工业CT数字岩心孔隙连通网络及微观渗流模拟
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从1972年第一台计算机层析成像系统诞至今，X射线计算机断层扫描技术经过了50多年的发展，所应用行业范围不断增大。在石油地质行业中，从初期的简单二维照相，到三维岩心孔隙研究，再到数字岩心，X射线计算机断层扫描技术已经成为石油地质研究的重要的技术手段。通过用X射线照射岩心样品，根据不同物质、结构所造成的衰减率之间的差异，通过专业图形处理工作站，计算出与实物完全相同的数学模型；这种通过无损检测的方式进行的真三维再现被扫描物体的内部结构、成分，及其高度深入的数据分析理论，在岩石结构、岩石组分、岩石力学性质及岩石中石油赋存状态等分析上发挥了重要作用。
1、X射线计算机层析成像（CT）原理介绍
X射线穿透物体时其强度的衰减与吸收体（射线入射的物质）的性质、厚度及射线光子的能量相关，其衰减量正比于入射线强度及穿透物体的厚度，在X射线接收端产生灰度不同的投影图像，实现X射线成像；计算机层析成像是在X射线成像的基础上，进一步经过数学运算获得的结果：物体需要在CT设备中进行≥180°的空间同轴旋转，不断多角度获取X射线图像，进而计算物体在旋转不同位置时其空间结构或物质对射线造成的衰减度，通过不同角度对应的不同衰减度，反算出物体在空间中的组分和物理结构，将获得的信息以空间模型的形式输出，作为可视化处理的数学原型。
2.1岩石组分识别
通过CT扫描进行纯物质的标定，获得纯物质在不同条件下的灰度范围，从纯矿物的灰度分布可以看出，纯矿物灰度符合高斯分布，当将几种纯矿物一同进行CT扫描，亦可得到一种复杂的灰度高斯分布曲线，而复杂的高斯分布曲线可以有单个矿物的简单高斯分布曲线叠加而成，按照这个原理可以将岩心扫描后得到的复杂高斯分布曲线分解成若干个简单的纯矿物灰度高斯分布曲线，既可区分矿物成分及含量。
图1 岩石中成分的识别
2.2颗粒度与孔隙度分析
获取到高质量岩心图像后，图像功能强大的软件进行可视化处理，进行感兴趣目标物的三维直观展现、数据量化分类。通过分析软件将要分析的数据体从CT中进行提取，并去除由于制样、皴裂导致的不良部分，留下数据中央无干扰的数据体。通过图像导入、阈值分割、数据分析三步，获得颗粒度、孔隙度的比例及形态学参数，如feret直径、PX-D、PY-D、PZ-D、表面积、体积等数值，图示过程见图2：
2.3微裂缝与孔隙模型提取、量化
对已有数学模型进行岩石内部微裂缝和孔隙骨架的提取，裂缝进行宽度分析、数量统计、体积量化，孔隙骨架进行整体提取，连通部分的颜色一致性渲染。裂缝如图3左，孔隙如图3右：
2.4连通性分析
利用先进的图像处理软件提取喉道，统计连通性参数，如孔喉配位数、喉道长度、半径，有效孔隙体积及岩石孔喉渗流模拟等参数，图4为孔喉分析三维整体展示与细节放大展示。
2.5油气渗流模拟
石油形态分析，除了定量，定性分析也是很重要的一个方面，原油在地下的赋存状态与驱油的效率具有莫大的相关性，那么这类实验就需要大量的数据和实验来考究。针对目前的情况，在工业CT中，已经结合基本解决这类难题。采用同一区域、层位的岩心，进行洗油前后对比，并在洗油过程中，采用气体、水、聚合物溶液、多元化时域混合方法，分别进行，同时，对不同的驱替液体，采用不同的压力，经过此类实验的反复进行，然后用GE Phoenix nanotom纳米焦点CT扫描，通过观测三维模型和含量统计发现，残存在喉道中的原油，具有极佳的流动性、连通性，混合状（油、水、粘土类）的效率居于第二位，粒内油则提取难度最大，如下图是石油在岩心中的赋存状态，白色代表颗粒、赋存基质，红色代表石油：
根据石油的赋存状态，进行的渗流模拟实验，可以清晰发现，对于可动用性石油而言，其压力曲线分布程规则的阶梯状，而对于不可动用或难动用性石油，其压力曲线多程弯曲状，压力梯度较大，对于加热、改变驱替液体等方法指导石油开采具有实际意义。下图为压力曲线分布图以及压力液体分布图：
