Petrophysics 2021年第5期论文摘要翻译
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黏结剂饱和度是3D打印砂岩孔隙度变化的控制因素
Kevin J. Hodder, Kaylee Craplewe, Sergey Ishutov and Rick Chalaturnyk
粘结剂喷射添加剂制造（BJ-AM）是一种快速发展的3D打印技术，其中粉末材料的使用范围正在扩大。在BJ-AM领域，石英砂的使用越来越受欢迎，并已被证明在地球工程的应用方面具有很高的复制自然材料物理化学性质的潜力。孔隙度的一致性对于应用于实验测试的3D打印样品至关重要，原因是样品间的均质性在实验测试中会提供无限的可能。粘合剂饱和度是主要的用户设置参数之一，它控制着尺寸公差和孔隙度间的比值。然而，粘合剂饱和度是在打印机软件内部被计算的，它依赖于几个假设，其中最重要的物理层面是液滴间距。通过保持液滴体积恒定和改变液滴间距，可以更好地控制其饱和度。更高的饱和度可以降低孔隙度，增加圆柱形样品的圆度，但是总的来说，细微特征的尺寸公差被降低了。本研究改进了3D打印岩石，以表征天然砂岩中观察到的孔隙度和地质力学性质。【译者：朱冰倩 校稿：肖文联，西南石油大学】
通过图像处理和3D打印增强岩石物理基本概念的学习
Nayef Alyafei , Rashid Al Musleh , Jerahmeel Bautista , Mohamed Idris , and Thomas Seers
我们设计了一个多维视觉学习项目，其首要目的是通过围绕一套水驱实验图像的分析练习，更好地帮助本科生理解岩石物理学的基本概念。更确切地说，在本项目中，我们聚焦于与岩石孔隙中圈闭流体相关的概念。为了达成这一目标，我们使用并3D打印出了八个具有独特内部结构的不同的孔隙网。这些模型是用透明树脂打印的，以展示岩石模型内部的流体运动。流体在3D打印模型中的流动被高清摄像头记录下来，并拍摄了静态图像。随后，石油工程专业的本科生被分配了一组练习，以指导他们分析孔隙网络模型图像。学生们通过开源图像分析软件（Fiji）进行了分析，以帮助探索和更好地了解基本的岩石物理性质：孔隙度、流体饱和度、润湿性、粒度分布和驱替效率。我们对学生进行了调查，以评估这些练习在提高他们对这些概念的理解中的有效性。调查结果显示，基于项目的学习练习能有效地帮助学生更好地理解难以掌握的岩石物理概念，因为通过捕获的水驱实验图像和相应的分析，本项目可以更加清晰地给出视觉体现。这种独特视觉学习体验的另一个好处是鉴于在全球新型冠状病毒的大流行下，本项目能轻松地实现远程交付，以遵守安全措施。【译者：朱冰倩 校稿：肖文联，西南石油大学】
基于3D打印技术的碳酸盐岩储层孔隙原始尺寸复制技术
Sergey Ishutov , Kevin Hodder , Rick Chalaturnyk , and Gonzalo Zambrano-Narvaez
3D打印是一种强大的工具，可实现对天然多孔岩石的可视化、复制和实验。100多年来，天然岩石一直是研究碳氢化合物、温室气体和水等流体如何通过其多孔系统的重点。当试图复制天然多孔介质的孔隙结构时，规模和分辨率是当前3D打印方法最具挑战性的因素之一。许多3D打印技术在制造过程中都有分辨率的限制，这使得以1:1的比例复制特征几乎成为了不可能。一项正在开发的新技术使用双光子光刻和紫外光固化树脂，可以实现纳米特征的3D打印。然而，这项3D打印技术面临的主要挑战是结果模型的小尺寸（每个方向小于20毫米）。本技术报告给出了如何在微米尺度上制造碳酸盐岩复制品的详细的工作流程。为了测试这套流程，我们从墨西哥的一处储集岩岩心的层析数据中得到了孔隙网（直径为1mm，高度为2mm），并将其按照原始尺寸3D打印出来。我们将该复制品进行了层析和扫描电子成像，以验证孔隙几何形状的准确性。将平版印刷技术应用到涉及流体流动和变形的多尺度、多物理模型的新型岩石实验中，为更可控地预测储层流体动力学、碳捕获与存储，以及连续介质力学提供了前所未有的机会。【译者：朱冰倩 校稿：肖文联，西南石油大学】
3D打印泥岩：将粘土作为3D打印多孔微模型构建材料的验证实验
