基于颜色识别技术的海洋水合物储层重建及开发模拟分析

《Energies》：Reconstruction and Exploitation Simulation Analysis of Marine Hydrate Reservoirs Based on Color Recognition Technology Wenjia Ma, Si Huang, Yanhong Wang and Shuanshi Fan

　　

天然气水合物作为一种储量丰富的潜在能源资源，广泛赋存于海洋沉积物中。本文提出了一种利用颜色识别技术重建海洋水合物储层的新方法。该方法通过识别研究区域网格内图像颜色的红、绿、蓝（RGB）数值，对其进行赋值并转换为地质参数。随后，将这些参数输入计算机建模集团（Computer Modeling Group，CMG）软件中以建立异质性储层，并开展数值模拟。结果表明，该方法成功建立了颜色特征与地质参数之间的对应关系。重建后的模型图像与原始图像具有高度一致性，从而能够实现参数的精确读取。该方法被应用于南海第二轮试采区、神狐SH2区以及南海海槽（Nankai Trough）水合物储层。基于重建模型开展数值模拟所获得的累计产气量与已知产量数据高度吻合，其偏差分别为3.5%、0.9%和7.6%。上述结果证实了该模型的可靠性，可为未来异质性水合物储层研究提供有价值的参考，并将其应用前景拓展至异质性油气储层研究。

本文发表于《Energies》，围绕海洋天然气水合物异质性储层建模中公开数据不足、传统均质模型难以反映真实地质非均一性这一关键问题，提出了一种基于颜色识别技术的储层重建方法，并结合数值模拟验证其可行性与可靠性。研究背景在于，天然气水合物作为高压低温条件下形成的类冰状笼形化合物，是海洋能源系统中的重要潜在接替资源。然而，天然气水合物储层在饱和度、孔隙度、渗透率、埋深与平面展布上普遍存在显著空间异质性，而这类异质性直接影响流体渗流、传热、相变与最终开发效果。现有研究主要依赖室内实验、现场试采和计算机模拟三类路径，其中室内实验尺度有限，现场试采成本高且风险大，因此以历史资料为基础的数值模拟成为重要手段。但若继续采用均质模型，仅以平均参数描述储层，往往会忽略局部高渗通道、饱和度差异及层间变化，从而导致模拟结果与实际工况偏离。另一方面，地震、测井与钻探数据虽能揭示储层非均质性，却因保密性强、公开资料零散而难以直接支撑系统建模。因此，如何利用已公开图像资料和有限参数信息恢复储层空间分布，成为该研究开展的现实动因。

针对上述问题，研究人员构建了专用颜色识别软件，将储层图像中的颜色梯度与地质参数建立映射关系，实现图像到数值模型的转换。研究重点选择海洋水合物储层中最关键的参数场，如水合物饱和度、渗透率及相关分布信息，并将其恢复结果输入CMG 2015软件，建立异质性储层模型，进一步开展降压开采数值模拟。研究对象包括南海第二轮试采区、神狐SH2区、南海海槽，以及另外两个用于颜色恢复展示的典型水合物储层实例。结果显示，重建图像在颜色范围与空间分布上与原始图像保持较高一致性，且重建模型所预测的累计产气量与已知试采或文献结果高度接近，验证了该方法在异质性储层定量恢复中的有效性。研究的意义在于，提出了一条基于公开可视化资料重建海洋异质性储层的新途径，不仅可降低建模时间与成本，还可在资料缺失条件下保留储层空间非均一性，对海洋天然气水合物资源评价、开采预测与异质性油气藏建模均具有应用价值。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：首先，基于图像处理构建网格颜色编码方法，对目标图像进行工作区划定、网格细分、噪声线检测、掩膜编辑与调色板定义，再依据像素与颜色库的欧氏距离完成网格单元颜色赋码；其次，利用RGB值与已知平均值、极值之间的对应关系，通过权重统计建立颜色标识与饱和度、渗透率等储层参数之间的定量映射；再次，将恢复得到的参数场输入CMG软件，采用用户自定义水合物动力学模型、Carman–Kozeny方程及相对渗透率/毛细压力经验关系进行数值模拟；最后，以南海第二轮试采区、神狐SH2区及日本南海海槽公开资料为验证对象，通过累计产气历史拟合评价模型可靠性。

