Petrophysics 2024年第3期论文摘要翻译
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本期摘要【译者：聂昕、董明宇、孙传瑞、邓雨薇、徐雯、侯玉龙、刘森、梅前哲、马家驹，校稿：聂昕，单位：长江大学】
在地质探测中使用核测井技术助力低碳能源未来—一个新前沿？
Ahmed Badruzzaman
本文探讨了在石油工业中广泛应用的核测井技术在提取地质信息方面的潜力，这些信息对于支持向取代化石燃料的低碳能源未来的过渡是必需的，并拓展了所需要的相应技术进展。到目前为止，利用蒙特卡洛模拟和现有测量进行的评估显示了在以下方面的前景：（1）监测注入的二氧化碳以进行碳捕获与封存（CCS）从而减缓气候变化；（2）评估高放废物埋藏地点以支持核能发电并在后期监测埋藏的放射性废物；（3）在作为一种可再生资源的地热能方面的应用。尽管标准技术是可靠的，但对于每种应用场景也存在技术上的差距。此外，本文还对支持可再生能源发电的两个假定的低碳领域进行了简要探讨——井下战略矿物的定量以及地质中天然存在的氢气的预测和识别。
本文还探讨了三个相关的技术领域：从当前核测井工具设计的双轨基本原理过渡到紧凑且更通用的基于先进加速器的多参数工具概念，结合人工智能指导的物理健康管理系统以最小化发电机故障，以及在发电/检测硬件和软件方面的进步。软件方面的进步将包括动态可视化代码和改进的核数据库，用于设计、校准和评估工具，特别是提供预测的新型系统中各种辐射类型的时空分布轮廓。
本文还简要探讨了最近提出的两个用于井下的创新概念：用于监测储存甲烷和氢气的井筒完整性的关联粒子成像和基于μ因子的深密度探测。
支持寻找黏土核储存库的岩石物理分析
Joachim Strobel
德国放射性废物处理联邦公司（Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH，简称BGE）负责确定德国用于储存高放射性废物的地下储存库地点，并确保在至少100万年内提供最佳安全性（StandAG，2017）。选址过程分为三个阶段，在第一阶段的第二步中，约有90个潜在合适的子区域正在通过个别代表性的初步安全评估进行评估。这些子区域覆盖了所有类型的潜在封闭岩石：异地和原地岩盐、黏土岩和结晶岩。对于像黏土岩或原地岩盐这样覆盖广阔区域的主岩石进行如此全面的评估是具有挑战性的。
估计地点搜索过程中参数的步骤之一是需要分析目标区域及其附近的大量测井数据。不幸的是，计算这些参数比看起来更复杂。伽马测井长期以来一直是岩石物理学家的主要工具，但它们无法量化黏土的特性。核磁共振和中子测井提供了关键信息，但在老井中很少见。数十年的研究已经提供了从电阻率测井中计算湿黏土孔隙度的良好算法，但将其反演为孔隙度和曲折度仍然具有挑战性。另一个基于测井获得的参数是地层的均质性，它量化了测井曲线的粗糙度。利用垂直变程图或可变滤波技术可以实现这一点。
地下多孔介质中的氢气储存：岩石物理学的潜在作用
Esuru Rita Okoroafor , Lokesh Kumar Sekar, and Henry Galvis
本研究的目的是展示影响地下储氢关键地质情况和油藏工程参数，展示一些岩石物理数据的价值，并揭示氢气在枯竭气田和盐水含水层之间储存在储层和地质力学建模方面的差异。我们利用数值模拟建模来创建一个合成储层基准模型，该模型准确地反映了多孔介质中与地下储氢相关的流体动力学条件。然后进行两步敏感性分析。首先我们确定了显著影响多孔介质中氢气储存和流动的关键参数。随后，我们分析了地下氢气储存对地质力学的影响。此外，我们还比较了氢气储存与天然气储存的行为。研究表明，储层深度或当前压力、储层倾角和流动能力是影响氢最优提取的前三个关键因素。研究还表明，岩石位移和应力变化是需要重点监测的方面，而应变变化则相对不显著。假设注氢过程发生在临界应力的岩石中，相比于枯竭气田中的氢气储存，甚至相比于在枯竭气田中的天然气储存，盐水层中的氢气注入和抽取有更大的概率可能导致微地震活动性发生。这项研究量化了数据的不确定性，并指出了岩石物理测量可以减少地下储氢关键参数的不确定性的区域。研究还确定了多孔介质中氢气储存测量方面的不足。这些具有较大不确定性的参数对于选择氢气储存的最佳地点以及在监测多孔介质中的地下氢气储存时检测地下完整性问题至关重要。
