基于数字岩心的含流体岩石弹性参数模拟
发布时间：2021-11-16 06:47
岩石是一种天然的多孔介质,在地下深处通常饱和着各种流体。地层里的岩石通常由骨架、孔隙和饱和流体三类要素构成。这三类要素的不同组分和组成方式主要受沉积环境和沉积过程等因素的影响,所有这些因素影响着岩石的宏观物理性质。在化石能源的开采过程中,一般需要测试岩石的孔隙度、渗透率和饱和度三种关键性质,通常采用的手段有孔渗实验、测电阻率、超声测速等。但这些手段只能反映岩石宏观的物理性质和流体饱和度,并不能从微观解释岩石的内部孔隙结构。而数字岩石模型分析可以弥补传统物理实验的不足,通过数字信号重构岩石复杂的微观结构,为岩石物理学研究提供了一个新手段。本文以人造砂岩为研究对象,利用微米CT按一定的微分尺度对岩石进行逐层扫描,得到直观反映岩石孔隙微观结构的图像;再结合图像处理技术,提取岩心的微观单元结构,并建立具有真实孔隙结构特征的三维数字岩心模型,将扫描得到的模拟信号模型转化为数字信号;最后针对数字信号模型采用Garboczi提出的有限元计算方法,得到应力应变关系,再利用各向同性胡克定律计算声波在岩石中的传播速度。本文通过LIGGGHTS软件建模,用数学形态法模拟流体在岩石内部的不同分布方式。用有限元...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
枫丹白露砂岩的数字岩心模型(引自斯坦福大学)
第2章CT扫描岩心成像12第2章CT扫描岩心成像CT仪器主要分为：（1）基于X射线发生器CT成像方法，分辨率在几十微米~几微米，这一分辨率水平已能充分满足一般规模颗粒、孔隙及流体空间特征的研究需要。MartinJ.Blunt（2013）[60]通过造影对多个岩石类型做成像比对，各自成像分辨率控制到2.65μm左右的水平；（2）由同步加速机成像技术可知，该技术获得的结果分辨率高于第一种，该技术的优势在于能够获得微孔隙（尺寸小于1μm）存在情形下相对准确的孔隙成像结果。澳大利亚国立大学借助其自制微型CT扫描工具，于2004年获得了图1.2所示的研究成果。由该成果可知，其所获得的数字岩心图像达到了不高于2μm的分辨率水平，最大视域和体素数分别达到55mm和2048×3。ClaudioMadonna[61]则获得了扫描视野相对较小但分辨率水平为0.38μm的贝雷砂岩、枫丹白露砂岩成像结果。除上述方法之外，SEM、TEM、FIB-SEM等成像方法也表现出可靠的精度水平，纳米级别的成像精度已能够充分满足研究需要。如果想得到的分辨率越高，所需测量的样品就越小，并且扫描的视域也就越小，所测量的样品也就越微观，非均质性就越强，同时测量的时间也会随着分辨率的增加而增加。在目前的无损检测领域，仪器成像技术得到了良好应用，在研究分析材料孔隙度、速度、电阻率及渗透率等问题方面也发挥了积极作用，极大提升了相关研究的科学水平。（a）分辨率5.6μm（b）分辨率3.04μm图1.2澳大利亚国立大学XCT实验室应用自制的微CT扫描系统得到的砂岩和碳酸盐岩Fig.1.2SandstoneandcarbonaterocksfromtheNationalUniversityofAustralia"sXCTlaboratoryusingaself-mademicro-CTscanningsystem
第2章CT扫描岩心成像14图2.1CT扫描成像原理Fig.2.1CTscanningimagingprinciple微米CT的工作原理如下：Micro-CT设备的核心构成元件为X射线发生器、探测器、旋转台等。在扫描前，预热X射线发生器（时间大约45分钟），发射波长是基本相同的锥形光；扫描时将切割好的圆柱状样品放于旋转台上，关门仓门，调节参数，尽可能提高分辨率，使样品图像清晰；调节好参数后，开始扫描。在扫面过程中，当经过物体时，在物体结构与成分的影响下，X射线将发生复杂的物理变化过程，产生特定的光电效应、电子对效应、康普顿效应等，各效应所形成的能量将在辐射的过程中发生吸收效应而衰减，衰减结果将由检测器进行接收并以投影图像的形式在计算机上进行显示和保存。在旋转台旋转的过程中，每隔特定角度将获得一张样品投影照片，在完成周圈旋转之后获得若干图像并完成扫描处理。样品密度的差异与组分的差异将使其呈现出不同的射线吸收能力。通常情况下，样品密度与其射线吸收能力正相关，与灰度图片不同区域的亮度水平正相关（由0-255表示显示颜色由黑色转变为白色）。一般在岩石样品的扫描图中，黑色表示孔隙，白色为硬度较高的矿物（如黄铁矿、石英等）。射线衰减情况可以通过以下公式进行描述：()10I=Iexpx,ydl(2.1)在上述公式中，当X射线穿进岩心之后，其强度将由I0衰减为I1，μ（x,y）代表二维层面的岩心衰减系数分布函数，dl表示射线在岩心中走过的路径，在X射线穿越矿物的过程中，其衰减情况会因岩石组分、结构的差异而有所差异，因此，函数μ（x,y）的结果能够对其内部结构进行描述。对于CT扫描而言，可借助以下公式对其投影值进行计算：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验[J]. 刘向君,朱洪林,梁利喜. 地球物理学报. 2014(04)
[2]三维数字岩心建模方法综述[J]. 刘学锋,张伟伟,孙建孟. 地球物理学进展. 2013(06)
[3]数字岩心技术研究现状及发展趋势[J]. 齐林海. 内蒙古石油化工. 2012(19)
