📝 摘要
多相流特性的表征对于预测地下流体的大尺度行为至关重要。对小尺度非均质性的不充分表征已被认为是常规油藏模拟工作流程中的一个主要缺口。本研究系统评估了Jackson等人（2018）提出的工作流程在具有复杂孔隙度和毛管非均质性的岩石上的适用性。该工作流程以毫米尺度表征毛管非均质性，通过数值历史拟合岩心驱替实验，以3D饱和度分布为匹配目标，毛管压力特征为拟合参数。分析了五种具有明显非均质性的岩心的岩心驱替实验数据集：两种砂岩和三种碳酸盐岩。砂岩呈现层状非均质性，碳酸盐岩具有各向同性非均质性且尺度范围广泛。研究发现，工作流程的成功与否主要取决于X射线图像中非均质结构的解析程度。随着非均质性特征尺度的增加，表征工作流程的性能系统性提高。利用验证后的模型研究了尺度升级相对渗透率的流速依赖性。结果表明，碳酸盐岩样品中的各向同性非均质性导致了非单调行为——相对渗透率随流速增加先升高后降低。该工作强调了在小尺度非均质性表征中对地下流体流动进行表征的重要性，以及在此过程中面临的挑战。

🔍 关键词
毛管非均质性；岩心驱替；历史拟合；相对渗透率；碳酸盐岩；X射线CT

🖥️ CMG软件应用情况总结

项目 内容
所用软件 CMG IMEX（黑油模拟器）
模型类型 等温黑油模型，有限差分法
模拟对象 岩心驱替实验（5种岩心：Bentheimer砂岩、Bunter砂岩、Indiana石灰岩、Estaillades石灰岩、Edwards Brown白云岩）
流体系统 氮气/去离子水 或 CO₂/盐水
数据输入 3D孔隙度数据（医学CT图像处理）、毛管压力曲线（MIP实验）、相对渗透率曲线（高流速粘性极限实验）
历史拟合目标 3D饱和度分布（多级分流比下）
拟合参数 毛管压力特征（κ缩放因子场）
相对渗透率模型 Chierici函数形式
毛管压力模型 Brooks-Corey模型
评估指标 体素饱和度相关性（R²）、相对渗透率预测准确性

文中明确指出：使用CMG IMEX进行所有流动模拟，采用全隐式有限差分法求解控制方程（第2.2节）。作者感谢Computer Modelling Group（CMG）提供IMEX软件访问权限（致谢部分）。

📊 研究方法与工作流程

Jackson等人（2018）工作流程：

  1. 以高流速实验获得粘性极限相对渗透率曲线（假设全岩心均匀）

  2. 通过MIP实验获得平均毛管压力曲线（Brooks-Corey拟合）

  3. 基于CT扫描获得3D孔隙度分布

  4. 初始猜测：假设切片内毛管压力恒定，通过缩放因子κ将平均毛管压力曲线匹配到每个体素的饱和度观测值

  5. 迭代校准：将模拟的3D饱和度与实验观测对比，更新κ值，最小化目标函数

五种岩心的非均质性特征：

岩心 非均质性类型 特征尺度 工作流程成功度
Bentheimer砂岩 平行于流动方向的单层层状 大尺度 ✅ 成功
Bunter砂岩 垂直于流动方向的层状 约3 mm厚度 ✅ 成功
Indiana石灰岩 各向同性胶结 约1 mm ❌ 失败
Estaillades石灰岩 各向同性胶结 约1 cm ⚠️ 部分成功
Edwards Brown白云岩 大区域低孔带 多厘米 ✅ 成功

κ缩放因子分布（图2）：

  • Indiana石灰岩：0 < κ < 700（范围最大），表明局部毛管入口压力可达平均值的700倍

  • Estaillades石灰岩：0.5 < κ < 2（范围最小）

  • Edwards Brown白云岩：κ呈渐变分布，低孔区域对应高κ值

🧪 主要结果

体素饱和度相关性（R²）：

岩心 实验vs模拟R² 相对渗透率预测
Indiana石灰岩 差（图3a） 严重低估（k_rw低估约100倍）
Estaillades石灰岩 0.75（图3c） k_rg低估，k_rw曲线偏移
Edwards Brown白云岩 中等但空间分布重现（图3e） 良好预测低流速相对渗透率

失败原因分析：

  • Indiana和Estaillades的亚分辨率孔隙度（微孔隙）导致CT图像无法解析控制流体行为的关键特征

  • 高κ值范围表明优化试图补偿解析不足，但未能改善匹配

  • 特征尺度与体素分辨率之比：Bunter砂岩在z方向为1:1，这是成功的最低要求

流速依赖性相对渗透率（图4）：

  • Bentheimer砂岩（平行层理）：气相相对渗透率相对于粘性极限曲线升高

  • Bunter砂岩（垂直层理）：两相渗透率均降低，随流速增加而增加

  • Edwards Brown白云岩（各向同性非均质性）：出现非单调行为——随流速增加，相对渗透率先升高后降低（Virnovsky等人2004年假设的行为首次得到验证）

扩展方法测试：

  • 将粘性极限相对渗透率也作为拟合参数进行纯经验匹配

  • 结果：失去了Edwards Brown样品的预测能力

  • 结论：必须基于物理机制（将大量数据集整合）而非纯数值匹配来构建模型

✅ 主要结论

  1. Jackson等人工作流程在非均质性特征被CT图像充分解析时成功，在砂岩中表现良好，在碳酸盐岩中成功与否与特征尺度正相关。

  2. Indiana和Estaillades的亚分辨率孔隙度导致表征失败，表明医学CT分辨率（约1 mm）不足以捕捉这些碳酸盐岩的控制性特征。

  3. 使用相对渗透率作为拟合参数的纯经验方法会导致预测能力丧失，强调了在历史拟合中整合物理机制和大量数据集的重要性。

  4. Edwards Brown白云岩中的各向同性非均质性导致了相对渗透率的非单调流速依赖性——这是首次在实验验证的模型中观察到Virnovsky等人（2004）假设的行为。

  5. 该工作既强调了捕捉小尺度非均质性对表征地下流动的重要性，也指出了在此过程中面临的挑战。

🏛️ 作者及单位信息

作者 单位
Nele Wenck 帝国理工学院（Imperial College London），地球科学与工程系
Samuel J. Jackson CSIRO Energy，Clayton South, VIC, Australia（前帝国理工学院）
Sojwal Manoorkar 帝国理工学院，地球科学与工程系
Ann Muggeridge 帝国理工学院，地球科学与工程系
Samuel Krevor 帝国理工学院，地球科学与工程系

通讯作者：Nele Wenck（nele.wenck15@imperial.ac.uk）
收稿日期：2021年6月10日
录用日期：2021年8月28日
期刊：Water Resources Research（AGU）

致谢：

  • Computer Modelling Group（CMG）提供IMEX软件访问权限

 
 
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