基于二维图像的数字岩心电导率计算方法研究

电导率是表征岩石电学性质的重要物理参数,在地质资源勘查和测井解释等领域发挥着巨大作用.快速、准确地确定岩石电导率具有重要的理论和实践意义.作为近年来发展的一种岩石物理数值模拟工具,数字岩心技术在定量计算电导率等物性参数方面应用广泛.三维微观结构的准确获取是数字岩心技术计算岩石电导率的关键,但传统获取岩石三维微观结构的方法较为复杂费时.为了方便快速地通过数字岩心技术计算岩石的电导率,本文研究了岩石二维与三维数字岩心的电导率联系.我们基于微米级X射线CT扫描得到的三个砂岩样品的微观结构信息建立了三维数字岩心,并通过有限元法计算的三维数字岩心电导率与实验数据的对比验证数值计算方法的有效性.随后我们数字地扩展了岩石的孔隙,产生了较大孔隙度的三维数字岩心样本,在此基础上,计算了三维数字岩心和相应二维数字岩心的电导率,并通过Archie公式分别拟合了电导率与孔隙度之间的关系,得到了相应的胶结系数.结果表明,三维数字岩心的胶结系数小于二维数字岩心的胶结系数,且二者的比值与岩石实测孔隙度呈线性负相关关系.以该联系为纽带,通过二维图像快速计算得到的电导率与孔隙度关系,确定了三维数字岩心的电导率与孔隙度关系,并进一步通过三维数字岩心的孔隙度计算其电导率.该方法计算得到的人工砂岩样品的电导率与其三维数字岩心电导率相关系数高于96%,验证了基于二维图像的数字岩心电导率计算方法的有效性.本文的研究结果为快速、准确地计算岩石电导率提供了新的思路,在油气勘探开发中有广阔的应用前景.     

数字岩心建模方法研究现状及展望

数字岩心是进行岩石物理数值模拟实验的重要平台,可以广泛地应用于固体力学、声学、电学、流体力学及流固耦合等数值模拟实验,但进行各种数值模拟实验的前提是要建立一个准确的三维数字岩心模型.通过系统调研国内外数字岩心建模方法,将数字岩心建模方法划分为三大类:物理实验法、数值重建法和混合法.在简要介绍不同建模方法的基本原理和优缺点的基础上,对今后建模方法的发展进行了展望.研究结果表明:序列切片成像法与聚焦离子束等技术相结合将会是研究致密岩石孔喉结构特征的重要手段;X射线CT扫描法具有快速、精确、无损的优点,它会是最主要的建模方法,更适用于常规和低渗透岩心.随机模拟法具有成本低效率高的优势,在所建模型准确性较高的前提下,它将是重要的建模方法;过程法模拟了沉积岩石的形成过程,具有独特的建模优势,适用于成岩作用简单的岩石;混合法结合多种建模方法的优点,是建立双孔隙网络或含裂缝等复杂数字岩心模型的最佳选择.     

基于沉积过程的数字岩石建模方法研究

本文提出模拟地层沉积及成岩过程的矿物沉积算法,建立数字岩石模型,并通过对比Micro-CT扫描图像和数值模型的局部孔隙度及平均渗流概率函数分布特征,评价建模的准确性.结果表明,由二维扫描提取的粒径信息作为输入参数,模拟矿物沉积过程建模得到的三维数字岩石模型,能够准确重构原始岩心的非均质性及渗流特性,成功应用于泥质砂岩、碳酸盐岩、页岩等存在多矿物或多尺度孔隙的数字岩石建模中.数字岩石物理是正在兴起的重要技术.数字岩石采用超高分辨率先进成像装备,采集和表征微纳尺度岩石结构,在岩石弹性、电性、核磁、渗流特性等数值计算中发挥重要作用.但是,由于三维直接成像在有限视域内难以表征足够的岩石非均质性,提取二维结构统计特征,利用统计或地质过程法重构具有代表性的三维岩石结构成为十分有价值的研究课题,而且,对业界大量存在的岩石薄片及电镜高清二维图像的深度开发应用也具有重要的现实意义.本文发展的新方法,复原沉积过程,较好地解决了孔隙尺度岩石物理定量研究中数值建模与理论计算的技术瓶颈.     