Franciszek Hasiuk and Chris Harding
3D打印技术可将数字3D设计变为真实的、实验室可测的物体。当现如今3D打印在塑料和颗粒材料方面已经变得很平常时，可以使用类似粘贴的材料进行3D打印新的设备也已被开发了出来（例如：黏土、硅酸盐水泥、食物）。 本研究以简单的岩心塞大小的模型为特征，以评估该技术是否可以应用于制作泥岩的3D打印模拟物。大多数模型被设计成固体，直径为25毫米的圆柱体，高度为25毫米两种不同类型的粘土（Limoges粘土和ISU粘土）。模型打印在台达WASP 60100与台达WASP低密度材料挤出机套件。
模型在干燥后的尺寸损失可以忽略不计，但在第一次烧制后收缩相当大（高度和直径损失8% - 12%）。第一次焙烧后，质量损失为8%到11%；第二次焙烧产生5% - 6%的高度和直径损失，0.1% - 0.2%的质量损失。Limoges粘土制成的模型在干燥后孔隙率从~39%降低到~7%，在第一次焙烧后降低到~1%。在~36%至 ~23%至~10%的焙烧过程中，ISU粘土的孔隙率降低幅度较小。通过汞孔隙度测量，模型在高达33000 psi （~230 MPa）的情况下没有变形的迹象。每次焙烧后，孔喉尺寸分布趋于单峰型。对于Limoges 粘土，模态孔喉尺寸在每次射击后减小，在第二次射击后达到功能零。ISU粘土的模态孔喉尺寸在第一次焙烧后增大，第二次焙烧后减小，但没有减小到干燥试样的模态尺寸。
孔喉尺寸分布与致密砂岩和页岩相似，表明该研究中概述的方法可以用于实验室实验制作类似的孔隙结构；但需要注意的是，需要评估模型的表面物理性质（例如，需要对模型的润湿性），以了解它在多大程度上再现了天然岩石表面的特性。【译者：朱冰倩 校稿：肖文联，西南石油大学】
砂岩三维动态数字岩石的分形表征与岩石物理分析
赵培强, 骆淼, Dong Li, Yuqi Wu, 毛志强, and Mehdi Ostadhassan
综合研究多孔介质中的微观结构和渗流能力的关系是至关重要的。分形几何的物理参数可以分析岩石的孔隙结构，而渗透率和电导率可用来研究岩石的渗流能力。在本文中，我们首先创建了9种不同砂岩的三维动态数字模型，这些砂岩具有不同的粘土含量、胶结物和长石中发育的粒内孔隙；并且这9个模型被分成了3 组。然后，我们计算了不同模型的分形维数、缺项、进相、渗透率和电学性质，并研究了它们之间的关系。我们利用分形参数来解释流体流动与孔隙结构的相关性，这是岩石的主要岩石物性特征之一。结果表明，胶结指数m和分形维数的确定系数为0.869，而胶结指数与孔隙度、进相的确定系数分别为0.784和0.781。这说明分形维数和胶结指数可描述孔隙的复杂程度。渗透性与进相之间的确定系数为0.975，比渗透率和分形维数或孔隙度间的确定系数要高。地层因素F与进相的确定系数为0.957，高于地层因素与分形维数或孔隙度的确定系数。总而言之，岩石物理参数，尤其是渗透率，与进相有较强的相关性，说明这个之前较少使用的分形参数可作为表征孔隙空间和孔隙网络连通性的良好衡量标准。【原作者提供】
未胶结砂岩油气藏孔隙压缩性：源于室内实验制作的类似填砂模型的认识
Lori A. Hathon , Michael T. Myers , and Abhishek Arya
孔隙体积的压缩性是疏松砂岩油藏生产的一个基本的驱动力。当直接测量岩心不可取时，需要对压缩系数进行预测。砂岩储集层的许多特征是同时改变的。出于这个原因，对可压缩性的控制很难分离和解释。我们使用实验室制造的疏松砂岩得出了压实试验的结果。在这些模拟砂岩中，我们一次改变一个结构或矿质学参数以研究该参数对实测压实性能的影响。
最初，我们使用了不同粒度的简单石英颗粒块。随后我们研究了其他参数，包括颗粒充填、棱角、分选、长石含量、延性颗粒含量、小体积分散粘土和应力作用下的初始样品预处理，许多不同类型的样本被创造并被测量，这使得测试可以在几个中等应力处停止，并使用2D和3D成像和图像分析技术对样品进行检查。