2.6 单向流模拟及内部流体压力分布
通过对CT数据，进行单相流体模拟，如水相、油相等，模拟不同液体在岩心中的压力和速度分布，计算绝对渗透率。
2.7 油水相对渗透率模拟及内部流体压力分布
当岩石孔隙中饱和两种或两种以上流体时，岩石让其中一种流体通过的能力成为有效渗透率或称为相渗透率。油和水的有效渗透率总是低于岩石的绝对渗透率。相对渗透率则是多相流体共存时，每一相的有效渗透率与绝对渗透率的比值。
通过计算岩石中水驱油或者水驱油过程中两相的有效渗透率，并进一步采用单相流模块得到的绝对渗透率进行重新标定，得到油、水两相的相对渗透率。
2.8 孔隙空间拓扑结构及孔喉配位数计算
孔隙结构，是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布、相互连通情况，以及孔隙与喉道间的配置关系等。它反映岩石中各类孔隙与孔隙之间连通喉道的组合，是孔隙与喉道发育的总貌。在孔隙结构模块中，采用燃烧算法运用拓扑学原理先寻找到孔隙骨架，然后基于球棍模型，根据骨架拓扑学上交叉点生成球即孔隙中心，以及棍即喉道（孔隙中心的连接通道）。
2.9 数字岩心核磁模拟
获得CT模型后，通过分析软件，可以进行核磁共振模拟，获得磁力衰减曲线：
2.10 岩心弹性模量计算模块
岩石的宏观物理性质是微观结构骨架、孔隙等各组成成分的综合效应，对于体积模量、剪切模量、速度等，这些弹性参数在地球物理勘探领域等实际工作中发挥着重要作用。弹性参数的数值模拟计算利用高阶有限差分方法来模拟波的传播过程，测量由数字岩石样本非均匀结构带来的峰值振幅的时间差，完成弹性模量的计算。
3 X射线计算机断层扫描新技术及展望
计算机断层扫描系统，已发展到纳米焦点，可以分辨到200nm的细节，对于研究岩石微观结构有一定意义。动态加载式断层扫描，就是在现有的CT检测系统中，安装一个三轴力学或驱替装置，模拟岩心在地下的环境，给与恒定围压、恒定温度，然后用CT检测系统的快速扫描，进行边驱替边进行CT扫描实验，实现真正直观、动态、三维相结合观测，并获取此时的岩心孔隙结构参数、基质颗粒参数、原油形态变化尺度等。如此进行，将对于非常规油气的研究、力学破坏性预测具有重要意义。
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1、X射线计算机层析成像（CT）原理介绍
X射线穿透物体时其强度的衰减与吸收体（射线入射的物质）的性质、厚度及射线光子的能量相关，其衰减量正比于入射线强度及穿透物体的厚度，在X射线接收端产生灰度不同的投影图像，实现X射线成像；计算机层析成像是在X射线成像的基础上，进一步经过数学运算获得的结果：物体需要在CT设备中进行≥180°的空间同轴旋转，不断多角度获取X射线图像，进而计算物体在旋转不同位置时其空间结构或物质对射线造成的衰减度，通过不同角度对应的不同衰减度，反算出物体在空间中的组分和物理结构，将获得的信息以空间模型的形式输出，作为可视化处理的数学原型。
2.1岩石组分识别
通过CT扫描进行纯物质的标定，获得纯物质在不同条件下的灰度范围，从纯矿物的灰度分布可以看出，纯矿物灰度符合高斯分布，当将几种纯矿物一同进行CT扫描，亦可得到一种复杂的灰度高斯分布曲线，而复杂的高斯分布曲线可以有单个矿物的简单高斯分布曲线叠加而成，按照这个原理可以将岩心扫描后得到的复杂高斯分布曲线分解成若干个简单的纯矿物灰度高斯分布曲线，既可区分矿物成分及含量。
图1 岩石中成分的识别
2.2颗粒度与孔隙度分析
获取到高质量岩心图像后，图像功能强大的软件进行可视化处理，进行感兴趣目标物的三维直观展现、数据量化分类。通过分析软件将要分析的数据体从CT中进行提取，并去除由于制样、皴裂导致的不良部分，留下数据中央无干扰的数据体。通过图像导入、阈值分割、数据分析三步，获得颗粒度、孔隙度的比例及形态学参数，如feret直径、PX-D、PY-D、PZ-D、表面积、体积等数值，图示过程见图2：