基于Curvelet变换与POCS方法的三维数字岩心重建

随着页岩气勘探与开发的深入,研究页岩裂隙的三维空间展布成为页岩岩石物理研究的必要步骤之一.但由于仪器的限制,页岩切片在深度上具有不连续性,以及数字岩心纵向上成像最小间隔与横向分辨率的不一致成为影响裂隙表征和数字岩石物理模拟精度提高的重要因素.为了更好的研究裂隙在三维的空间展布,本文将curvelet稀疏变换与凸集投影(POCS)迭代算法有效结合,实现三维数字岩心重建.首先对X射线扫描砂岩得到的三维数据体进行隔片抽稀,利用本文方法实现三维数据体重建,重建结果与完整数据体具有很好的一致性,且优于现有方法(spgl1),验证了新方法的有效性与先进性.其次对聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)得到的纳米级页岩二维切片在深度上进行了加密重建,获得纵向上成像最小间隔与横向分辨率基本一致的三维数字岩心,由于仪器限制引起的页岩切片深度上的不连续性得到减弱,裂隙展布更加清晰.砂岩CT图像以及页岩FIB-SEM成像数据的重建结果验证了本文方法的有效性与先进性.     

基于数字岩心的岩石电性微观数值模拟(英文)

本文利用x射线CT获取反映岩心微观结构的三维数字岩心,利用数学形态学中的开运算模拟了岩石的油驱水排驱过程中,不同含水饱和度下油和地层水在孔隙空间中的分布。利用有限元方法计算了岩石电阻率,进而得到岩石地层因素和电阻率指数,并考查了岩石润湿性对岩石电阻率指数的影响。数值模拟结果表明：基于数字岩心的水湿岩石地层因素和电阻率指数数值模拟结果与实验结果一致,拓展了岩石电阻率实验的能力;岩石润湿性对岩石电性有重要影响,在相同含水饱和度下,油湿岩石电阻率高于水湿岩石电阻率,油湿岩石饱和度指数远大于水湿岩石饱和度指数。     

三维数字岩心技术岩石物理应用研究进展

三维数字岩心可在孔隙尺度上对岩石的微观结构进行精细表征,以数字岩心为载体的岩石微观结构分析与岩石物理属性模拟研究已成为岩石物理分析的重要发展方向之一.本文从数字岩心建模、数字岩心图像分析及岩石物理属性模拟三个方面对数字岩心技术进行了介绍.将数字岩心技术在岩石物理领域的应用分为两大类:基于三维数字图像的直接分析和基于三维数字岩心的岩石物理属性数值模拟.通过三维图像分析可获得孔隙结构、矿物成分、粒度分布等信息;通过岩石物理属性模拟可以研究储层岩石电性、弹性、渗流和核磁共振特征.多种手段相结合建立多尺度、多组分数字岩心,突破分辨率与样品尺度的矛盾限制是数字岩心技术未来的发展趋势.数字岩心技术已发展成为岩石物理实验的重要组成部分,如何将孔隙尺度得到的岩石物理参数升尺度到数字井筒、数字油藏中是数字岩心技术发展亟需解决的难题.     

基于数字岩心岩石电性数值模拟方法综述

以致密砂岩为代表的非常规油气储层,由于具有低孔低渗、孔隙结构复杂及岩心致密等特点导致岩石物理实验测量周期长、成本高、岩心驱替困难,难以定量研究微观参数对电阻率的影响.以X射线CT扫描为基础发展起来的数字岩心岩石物理属性模拟技术则弥补了这种不足.本文系统总结了基于数字岩心电性数值模拟基尔霍夫、随机游走、格子玻尔兹曼、有限元等方法的优缺点;列举了国内外学者的研究实例及取得的进展;探讨了目前电性数值模拟研究中存在的主要问题;同时指出了数字岩心电性数值模拟的发展方向.     

三维数字岩心透射超声波模拟与速度精度分析（英文）

基于数字岩心的透射超声波模拟是数字岩石物理的重要组成部分,可用于研究波在孔隙岩石中的传播规律,计算岩石的等效速度等。在三维数字岩心中模拟超声波传播时,沿波传播方向在数字岩心两侧附加均匀的镶边层,设置震源和检波器。震源激发后检波器记录数字岩心的入射波和透射波,拾取两者波峰时间的差值,计算超声波在数字岩心中的传播速度(即数字岩心的速度)。为评估透射超声波模拟的精度,将一个数字岩心的孔隙分别饱和气、油和水,计算它们的速度。当震源频率较高时,速度随频率的降低而升高,这应当是波场散射的结果。当孔隙流体按气→油→水方向变化时,不同频率对应的速度具有相似的变化规律,并与线弹性静力学模拟输出的速度的变化规律相似,但数值有差异。考虑到线弹性静力学模拟已被广泛应用,若将其作为基准,则可认为透射超声波模拟具有较高的相对精度。     

基于过程法的数字岩心建模方法研究

数字岩心建模是数字岩石物理的重要组成部分,现有建模方法的重点在于描述数字岩心的孔隙结构,而地震波传播性质模拟对骨架内包含的结构细节也有较高的要求.本文在过程法的基本框架内开发构建砂岩数字岩心的新方法,研究了在像素化之前对颗粒的解析处理方法.这些新技术包括沉积过程中的颗粒物质分类,压实过程中的颗粒体积补偿和边界分割等.在所建的数字岩心中,骨架颗粒可以相互区分、颗粒物质类型可以变化,骨架的非均匀性增强.     