对于单矿物石英砂岩块，颗粒大小是压缩性的主要控制因素。随着主要颗粒大小从150微米增加到450微米，峰值压缩性从6微孔增加到24微孔。可压缩性峰值时的衰竭应力从8000 psi降至2500 psi。增加颗粒倾角可增加压缩性，但影响较小。对150微米的石英而言，增大倾角可使压缩性从圆形石英的6微孔增加到角状石英的10微孔，并降低了达到可压缩性峰值所需的衰竭应力，从8000 psi至7000 psi。当从良好分选降到中等偏差分选时，可压缩性降低，曲线随衰竭应力而变宽。
添加小体积的长石(或其他可裂开的矿物)比粒径变化带来的变化更能增加可压缩性，这说明了骨架颗粒组成的重要性。添加同样体积的韧性颗粒，其可压缩性的增加与观察到的长石相似。然而，当韧性颗粒的大小比相关石英大时（例如本地衍生的破碎碎屑岩），压缩性会显著增加。
为了验证实验工作，我们将实验室生成的砂岩的单轴孔隙体积压缩试验结果与类似结构和矿物学的地下样品的测量结果进行了比较。压缩曲线的形状和压缩系数的大小都被成功地复制出来。我们推断当无法获得完整的地下样品进行测量时(例如，只获得冲击井壁样品)，只要知道矿物学和结构，实验室创造的砂岩可以提供合理的估算地下砂岩可压缩性的指标。【译者：朱冰倩 校稿：肖文联，西南石油大学】
流体对三维打印各向异性岩石模型弹性特性的影响
Suresh Dande , Robert R. Stewart , and Nikolay Dyaur
实验室物理模型无论是在理论上还是在现场尺度上都在理解岩石性质和波的传播方面起着重要的作用。在一些情况下，3D打印技术可被用来更快地建立复杂岩石模型，也更廉价，同时具有比以前的模型构建技术更具体的功能。在本研究中，我们使用3D打印岩石模型帮助理解具有不同弹性性质的模型中不同流体（空气、水、润滑油、石油、甘油）的作用。我们首先使用3D打印的1英寸的立方体分层模型。这个被创造的模型原生孔隙度为6%、体积密度为0.98g/cc，具有VTI各向异性。接下来，我们使用了一个类似的立方体，但在其中嵌入了水平层状物，这使得其具有24%的孔隙度（包括原生孔隙度）。对于空气到液体的饱和，在两种模型中，所有液体的p-速度都有所增加，其中甘油的p -速度增幅最大(57%)，嵌入层状物的模型中其他液体的p-速度增幅约为45%。对于夹杂物模型（干的和饱和的），我们观测到两个正交偏振横波速度（Vs1和Vs2）之间的差异大于两个纵波速度（V0 p和V90 p）之间的差异。我们将其归因于S2波（垂直于层状和水平包裹体平面的偏振），它似乎对水平夹杂物比P波更敏感。对于夹杂物模型，Thomsen p波各向异性参数(ε)从空气箱的26%降低到水饱和立方体的4%，甘油饱和立方体的1%。框架体模量与孔隙流体之间的微小差异显著降低了介质的速度各向异性，使其几乎各向同性。我们对比了实验结果与理论，发现利用Schoenberg的线性滑移理论结合Gassmann的各向异性方程进行的预测比Hudson的各向同性计算更接近实际测量值。这项工作为了解弹性岩石性质和不同流体饱和度下的波传播提供了3D打印模型的实用性。【译者：朱冰倩 校稿：肖文联，西南石油大学】
节理粗糙度对含非持久节理3D打印样本剪切行为的影响
Sayedalireza Fereshtenejad , Jineon Kim , and Jae-Joon Song
本文的目的是研究3D打印技术的适用性，以评估节理粗糙度对非连续间断薄弱面剪切强度的影响。产生三个圆盘形剖面，使接头具有低、中等和高水平的粗糙度。基于粉末的3D打印技术被用于提供两种类型的样本：A型样本（节理样本）和B型样本（非持久型节理样本）。打印A型样本用以评估3D打印节点的剪切行为，打印B型样本用以研究岩桥内聚力对部分非连续位面的剪切力贡献。出于对比的目的，一些包含非连续性节理的石膏样本也被铸造了出来。对于A类型、B类型和石膏样本的三个系列的直接剪切实验在恒定的正常负载条件下进行。分别研究了正应力和节理粗糙度这两个参数对3D打印试件剪切性能的影响，并计算了它们之间的联系。实验结果评估表明，B型样本的节理粗糙度与外加正应力之间存在双向相互作用。我们将从石膏样本中获得的结果与B类型的结果进行了对比，对比显示，尽管三维打印试件的峰前和峰后特性与石膏试件不同，但能较好地反映节理粗糙度和正应力对部分不连续面抗剪强度的影响。【译者：朱冰倩 校稿：肖文联，西南石油大学】