流體在岩石孔隙中的運移規律及其流固耦合效應是地下油氣儲備與開發的核心科學問題,也是導致不同工程災害或工程難題的重要因素。精確表徵岩石微觀孔隙結構,揭示微觀孔隙結構與流體輸運特性的內在關聯,是開展深部岩體相關工程研究的基礎。
近期,中國科學院武漢岩土力學研究所的宋睿副研究員、劉建軍研究員、楊春和研究員聯合西南科技大學的汪堯博士等人提出了一種利用3D打印和微CT成像技術實現緻密砂岩複雜孔隙結構定量表徵和多相流體輸運特性的可視化研究方法。研究團隊利用新型的面投影微立體光刻技術(PμSL,nanoArch S130)實現了緻密砂岩孔隙模型的原位尺度打印(~2μm光學分辨率),再現了緻密砂岩複雜孔隙系統的三維拓撲結構特徵與空間連通性。研究人員對比分析了3DP岩心與數字岩心(DRP)模擬得到的孔徑分佈(PSD)、孔隙度和絕對滲透率的差異;同時結合原位CT成像技術開展了3DP岩心可視化CO2 驅油實驗,並與實驗基準數據進行了比較。
研究成果為定量表徵岩石複雜孔隙結構特徵及其中多相流體輸運機制提供了新的工具,具有廣闊的應用前景。論文研究工作得到國家自然科學基金,武漢市知識創新專項(基礎研究)和四川省自然科學基金等項目的支持。相關研究成果以“3D Printing of natural sandstone at pore scale and comparative analysis on micro-structure and single/two-phase flow properties”為題發表在《Energy》期刊上。

該研究中所採用的天然岩心樣本為海相緻密砂岩。通過從原始岩心中鑽取直徑約為5mm的小岩心柱塞樣本,利用蔡司Xradia MICROXCT-400三維成像系統進行微CT掃描成像,獲取天然岩心孔隙結構的微CT圖像(如圖1a所示),並將其用於孔隙空間提取、數字岩心重建與模擬(如圖1b);然後,基於數字圖像處理轉化為3D打印通用的.stl文件,利用PuSL面投影微立體光刻成型技術、完成孔隙模型的3D打印(如圖1c所示)。

為表徵3D打印岩心在復刻天然岩心孔隙結構特徵方面的準確性,該團隊分別採用偏光顯微鏡和微CT成像對3DP岩心的2D/3D微觀孔隙結構特徵進行了定量表徵(如圖2a所示)。基於團隊自行開發的數字圖像處理與模型重建技術,分別研究了3DP岩心孔隙分佈特徵,並與天然樣品的實驗室測試結果進行了對比分析,結果表明3DP岩心和原始樣品的PSD分佈總體上一致(如圖2c所示)。在對3DP岩心和原始岩心CT圖像手動校準的基礎上,團隊採用開源圖像處理軟件(Fijiyama)中的塊匹配算法(Block-Matching Algorithm)實現了3DP岩心CT圖像與原始樣品CT圖像的自動配準,並作為後續分析的基準數據(如圖2b所示)。結果表明,3DP岩心與原始岩心孔隙特徵吻合較好,驗證了3DP岩心在微米尺度下再現岩石微觀結構的可行性和適用性。
在此基礎上,團隊以分割的微CT圖像為數據藍本,引入峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio, PSNR)和結構相似性指數度量(structural similarity index measure, SSIM)兩個關鍵參數對3DP岩心孔隙結構特徵進行表徵,以量化3DP岩心與原始岩心孔隙結構的保真度(如圖2c所示)。PSNR用於衡量相同空間位置上孔隙特徵參數(大小和坐標位置)的絕對誤差。SSIM用於測量兩個圖像之間的相似性,用於評估相應位置上的孔隙是否由3D打印機識別。計算結果表明:本文中3DP岩心的PSNR值介於[9.010,14.983]之間,其SSIM值介於[0.870,0.925]之間。大多數孔隙特徵被打印識別,但一些孔隙並不在原始尺寸或位置上。由於後處理過程中,樣品近端部的液體樹脂更容易被去除,因此頂/底部結構的打印精度優於其他部分,顯示出更高的SSIM值。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125226

董亦淞 Ted
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