2.3微裂缝与孔隙模型提取、量化
对已有数学模型进行岩石内部微裂缝和孔隙骨架的提取，裂缝进行宽度分析、数量统计、体积量化，孔隙骨架进行整体提取，连通部分的颜色一致性渲染。裂缝如图3左，孔隙如图3右：
2.4连通性分析
利用先进的图像处理软件提取喉道，统计连通性参数，如孔喉配位数、喉道长度、半径，有效孔隙体积及岩石孔喉渗流模拟等参数，图4为孔喉分析三维整体展示与细节放大展示。
2.5油气渗流模拟
石油形态分析，除了定量，定性分析也是很重要的一个方面，原油在地下的赋存状态与驱油的效率具有莫大的相关性，那么这类实验就需要大量的数据和实验来考究。针对目前的情况，在工业CT中，已经结合基本解决这类难题。采用同一区域、层位的岩心，进行洗油前后对比，并在洗油过程中，采用气体、水、聚合物溶液、多元化时域混合方法，分别进行，同时，对不同的驱替液体，采用不同的压力，经过此类实验的反复进行，然后用GE Phoenix nanotom纳米焦点CT扫描，通过观测三维模型和含量统计发现，残存在喉道中的原油，具有极佳的流动性、连通性，混合状（油、水、粘土类）的效率居于第二位，粒内油则提取难度最大，如下图是石油在岩心中的赋存状态，白色代表颗粒、赋存基质，红色代表石油：
根据石油的赋存状态，进行的渗流模拟实验，可以清晰发现，对于可动用性石油而言，其压力曲线分布程规则的阶梯状，而对于不可动用或难动用性石油，其压力曲线多程弯曲状，压力梯度较大，对于加热、改变驱替液体等方法指导石油开采具有实际意义。下图为压力曲线分布图以及压力液体分布图：
2.6 单向流模拟及内部流体压力分布
通过对CT数据，进行单相流体模拟，如水相、油相等，模拟不同液体在岩心中的压力和速度分布，计算绝对渗透率。
2.7 油水相对渗透率模拟及内部流体压力分布
当岩石孔隙中饱和两种或两种以上流体时，岩石让其中一种流体通过的能力成为有效渗透率或称为相渗透率。油和水的有效渗透率总是低于岩石的绝对渗透率。相对渗透率则是多相流体共存时，每一相的有效渗透率与绝对渗透率的比值。
通过计算岩石中水驱油或者水驱油过程中两相的有效渗透率，并进一步采用单相流模块得到的绝对渗透率进行重新标定，得到油、水两相的相对渗透率。
2.8 孔隙空间拓扑结构及孔喉配位数计算
孔隙结构，是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布、相互连通情况，以及孔隙与喉道间的配置关系等。它反映岩石中各类孔隙与孔隙之间连通喉道的组合，是孔隙与喉道发育的总貌。在孔隙结构模块中，采用燃烧算法运用拓扑学原理先寻找到孔隙骨架，然后基于球棍模型，根据骨架拓扑学上交叉点生成球即孔隙中心，以及棍即喉道（孔隙中心的连接通道）。
2.9 数字岩心核磁模拟
获得CT模型后，通过分析软件，可以进行核磁共振模拟，获得磁力衰减曲线：
2.10 岩心弹性模量计算模块
岩石的宏观物理性质是微观结构骨架、孔隙等各组成成分的综合效应，对于体积模量、剪切模量、速度等，这些弹性参数在地球物理勘探领域等实际工作中发挥着重要作用。弹性参数的数值模拟计算利用高阶有限差分方法来模拟波的传播过程，测量由数字岩石样本非均匀结构带来的峰值振幅的时间差，完成弹性模量的计算。
3 X射线计算机断层扫描新技术及展望
计算机断层扫描系统，已发展到纳米焦点，可以分辨到200nm的细节，对于研究岩石微观结构有一定意义。动态加载式断层扫描，就是在现有的CT检测系统中，安装一个三轴力学或驱替装置，模拟岩心在地下的环境，给与恒定围压、恒定温度，然后用CT检测系统的快速扫描，进行边驱替边进行CT扫描实验，实现真正直观、动态、三维相结合观测，并获取此时的岩心孔隙结构参数、基质颗粒参数、原油形态变化尺度等。如此进行，将对于非常规油气的研究、力学破坏性预测具有重要意义。