地壳-地幔过渡带自动地质相分析
Chiaki Morelli , Shiduo Yang, Yuki Maehara , Huimin Cai , Kyaw Moe , Yasuhiro Yamada, and Juerg Matter
2017年至2018年，阿曼钻井项目作为国际大陆科学钻井计划(ICDP)的一部分进行，在该计划中钻了几个钻孔，包括四个穿过壳幔过渡带的钻孔（Matter et al.， 2019;Kelemen et al.，2020;Takazawa, 2021）。在取心钻孔附近获得了全套小井眼和常规电缆测井以及高分辨率井眼电成像和地球化学光谱测井(Ellis和Singer, 2007;Liu, 2017)。从取心钻孔中获取了完整的岩心样本，并进行了各种人工岩心分析，花费了大量的时间和精力来创建详细的岩心描述。地质相的识别是认识复杂壳幔过渡带的关键。如果能够使用自动化方法从现有测井数据中实现这种相识别，将优化操作成本和分析时间。这将有助于未来由国际海洋发现计划(IODP)计划的科学超深海钻探Mohole to Mantle (M2M)项目(Umino, 2015;Moe et al., 2018)。
我们提出了一种自动地质相分析(FaciesSpect)方法，该方法使用了阿曼钻井项目的钻孔图像和其他岩石物理测井数据。在现有测井资料中，选取了井眼图像(动态彩色标度的电阻率成像图像)和地球化学光谱测井资料中的两条测井曲线(Fe和Ca)进行自动相分析。使用该方法从选定的测井数据中对15个簇进行了分类。簇状分布趋势与岩屑和岩心岩性一致，显示出3个主要岩性带：橄榄岩、辉长岩和方辉橄榄岩。
采用两种自动相分析方法，即基于类的机器学习和非均质岩石分析，将结果与FaciesSpect进行比较。这些都是行之有效的方法，可以验证较新的FaciesSpect方法结果。比较了三种不同方法的分类结果。它们在主要岩性变化边界处匹配。由于使用井眼图像数据作为一种输入形式的优势，通过岩心数据校准的FaciesSpect类结果不仅可以匹配岩心岩性变化，还可以匹配纹理变化，如块状、层状、严重蚀变、变形和裂缝。
本文首次将自动相分析方法应用于壳幔过渡带的一口复杂科学钻井。结果成功地识别出了不同的岩性，如橄榄岩和方辉橄榄岩，它们具有很高的制氢潜力，是无排放可再生能源的重要资源。我们验证了FaciesSpect方法对于快速了解整体岩性和结构趋势(如裂缝、变形和块状层段)是有用的。FaciesSpect方法还可以节省分析时间，并为石油评价以外的不同目标提供适合的结果，而不依赖于解释人员的个人经验。高分辨率井眼图像和地球化学光谱测井是本研究自动相分析的重要输入。
利用深度学习高效解释随钻测井成像数据
Attilio Molossi*, Giacomo Roncoroni, and Michele Pipan
随钻测井（LWD）井眼图像是支持地层表征和钻井操作的重要数据。这些数据的手动解释是一项耗时的任务，并且因不一致性和不确定性而受到限制。我们提出了一种基于深度学习（DL）的监督方法来自动关联低分辨率LWD图像记录中的地质特征。此外，我们测试了标准学习（SL）和课程学习（CL）两种学习策略，以批判性地分析它们在合成数据和现场数据应用中的差异。我们的结果显示，这些深度学习（DL）模型可以有效取代人工在倾角拾取中的工作，同时强调了人工干预以验证以及分类相关特征的重要性，证明了半自动范式的实用性。
利用二维T1-T2核磁共振确定烃源岩的油水饱和度
Stacey Althaus, JinHong Chen, Qiushi Sun, and J. David Broyles
二维（2D）T1-T2核磁共振被广泛认为是一种确定非常规烃源岩中流体赋存的方法。然而，迄今为止，二维T1-T2 NMR图谱中各成分含量的确定都是基于概念上的考虑，缺乏严谨的实验验证。许多文献中说明了确定不同成分的方案，可能会引起误导。例如，在二维T1-T2核磁共振中，较大的T1/T2峰被认为是小孔隙中的流体通过偶极弛豫与干酪根固体耦合。通过最近进行的500MHz核磁共振弛豫实验，我们发现，纳米约束流体与固体基质之间的偶极弛豫并不足以支持这种大T1/T2峰的解释。本文旨在使用二维T1-T2核磁共振确定从烃源岩中获得哪些高可信度的定量数据。研究发现，在保存完好的烃源岩样品中，可以准确测量油水饱和度。
