天然砂岩的3D列印，孔隙結構與流體運輸特性研究

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。

本研究首先根據天然砂岩的數位顯微 CT 影像，製造了 2 μm 高解析度的 3DP 樣品，並使用改進的顯微 CT 裝置進行了可視化水氣驅油實驗。對岩石3D列印的樣品和原始樣品的孔隙結構進行了比較分析，透過 DRP 模擬分析了 PSD、孔隙度和絕對滲透率。透過顯微CT對CO₂驅油進行視覺化實驗，研究了3DP樣品在多相流機制實驗中的適用性。整理出實驗中岩石3D列印用於孔隙結構表徵的可行性和目前的缺點。這項研究為定量表徵和準確理解多孔岩石中多相的流動和殘留機制提供了新的工具。

岩石3D列印 (3DP) 樣品由天然砂岩製成，分辨率達2 μm

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列印和微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列印（~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列印通用的.stl文件，利用我公的PuSL面投影微立體光刻成型技術完成孔隙模型的3D列印（如圖1c所示）。

為表徵3D列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。

岩石3DP的樣本，PSNR在 [9.010,14.983] 中，其SSIM在 [0.870,0.925] 之間

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列印機識別。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。大多數孔隙特徵被列印識別，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/底部結構的列印精度優於其他部分，顯示出更高的SSIM值。

對岩石3D列印的樣品，進行了可視化CO₂驅油實驗

在3DP岩心與原始岩心孔隙結構特徵對比分析的基礎上，團隊針對3DP岩心的流體輸運特性開展了進一步的研究。利用自行設計的基於原位微CT成像的可視化滲流試驗系統分別進行了3DP岩心的飽和油和CO₂驅油試驗（如圖3a所示）。分別採集了飽和油狀態與驅替完成時3DP岩心的微CT圖像（如圖3b所示）。為了消除不同掃描階段樣品放置的人為誤差，研究人員對獲取的CT圖像也進行了手動校準和圖像配準操作。分析結果表明：注入CO₂氣體主要沿孔隙中部流動，導致顆粒表面出現大規模殘餘油。考慮到製備3DP岩心使用的HTL樹脂是強油濕性，殘餘油相優先附著到固體表面。當注入流體發生突破時，樣品中會留下很大部分以油膜形式分佈的殘餘油。在油濕性岩心中，毛細管壓力是注入CO₂的阻力，導致大量殘留油塊被毛管力卡斷在小孔中。此外，研究團隊對3DP岩心和原始岩心的原位接觸角進行了計算與對比分析，討論了微觀潤濕性在殘餘流體捕獲機制中的影響（如圖3c所示），並進一步提取了CO₂驅替後3DP岩心的孔隙網絡模型，對驅替過程中CO₂氣體的主要滲流通道以及微觀賦存狀態進行了討論與分析。結果表明，注入氣體主要沿3DP岩心的左側分佈，注入CO₂沿優先通道突破，與剩餘油分佈一致。考慮到注入CO₂的操作壓力低於最小混相壓力，驅替過程為不混相氣-液流，界面張力和注入流體粘度的降低有助於提高波及效率和採收率。（如圖3c所示）。

參考文獻：3D Printing of natural sandstone at pore scale and comparative analysis on micro-structure and single/two-phase flow properties
原文連結：https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125226

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