模拟退火法建立数字岩心的一种补充优化方案

针对传统的模拟退火建立数字岩心方法建模效率低、计算结果存在较多的孤立点等缺陷,设计了后续的补充搜索方案,定义了孔隙与骨架的边界点选取准则,提出了基于择多算子算法选取的对象点与孔隙骨架边界点交换作为新系统的生成方案.使用传统模拟退火算法对随机的初始模型优化作为第一阶段,用新系统生成方案继续优化作为第二阶段,最后减少模型中孤立孔隙点或骨架点,输出结果.试验表明,新的补充优化方案不仅可行而且效果良好.最终优化模型与传统模拟退火建模结果相比,无论是在孔隙形态还是在孔隙连通性上都与原始岩心较为接近,由反映岩石孔隙空间特征的变差函数可以看出补充搜索方案优化结果优于传统模拟退火法建模结果.     

基于数字岩心的碳酸盐岩孔隙结构对弹性性质的影响研究(上篇):图像处理与弹性模拟

碳酸盐岩复杂的孔隙结构如何影响其弹性性质一直是地球物理研究的难点问题,在此基础上如何半定量甚至是定量地对碳酸盐岩储层预测,特别是如何有效地获取孔隙结构参数相关的地震属性体一直是油气工业界追求的目标.本研究从数字岩心角度入手,联合测井以及地震数据尝试探究这一问题的解决方案,包括如下几个方面:(1)代表性碳酸盐岩储层样品获取;(2)CT扫描数字岩心数据体获取;(3)数字岩心数据的图像处理;(4)数字岩心数据的静态弹性模拟;(5)数字岩心子数据体的孔隙结构因子提取;(6)孔隙结构因子表征与分类下的弹性性质与孔隙度的定量化量版建立;(7)数字岩心-井-地震联合的孔隙度属性提取;(8)孔隙结构因子的地震属性体获取.本研究分为两篇系列文章上篇与下篇,上篇主要阐述如上提出的(1)—(4)方面,重点在于针对碳酸盐岩二值化图像处理的流程建立与验证,以及数字岩心静态弹性模拟的理论方面,这两方面是基于数字岩心获得精确的碳酸盐岩弹性性质模拟结果的关键所在;下篇主要阐述利用数字岩心数据获得孔隙结构因子的思路、理论与流程,以及为碳酸盐岩储层预测为目标而获得孔隙结构因子的地震属性体的实际应用方面.由于两篇文章共享数字岩心数据,同时所涉及的研究思路与流程形成一个有机整体,因此写成两篇系列文章而非两篇独立文章.本文为两篇系列文章的第一篇:上篇.     

体积CT投影数据的模拟方法

体积CT是目前研究的热点,也是医疗CT和工业CT的发展方向。在研究体积CT重建算法的过程中,模拟投影数据是必不可少的一部分。本文提出一种体积CT投影数据的模拟方法。这种方法的特点是准确、适用性广,模拟得到的投影数据能够准确反映各断层的细节信息,一方面可以为后继体积CT重建算法提供可靠的投影数据,另一方面也可以根据需要有选择地模拟失真的投影数据。我＇ffJN用此方法对人脑部及某工件的CT投影数据进行了模拟,并对模拟得到的数据采用滤波反投影算法进行重建,将重建后的断层图像与原始图像进行比较,得到了很好的重建结果,进一步验证了该投影数据模拟方法的可行性。     

工业X射线CT中基于深度学习的射束硬化伪影抑制方法

利用工业CT进行无损检测时,由于实际X射线源的宽能谱特性,目前现有的大部分重建算法得到的图像含有射束硬化伪影。射束硬化伪影降低了图像的质量,影响了CT图像应用,如CT图像诊断等。本文提出一种基于深度学习的减少硬化伪影的方法,用大量含有硬化伪影的断层图像作为输入,用相应的在固定能量下重建的不含硬化伪影的图像作为输出来训练卷积神经网络。通过建立含有硬化伪影的断层图像与不含硬化伪影的断层图像之间的映射关系,来抑制硬化伪影。实验结果证明了本文所提方法在降低CT图像硬化伪影上的有效性。      

