隙度φ，单位为％。
86.s24、设定n和m值均等于30，设定黏土球体(球体粒径1mm)的杨氏模量为5000mpa，泊松比为0.35，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止，进行数值实验，计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化。测试结果见图12，横坐标为孔隙充填压力p，单位为mpa；纵坐标为孔隙度φ，单位为％。
87.s25、设定n和m值均等于30，设定黏土球体(球体粒径1mm)的杨氏模量为5000mpa，设置泊松比μ为0，p初始给定值为40mpa，每个计算点降低5mpa，降低至20mpa为止，进行数值实验，计算每个球体的变形，计算球体堆积体的孔隙度变化，测试结果见图13，横坐标为孔隙充填压力p，单位为mpa；纵坐标为孔隙度φ，单位为％。
88.s26、对比步骤s23和步骤s24两次数值实验的结果，分析表皮效应对孔隙度变化的影响。可以看出，步骤s23的数值实验具有较大的表皮效应，同时拥有较大的孔隙度变化量，因此表皮效应是影响孔隙度变化的重要因素。对比步骤s24和步骤s25两次数值实验的结果，分析有约束变形对孔隙度的影响。可以看出，泊松比为0的实验结果表明孔隙度变化很微小，可以忽略不计，认定为基本不变，因此可以认为孔隙度的变化主要来自颗粒的泊松比，即横向变形效应。
89.综上，本发明提供的孔隙度影响因素测试方法采用有限元数值模拟方法，研究多孔介质本体变形过程中的骨架颗粒变形与孔隙度的变化，测试了表皮效应和有约束颗粒变形对孔隙度影响；常规测试孔隙度难以避免表皮效应的影响，常规孔隙度变化的分析局限在颗粒的无约束变形前提条件。测试的表皮效应会夸大孔隙度的应力敏感性，同时孔隙度的变化过程中颗粒是有约束变形的，本发明避免了现有技术的以上缺陷，通过多种组合试验，揭示了有约束变形以及表皮效应与孔隙度变化的关系。
90.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
91.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
92.虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。