2. Establishment of Hydrate Reservoirs
本部分主要说明水合物储层参数建模的理论依据与颜色识别恢复框架。研究人员首先指出，水合物资源量评价与开发可行性高度依赖于水合物饱和度、分布深度、分布面积、孔隙度与渗透率等核心参数。其中，饱和度决定原位天然气资源量，埋深与分布范围决定开采条件与经济性，孔隙度和渗透率则控制流体运移与产能。传统建立地质储层参数的方法包括钻井、剖面分析、地球物理资料解释及离散点分析等，但这些方法在公开资料受限和异质参数反演方面存在困难。为此，研究人员提出以颜色识别技术替代部分传统参数恢复过程，通过对公开图像的颜色信息进行统计与映射，恢复储层空间参数分布，为异质性模型建立提供依据。

2.1. Method for Establishing Geological Reservoir Parameters
该小节系统论述了地质储层参数建立的需求与传统方法的局限。研究人员指出，均质储层参数虽然已广泛用于南海、日本海、韩国郁陵盆地及印度洋等区域的水合物模拟，但其以统计平均值替代空间变化，难以反映真实储层非均一性。异质模型则能够更真实地表征不同区域、不同埋深下的参数变化，因此是提高模拟精度的必要条件。通过这一分析，论文明确了颜色恢复方法的应用场景，即在缺乏系统原始地质数据时，用图像中隐含的颜色分布信息反演异质参数。

2.2. Color Recognition Technology Restoration and Reshaping Methods
该小节详细介绍了颜色识别恢复流程。研究人员开发了专用软件，先提取待恢复储层的关键参数信息及其均值、极值，再导入包含参数分布的图像，通过选取四条边界线界定有效工作区。随后，对工作区进行水平和垂向网格划分，通常水平网格为10 m、垂向网格为1 m。对于井轨迹、文字、轮廓线等非参数信息造成的噪声，采用非局部均值去噪及人工修正方式进行剔除。之后，将RGB颜色值直接输入或从图像中自动拾取，建立颜色标识符，并将不同颜色与自然数一一对应。研究人员进一步通过权重统计与公式约束，使颜色梯度与目标平均饱和度、最大值和最小值建立定量关系，最终形成颜色标识到储层参数的映射文档，实现图像数据向储层参数矩阵的转换。该部分的核心结论是：颜色信息可被转译为具备物理意义的地质参数，从而支撑异质储层数值化重建。

2.3. Algorithm Workflow
该小节给出了算法实现流程。研究人员先加载目标图像并定义网格边界，再对图像灰度副本应用3 × 3高斯滤波，识别灰度突变位置以检测噪声线，并生成二值掩膜；短线被删除，邻近端点通过白线连接以弥补间隙。随后，可用Bresenham算法手动连接端点，并通过橡皮擦工具清除多余掩膜像素。调色板最多可定义100种颜色，每种颜色以RGB三元组表示，支持手动输入或图像拾色。对每个网格单元，程序根据边界和分割参数确定像素范围，以重叠面积作为权重累积，并按欧氏距离匹配最近颜色，最终将权重最大的颜色赋予该单元，同时记录置信值。由此导出最终编码矩阵，为参数恢复与后续数值模拟提供离散输入。