基于三维X射线显微镜的孔隙性砂岩中变形带微观结构解析

孔隙性砂岩中变形带对揭示其相关地质作用过程和工程应用具有重要的意义,而其微观结构是其相关科学与工程研究的关键点。常规的岩石微观结构分析手段对于全面解析岩石内部的微观结构具有一定的局限性,而近年发展起来的三维X射线显微成像技术可以无损地获得岩石内部微米尺度的三维精细数字化图像,是建立岩石微观结构并对其进行解析的有效手段。通过三维X射线显微镜对孔隙性砂岩中变形带扫面,建立了高分辨率三维微观结构图像,利用高密度切片图像,对其微观结构特征进行解析。根据变形带微观产出状带和颗粒破碎过程的解析,建立颗粒破碎-破碎颗粒与残余破碎颗粒重新排列-局部颗粒破碎带-弱颗粒破碎变形带-强颗粒破碎变形带-强弱颗粒破碎变形带相间排列-簇状变形带的完整时间发育序列。      

基于WDCT网络的混凝土CT图像增强算法

原位加载CT扫描可以研究混凝土在不同实验条件下的损伤演化过程,对于混凝土材料研究具有重要意义。在混凝土原位加载的过程中,原位加载设备的遮挡和采样时间的限制导致了有限角度和稀疏角度CT重建问题,传统算法在数据不完备的情况下会导致严重的图像伪影。本文提出WDCT网络增强ART-TV重建图像方法,构建混凝土模拟数据集验证该方法并与经典U-Net增强FBP重建图像方法进行比较。研究结果表明本文的方法在有效降低图像伪影的同时,能够对混凝土内部的石料和裂缝比较准确地成像,图像的客观指标得到大幅提升。      

数字岩心逆建模理论下的储层参数定量预测方法

数字岩心微观孔隙结构十分复杂,有限元模拟物性参数与弹性参数之间关系是非线性的,直接反演其物性参数准确度低、稳定性差.本文发展了一种数字岩石物理逆建模方法,实现了基于数字岩心的储层参数有效预测.从数字岩心基函数的构建出发,基于有限元方法,计算了一系列具有等间距物性参数值(孔隙度、泥质含量和含水饱和度)的数字岩心弹性参数(体积模量、剪切模量和密度),通过插值算法建立了数字岩心弹性参数三维数据集,从而实现了弹性模量的有限元数值解的快速构建;然后搜索弹性参数的单值等值面,通过等值面的空间交会得到交点,完成储层参数预测.测试结果表明:基于数字岩心逆建模理论的储层参数预测结果与实际模型一致,具有可行性,并且可以通过增加插值点数目提高预测的准确性;孔隙度和泥质含量预测结果稳定性很好,而含水饱和度对噪声的加入较为敏感.     

Computation of elastic properties of 3D digital cores from the Longmaxi shale

The dependence of elastic moduli of shales on the mineralogy and microstructure of shales is important for the prediction of sweet spots and shale gas production. Based on 3D digital images of the microstructure of Longmaxi black shale samples using X-ray CT, we built detailed 3D digital images of cores with porosity properties and mineral contents. Next, we used finite-element (FE) methods to derive the elastic properties of the samples. The FE method can accurately model the shale mineralogy. Particular attention is paid to the derived elastic properties and their dependence on porosity and kerogen. The elastic moduli generally decrease with increasing porosity and kerogen, and there is a critical porosity (0.75) and kerogen content (ca. ≤3%) over which the elastic moduli decrease rapidly and slowly, respectively. The derived elastic moduli of gas- and oil-saturated digital cores differ little probably because of the low porosity (4.5%) of the Longmaxi black shale. Clearly, the numerical experiments demonstrated the feasibility of combining microstructure images of shale samples with elastic moduli calculations to predict shale properties.     

原位岩土CT及其关键技术探讨

当前应用工业X射线CT技术观测岩土内部微观结构和力学特性成为研究工程地质的热点课题。然而,现有CT技术的“笨、大、重、险、贵”限制了现场应用能力,且常规岩土工程勘察方法存在丢失或破坏原有地质信息的问题。本文提出原位CT技术的概念,并指出其在岩土工程勘察领域应用中的关键技术。基于超小型冷阴极脉冲式X射线管及成像设备搭建随钻原位CT实验平台,实验结果表明该方法能够实现原位岩心数字采样与CT快速重构。在此基础上明确后续研究重点和关键技术,主要包括2D/3D CT快速重构新理论和新方法,解析CT重构图像与岩土颗粒特性之间的关系以及局部精细结构重建算法,构建精确的原位岩心3D微观结构模型;结合3D打印技术制备原位置岩土准样本,研究等效准样本的力学特性;建立时-空四维岩土工程勘察数据库,引入人工智能算法形成具有学习和预测的反馈评价体系,对丰富当前岩土工程勘察方法和完善原位CT技术具有重要的科学意义。