[4]多孔介质孔隙网络模型的应用现状[J]. 高慧梅,姜汉桥,陈民锋. 大庆石油地质与开发. 2007(02)
[5]数字岩心建模及其准确性评价[J]. 赵秀才,姚军. 西安石油大学学报(自然科学版). 2007(02)
[6]模拟固体中波动过程的细胞自动机建模研究[J]. 胡健行,李幼铭. 地球物理学报. 1997(01)
[7]细胞自动机在地震波传播研究中的应用[J]. 李幼铭,胡健行. 地球物理学报. 1995(05)
本文编号：3498362
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
枫丹白露砂岩的数字岩心模型(引自斯坦福大学)
第2章CT扫描岩心成像12第2章CT扫描岩心成像CT仪器主要分为：（1）基于X射线发生器CT成像方法，分辨率在几十微米~几微米，这一分辨率水平已能充分满足一般规模颗粒、孔隙及流体空间特征的研究需要。MartinJ.Blunt（2013）[60]通过造影对多个岩石类型做成像比对，各自成像分辨率控制到2.65μm左右的水平；（2）由同步加速机成像技术可知，该技术获得的结果分辨率高于第一种，该技术的优势在于能够获得微孔隙（尺寸小于1μm）存在情形下相对准确的孔隙成像结果。澳大利亚国立大学借助其自制微型CT扫描工具，于2004年获得了图1.2所示的研究成果。由该成果可知，其所获得的数字岩心图像达到了不高于2μm的分辨率水平，最大视域和体素数分别达到55mm和2048×3。ClaudioMadonna[61]则获得了扫描视野相对较小但分辨率水平为0.38μm的贝雷砂岩、枫丹白露砂岩成像结果。除上述方法之外，SEM、TEM、FIB-SEM等成像方法也表现出可靠的精度水平，纳米级别的成像精度已能够充分满足研究需要。如果想得到的分辨率越高，所需测量的样品就越小，并且扫描的视域也就越小，所测量的样品也就越微观，非均质性就越强，同时测量的时间也会随着分辨率的增加而增加。在目前的无损检测领域，仪器成像技术得到了良好应用，在研究分析材料孔隙度、速度、电阻率及渗透率等问题方面也发挥了积极作用，极大提升了相关研究的科学水平。（a）分辨率5.6μm（b）分辨率3.04μm图1.2澳大利亚国立大学XCT实验室应用自制的微CT扫描系统得到的砂岩和碳酸盐岩Fig.1.2SandstoneandcarbonaterocksfromtheNationalUniversityofAustralia"sXCTlaboratoryusingaself-mademicro-CTscanningsystem
第2章CT扫描岩心成像14图2.1CT扫描成像原理Fig.2.1CTscanningimagingprinciple微米CT的工作原理如下：Micro-CT设备的核心构成元件为X射线发生器、探测器、旋转台等。在扫描前，预热X射线发生器（时间大约45分钟），发射波长是基本相同的锥形光；扫描时将切割好的圆柱状样品放于旋转台上，关门仓门，调节参数，尽可能提高分辨率，使样品图像清晰；调节好参数后，开始扫描。在扫面过程中，当经过物体时，在物体结构与成分的影响下，X射线将发生复杂的物理变化过程，产生特定的光电效应、电子对效应、康普顿效应等，各效应所形成的能量将在辐射的过程中发生吸收效应而衰减，衰减结果将由检测器进行接收并以投影图像的形式在计算机上进行显示和保存。在旋转台旋转的过程中，每隔特定角度将获得一张样品投影照片，在完成周圈旋转之后获得若干图像并完成扫描处理。样品密度的差异与组分的差异将使其呈现出不同的射线吸收能力。通常情况下，样品密度与其射线吸收能力正相关，与灰度图片不同区域的亮度水平正相关（由0-255表示显示颜色由黑色转变为白色）。一般在岩石样品的扫描图中，黑色表示孔隙，白色为硬度较高的矿物（如黄铁矿、石英等）。射线衰减情况可以通过以下公式进行描述：()10I=Iexpx,ydl(2.1)在上述公式中，当X射线穿进岩心之后，其强度将由I0衰减为I1，μ（x,y）代表二维层面的岩心衰减系数分布函数，dl表示射线在岩心中走过的路径，在X射线穿越矿物的过程中，其衰减情况会因岩石组分、结构的差异而有所差异，因此，函数μ（x,y）的结果能够对其内部结构进行描述。对于CT扫描而言，可借助以下公式对其投影值进行计算：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验[J]. 刘向君,朱洪林,梁利喜. 地球物理学报. 2014(04)
[2]三维数字岩心建模方法综述[J]. 刘学锋,张伟伟,孙建孟. 地球物理学进展. 2013(06)
[3]数字岩心技术研究现状及发展趋势[J]. 齐林海. 内蒙古石油化工. 2012(19)
[4]多孔介质孔隙网络模型的应用现状[J]. 高慧梅,姜汉桥,陈民锋. 大庆石油地质与开发. 2007(02)
[5]数字岩心建模及其准确性评价[J]. 赵秀才,姚军. 西安石油大学学报(自然科学版). 2007(02)
[6]模拟固体中波动过程的细胞自动机建模研究[J]. 胡健行,李幼铭. 地球物理学报. 1997(01)
[7]细胞自动机在地震波传播研究中的应用[J]. 李幼铭,胡健行. 地球物理学报. 1995(05)
本文编号：3498362
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