3. Color Recognition Technology for Restoring Hydrate Reservoirs
本部分展示了颜色识别技术在多个典型海洋水合物储层中的应用效果。研究人员首先将方法应用于南海神狐区及其第二轮试采区。对于南海第二轮试采区，利用文献中的饱和度场和渗透率场图像作为原始数据，识别并去除水平井轨迹等噪声后，选取白色背景及红—蓝渐变色标，补充图中实际存在的中间色标，最终恢复出饱和度和渗透率参数场。通过该过程得出：在公开图件缺少原始数字矩阵的情况下，仍可利用颜色梯度与已知平均值、区间值恢复储层空间分布。

对于日本南海海槽（Nankai Trough）实例，研究人员处理了测井响应线、BSR（Bottom Simulating Reflector，似海底反射层）线和文字噪声，使用蓝—红渐变20级色标重建饱和度分布，并使其在0至0.7范围内按比例增加。该结果表明，颜色恢复技术不仅适用于简单储层图，也适用于包含多类辅助标识的地学解释图。

对于南海神狐SH2区，研究人员针对饱和度图和渗透率图中的垂向井轨迹、射孔点及等值线噪声进行剔除，分别采用25级和26级颜色渐变恢复参数场。由此得到的结论是，颜色识别方法可适应复杂图像背景，并能较细致地保留储层参数在平面与垂向上的变化特征。

对于Cascadia边缘南部水合物脊实例，研究人员识别并去除了断裂轨迹等黑色线性噪声，对饱和度图和渗透率图分别进行颜色重建。尽管该实例主要用于展示颜色恢复能力而非后续产量拟合，但其结果进一步证明该方法具有跨区域和跨图像类型的适用性。随后，研究人员采用峰值信噪比（PSNR）和结构相似性指数（SSIM）对参数恢复结果进行对比分析，从图像质量角度支持重建模型与原始图像之间的一致性。

4. Numerical Simulation Theory and Comparative Analysis of Results
本部分将颜色恢复得到的异质性模型引入数值模拟，以验证其工程可用性。

4.1. Numerical Simulation Theory
研究人员采用CMG 2015软件开展模拟。由于该软件本身不内置水合物模块，因此将水合物定义为固相，并通过固相浓度而非直接饱和度进行初始化。模型中设定水饱和度与气饱和度满足S_w + S_g = 1，渗透率与孔隙度关系由固相模型描述，相对渗透率和毛细压力采用Van Genuchten、Parker和Hong等经验方法。对于降压开采过程，仅考虑水合物分解与二次生成反应：CH₄-Hydrate→nH₂O + CH₄以及nH₂O + CH₄→CH₄-Hydrate，其中n通常取5.75。动力学方面，采用Kim–Bishnoi模型计算分解速率，并结合Arrhenius方程描述反应速率常数随温度变化规律。平衡比K由软件经验参数rxk1、rxk2、rxk3、rxk4和rxk5确定，当K = 1时表示三相平衡，K > 1表示分解，K < 1表示生成。渗透率变化依据Carman–Kozeny方程计算，经验系数ε取5。研究人员还明确区分了总孔隙度与流体孔隙度，以适应水合物作为固相占据孔隙空间时的体积关系。该理论框架说明，重建得到的参数场能够被规范地嵌入水合物热—流—相变数值模拟体系。

4.2. Result Comparison
该小节通过三个重建储层的历史拟合结果检验模型可靠性。第一，针对南海第二轮试采区，研究人员结合实际水平井改造后井周渗透率提高至18 mD的条件，模拟30 d生产过程。结果显示，重建模型计算得到累计产气量8.91 × 10⁵ m³，较实际产量8.61 × 10⁵ m³高3.5%。进一步对产气曲线分析发现，前2 d为低速产气阶段，主要产出自由气；2至30 d进入高速产气阶段，水合物分解增强。模拟与现场差异主要与自由气快速释放、井周扰动及地层纵横向非均质性有关。该结果表明，重建模型能够较好再现实测试采行为。

