基于微ＣＴ技术的砂岩数字岩石物理实验

分类：论文范文 发表时间：2021-04-19 09:06

　　摘要数字岩石物理技术可弥补传统岩石物理实验的诸多不足，为岩石物理学研究提供一个新平台.本文以常规砂岩为研究对象，利用微CT扫描结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩芯模型;应用Avizo软件内含的多种形态学算法进行数字岩芯孔隙结构量化及表征研究，统计获取了孔隙度、孔隙体积分布及孔径分布特征，建立了等价孔隙网络模型;将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol完美对接，实现了孔隙尺度的渗流模拟并计算获得绝对渗透率，对于考虑固相充填孔隙的情况，模拟计算了岩石有效弹性参数，并与近似Gassmann方程良好验证.本文所提出的将Avizo与Comsol结合使用的方法丰富了现有的数字岩石物理研究手段，为其大规模发展提供了一条新途径.

　　关键词数字岩石物理;砂岩;孔隙结构;微CT扫描;岩石物理参数

　　1引言

　　岩石是一种天然的多孔介质，其内部除了固体基质还分布有大量不规则的孔隙以及孔隙空间流体，这些组分的物理性质以及微观孔隙结构特征直接影响着宏观岩石物理属性，如强度、弹性模量、渗透率、电阻率、声波速度等.模拟孔隙尺度的物理现象、理解微观作用机理是准确获取岩石物理性质的关键，探明岩石微观组构与宏观物性之间的内在联系，对于解决石油、地质等地球物理领域中的实际工程问题具有十分重要的意义，而这一切仅靠传统岩石物理研究手段是实现不了的.近年来，国内外已有学者(renandBakke，2002;Arnsetal.，2004a，2004b;Hu，2007;OkabeandBlunt，2005;Zhaoetal.，2007)通过多种方法建立了能够刻画孔隙空间分布的三维数字岩芯，在此基础上开展数值模拟，从而计算岩石物性参数.这种方法被称为数字岩石物理，由于研究是基于数字化平台的虚拟实验，因而具有可重复性，可同时模拟多重物理响应并探讨相互关系，且微观影响因素可控，还能模拟传统岩石物理实验难以测量的物理量，并节省大量人力物力资源.数字岩石物理的这些优势，使其逐渐成为地球物理学的研究热点.

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　　2三维数字岩芯建模

　　2.1微CT成像

　　微CT扫描作为一种无损检测物体内部结构的技术，是当前建立三维数字岩芯最直接和最准确的方法，其原理是根据岩石中不同密度的成分对X射线吸收系数不同以达到区分孔隙和骨架的目的.本研究中岩芯三维图像的采集均在美国Xradia公司生产的MicroXCT-400(图1a)上完成，其最高采样分辨率可达1μm.实验样品为直径约8mm的圆柱体砂岩(图1b)，一个样品可获取983张980×1005像素的二维CT切片图，空间分辨率为2.1μm/体素，将这些二维切片图依次叠加组合便得到岩样的三维灰度图像.图1c为其中一张切片的灰度图，灰色、白色的岩石骨架(高密度)和黑色的孔隙(低密度)在图像中清晰可辨.

　　2.2图像处理

　　微CT扫描获得的岩芯灰度图像中存在各种类型的系统噪声，降低图像质量的同时也不利于后续的定量分析，因此图像处理第一步是通过滤波算法增强信噪比.针对三维图像，比较常用的滤波算法有低通线性滤波、高斯平滑滤波及中值滤波，通过综合对比三种算法的滤波效果，本研究中选用中值滤波器.岩芯灰度图像经中值滤波器进行滤波处理之后，孔隙和岩石骨架之间的过渡变得自然，边界也变得平滑，同时也尽可能地保留了图像重要特征信息(图1d).但为了更好地区分及量化孔隙和骨架，还需采用图像分割方法对灰度图像进行合理的二值划分.图像二值化的关键在于分割阈值的选取，鉴于本文用于微CT扫描的岩芯已知实测孔隙度，所以可采用基于岩芯孔隙度寻求到的最佳分割阈值来对图像进行分割.以实测孔隙度为约束寻求分割阈值k*的公式如下：

　　3数字岩石物理实验

　　在数字岩芯的基础上，通过各种形态学算法及数值模拟手段，可以统计、计算多种岩石物理参数，这即是所谓的数字岩石物理实验.

　　4结论与展望

　　(1)利用微CT扫描结合先进的三维可视化软件Avizo建立的数字岩芯可以精细地捕捉岩石真实孔隙结构特征，基于数字岩芯模型开展数字岩石物理实验，可以准确地获取孔隙度并统计得到孔隙体积分布、孔径分布特征，以及能够简化表征孔隙空间拓扑结构的孔隙网络模型;

　　(2)将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol对接，可以形象直观地模拟流体在真实孔隙空间的渗流过程，并计算获得绝对渗透率;

　　(3)运用Comsol软件模拟计算了固相充填孔隙情况下岩石的有效弹性参数，数模结果与固相替换近似Gassmann方程能够很好的相互验证。

　　参考文献

　　姜黎明，孙建孟，刘学锋等.2012.天然气饱和度对岩石弹性参数影响的数值研究.测井技术，36(3)：239-243.

　　陶果，岳文正，谢然红等.2005.岩石物理的理论模拟和数值实验新方法.地球物理学进展，20(1)：4-11.

　　王克文，孙建孟，耿生臣等.2006.不同矿化度下泥质对岩石电性影响的逾渗网络研究.地球物理学报，49(6)：1867-1872.

　　岳文正，陶果，朱克勤.2004.饱和多相流体岩石电性的格子气模拟.地球物理学报，47(5)：905-910.

　　刘向君，朱洪林，梁利喜

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