Моделирование синтетического капиллярного давления с использованием дипольных сейсмических волн для улучшенной характеристики месторождений

Почему поры в горных породах важны для энергии и воды

Глубоко под землей нефть, газ и вода перемещаются по крошечным пространствам между зернами породы. Размер и форма этих пор контролируют, насколько легко жидкости могут храниться и добываться; их отражают «кривые капиллярного давления», на которые опираются инженеры при планировании скважин и управлении месторождениями. Однако измерение этих кривых обычно требует дорогостоящих и длительных лабораторных испытаний на редких керновых образцах. В этой работе предложен способ синтетически строить капиллярные кривые, используя только звуковые волны, записанные в скважинах, и математически реалистичное представление о сети пор в породе.

Слушая породы вместо того, чтобы резать их

Традиционные исследования месторождений сильно зависят от кернов: цилиндрических образцов породы, извлечённых из недр и исследуемых методами, такими как ввод ртути или центрифугирование. Эти испытания показывают, как жидкости входят и покидают поры при разных давлениях, но требуют бездефектных образцов, специализированного оборудования и значительных времени и затрат. Во многих месторождениях кернов мало или их вовсе нет, и остаются важные вопросы о пористости, проницаемости и распределении флюидов. Напротив, каротажные измерения—особенно дипольные сонические—регулярно выполняются вдоль всей длины ствола скважины. Эти инструменты посылают продольные (P) и поперечные (S) волны в пласт и регистрируют их скорость, предоставляя богатое, но косвенное окно в жёсткость породы и её внутреннюю структуру.

Построение реалистичной картины сети пор

Авторы связывают сонические измерения с геометрией пор через вычислительную модель, которая рассматривает поры как крошечные полости, встроенные в упругую матрицу. Они описывают формы пор смесью простых «евклидовых» форм (таких как гладкие круглые или звездообразные отверстия) и более сложных «фрактальных» структур, имитирующих шероховатые, ветвящиеся контуры, наблюдаемые на изображениях песчаников в электронном микроскопе. С помощью метода граничных элементов они моделируют, как эти смешанные популяции пор деформируются при изменении давления, и по этой реакции выводят объёмные упругие свойства и пористость. Ключевое достижение — введение фрактальных законов масштабирования для популяции мелких пор: вместо допуска многих различных распределений пор, которые все соответствуют одним и тем же упругим данным, модель заставляет число пор каждого размера следовать измеряемому, повторяемому закону. Это значительно уменьшает давнюю проблему, когда очень разные структуры пор выглядят одинаково для сонических волн.

От формы пор к капиллярному поведению

Когда правдоподобная сеть пор установлена, система конвертирует её в кривую капиллярного давления. Сначала она соотносит накопленный объём пор с насыщением флюидом, считая общую пористость заполненной на 100%. Затем она переводит периметр каждой поры в «эквивалентный радиус горловины» — наибольшую окружность, которая может поместиться в отверстии поры — с помощью численных методов, отслеживающих вписанные окружности вдоль длинной оси поры. Применение стандартного физического соотношения между радиусом горловины и капиллярным давлением превращает всё распределение размеров пор в предсказанную капиллярную кривую. Поскольку фрактальные правила связывают изобилие мелких, легко деформируемых пор с наблюдаемым упругим поведением, полученная кривая не просто подгонка под данные; она является прямым следствием геометрии пор, необходимой для соответствия соническим записям.

Тестирование метода на реальных месторождениях

Исследователи применили свой подход к двум песчаниковым коллекторам с очень различными наборами данных. В нефтяном месторождении Tapi–TTT в Эквадоре некоторые каротажи отсутствовали, поэтому они восстанавливали пористость и плотность, используя установленные соотношения между временем распространения сейсмической волны и свойствами породы. В формации Las Piedras в Венесуэле была доступна более полная и высокого качества каротажная съёмка. В каждом случае они калибровали упругую модель по дипольным соническим данным, строили смешанную евклидово–фрактальную популяцию пор и генерировали синтетические кривые капиллярного давления, полученные методом введения ртути. Эти кривые хорошо повторяли лабораторные измерения, отражая не только общую пористость, но и ключевые особенности, такие как доля крупных «мегапор», необратимая водонасыщенность и переход от связанного к свободному флюиду. Ошибки оставались в пределах нескольких процентов для фрактальных размерностей, характерных для песчаников, а отклонения увеличивались только когда фрактальные параметры выходили за пределы диапазона, поддерживаемого независимыми изображениями.

Что это значит для будущих исследований недр

Практическое послание для неспециалиста в том, что инженеры всё чаще могут «услышать» то, что порода сказала бы им в лаборатории, не извлекая её на поверхность. Сочетая реалистичные фрактальные описания стенок пор с хорошо установленной акустической физикой, этот метод превращает рутинные сонические каротажи в синтетические кривые капиллярного давления, которые хорошо согласуются с лабораторными эталонами. При достаточном покрытии каротажами он предлагает более быстрый, дешёвый и шире применимый альтернативный подход по сравнению с традиционными керновыми испытаниями, особенно в месторождениях, где образцы редки или их трудно обрабатывать. Хотя текущее исследование сосредоточено на чистых, хорошо цементированных песчаниках, авторы описывают, как ту же стратегию можно распространить на некоторые карбонаты и аргиллиты после измерения их фрактальных свойств, что обещает более широкое применение этой «виртуальной лаборатории» в будущих энергетических и водных проектах.

Цитирование: Galarza-Alava, J., Mendoza-Sanz, J. Synthetic capillary pressure modeling with dipole sonic waves for enhanced reservoir characterization. Sci Rep 16, 11697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47717-x

Ключевые слова: капиллярное давление, дипольные сонические каротажи, фрактальная структура пор, характеризация месторождений, пористость песчаника