第二，针对神狐SH2区，研究人员将重建模型与文献中360 d模拟结果比较，得到累计产气量1.08 × 10⁶ m³，较文献值1.09 × 10⁶ m³低0.9%。研究人员同时比较了生产阶段变化：前30 d为低速产气，30至90 d为中速产气，90至360 d为高速产气。尽管本研究采用均匀垂向网格，而原研究可能采用非均匀网格，导致射孔层位对应关系不完全相同，但整体产量拟合仍非常接近。此外，通过比较第1天与第360天的水合物饱和度和气体饱和度分布，研究人员发现受热流体运移和重力作用影响，上部层段为主要分解区，下部层气体消耗明显、上部层气体富集增强。这说明重建模型不仅能匹配总产量，还能较合理再现储层内相态演化特征。

第三，针对日本南海海槽实际海上降压试采，研究人员依据6 d生产期资料开展模拟。文献积分所得累计产气量为1.195 × 10⁵ m³，重建模型模拟值为1.286 × 10⁵ m³，偏高7.6%。曲线分析表明，前0.5 d为低速产气，其后进入高速阶段，整体趋势与实测相近。研究人员指出，现场试验在第6天后因严重出砂而终止，出砂导致井筒和管线堵塞并显著抑制产量，而本模拟未考虑出砂效应，因此预测产量略高。尽管如此，该模型仍能在不引入出砂机制的情况下较好拟合海上试采的总体产气规律。综上，三个验证实例共同表明，基于颜色识别重建的异质性水合物储层模型具有较强可靠性。

讨论部分总结
论文讨论的核心在于：颜色识别技术为在原始地质数据缺失或不公开条件下重建异质性水合物储层提供了现实可行的技术路径。研究结果表明，该方法能够保留图像中的空间异质性信息，并将可视化色标转化为可用于数值模拟的参数矩阵。与传统均质处理相比，该方法更接近实际储层特征；与依赖完整测井、地震或钻井数据库的方法相比，该方法对公开图件的利用效率更高。历史拟合结果说明，模型在不同区域、不同图像类型和不同生产条件下均具备较好的适配性。论文也通过实例反映出模拟偏差主要与近井扰动、网格设置差异、自由气贡献及未考虑出砂等因素有关，但这些并不削弱颜色恢复方法在储层重建层面的有效性。总体而言，该研究为海洋异质性水合物储层表征、开发预测以及进一步扩展至异质性油气藏研究提供了方法学基础。

研究结论部分翻译
本文提出了一种基于颜色识别的海洋异质性水合物储层重建新方法。研究人员利用自主开发的颜色识别软件，将图像数据转换为RGB值，并进一步赋予相应地质参数。通过将重建模型与原始图像进行比较，并利用CMG软件开展数值模拟，对其可行性进行了验证。比较与模拟结果表明：（1）重建后的水合物储层特征图在颜色范围与空间分布方面与原始图像具有较强一致性；（2）重建图件能够在坐标系统内便捷提取参数数值；（3）所建立模型的产气行为与已知生产数据吻合良好。具体而言，重建的南海异质性水合物模型与实际产量结果偏差为3.5%，重建的神狐SH2区异质性水合物模型与文献模拟产量结果偏差为0.9%，重建的日本南海海槽异质性水合物模型与实际产量结果偏差为7.6%。

上述结果验证了所提出异质性水合物储层重建方法的可靠性。该研究通过引入一种基于颜色识别的方法，将易于获取的可视化数据转化为定量精确的地质模型，弥补了水合物储层表征中的关键空白，这一策略此前尚未见于该领域报道。所得高保真结果表明，该方法不仅能够保留准确产能预测所必需的空间异质性，而且显著简化了储层建模流程。除直接应用于水合物储层外，该方法还为异质性油气储层重建提供了潜在的变革性路径，尤其适用于详细地质数据有限但具备可视化信息的情形。这些发现为推进异质性储层研究、提高海洋能源系统中的资源评价可靠性与开发优化水平提供了实践工具与理论基础。