在12 Mhz的核磁共振仪器上利用反演-恢复CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脉冲序列对一个烃源岩储层五口井中的保压岩心柱塞样进行了二维T1-T2核磁共振数据采集。使用优化反演软件MUPen2D对获取的2D数据进行反演处理。然后，使用自行开发的NMR MATLAB应用程序从二维T1-T2核磁共振数据中获取了岩心柱塞样中的油水含量。所有岩心样品的孔隙度都是用NMR和气体孔隙度测定（CNG）组合方法测量的。此外，还使用了石油天然气研究所（GRI）开发的行业标准方法，对柱塞样附近的岩样也进行了油水饱和度测量。
使用二维T1-T2核磁共振和CNG测量的岩样的油水饱和度与使用粉碎岩石和侵入式清洁程序的GRI方法得到的结果一致。结果表明，利用二维T1-T2核磁共振可准确测定烃源岩样品的油水饱和度，且具有较高的可信度。核磁共振方法是无损和非侵入性的，测量一个保压的烃源岩样品只需不到4小时，而GRI方法是破坏性和侵入性的，可能需要数周才能准确测量一份样品。测量的结果可以结合测井数据进一步用于确定烃源岩井的生产潜力。
页岩中预制孔-断裂组合缺陷的损伤和破坏过程研究
Han Jiang*, Zhan Qu, and Weihang Liu
油气藏的岩层主要由层状页岩组成，其中含有孔隙和裂缝等各种缺陷。这些缺陷对井壁的稳定性有重大影响。因此，本研究利用了来自特定油气藏的岩石样本，并在其中引入了预先存在的孔隙和裂缝缺陷。对裂缝与基底面之间存在不同角度的岩石样本进行了单轴压缩试验。研究包括测量和分析预先存在的缺陷形态对页岩机械性能的影响。此外，通过使用数字图像相关（DIC）技术，获得了全面的应变场图，描述了页岩表面裂缝在负载条件下的产生、扩展和最终破坏。这样就可以对页岩的破坏和失稳过程与应变场演变之间的联系进行定性和定量分析。最终，本研究为页岩油气田的井筒稳定性和开发提供了理论依据。研究结论如下。随着断裂角的增大，岩石的弹性模量逐渐增大，抗压强度和应变都呈现出两端高、中间低的模式。当裂缝角度小于30°时，断裂顶端会出现明显的应力集中。当角度超过60°时，孔隙周围的应力集中占主导地位。在30°至60°之间时，孔隙和断裂周围会出现应力集中，大大降低了岩石的稳定性。裂缝的扩展受基底面的影响，并表现出不同程度的延展性，最终导致拉伸-剪切混合破坏。当裂缝平行于层面（角度= 0°）时，缺陷对称分布，应力集中在裂缝尖端，导致裂缝从裂缝尖端开始，最终形成 "H "形拉伸破坏。当断口垂直于层面（角度= 90°）时，孔隙周围的应力集中大于裂缝尖端，导致裂隙在孔隙周围产生，并最终在裂缝的一侧崩塌。
利用MICP分析建立R35和分形联合岩石分型新方法：以伊拉克中东部为例
Guanghui Duan, Zhiqi Zhong*, Meiyan Fu, Jiacheng Xu, Ya Deng, Can Ling, and Keran Li
碳酸盐岩储层表征对于理解复杂孔隙结构和渗透率具有重要意义。虽然绝对孔喉半径(APTR)和R35在孔隙尺度岩石分型中被广泛接受，但它们无法提供详细的孔喉分布(PTD)信息。为了解决这一限制并增强岩石分型中的PTD指示，我们引入了一种新的方法- R35和分形联合岩石分型方法，该方法纳入了一个新的参数Dn(分形维数)。该方法是基于对中东地区(特别是伊拉克)20个碳酸盐样品的压汞毛细管压力(MICP)数据的分析而开发的。我们深入讨论了APTR和R35方法，采用PTD和薄片图像来全面了解岩石分型。我们的方法结合了一个完整的基于曲线分形的模型来确定分形维数Dn。分析表明，各R35岩石类型随着Hg侵入峰变高，孔喉半径变宽，Dn均呈降低趋势，为岩石样品内孔隙分布提供了有价值的信息。此外，我们引入通过二维(2D)分形分析得到的典型孔隙在二值薄切片图像表面分形维数Ds对分析进行了扩展。Dn的降低趋势与Ds分析结果一致，验证了参数Dn在捕获碳酸盐地层复杂孔隙结构方面的有效性。研究结果表明，参数Dn可能作为岩石分型的独立标准而并不需要R35或APTR预分型。Dn作为孔隙分布和复杂性指标的多功能性展示了其对提高对碳酸盐岩储层认识的重要性。建议下一步研究中通过额外的分形分析进行更深入的探索，以确立参数Dn在不断发展的岩石分型领域中的关键作用。