數(shù)字巖心建模方法及應用綜述

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　　摘要:實際取樣的巖心，實驗耗時長，且由于很多巖石實驗對巖心有一定損害，必然給下一個實驗帶來困難和誤差。由于數(shù)字巖心是對實際巖樣的數(shù)值模擬，所以數(shù)字巖心模型可以替代實際巖心用于研究儲層的微觀因素。這不僅克服了實際取心困難、樣本少的難題，更解決了同一巖心數(shù)據(jù)多樣性的問題。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)字巖心技術也在不斷進步完善，數(shù)字巖心模型的建立也有了更多的方法與應用。各種方法有其優(yōu)缺點，在針對不同的問題需要選取合適的方法獲取模型。綜合國內(nèi)外的發(fā)展提出今后數(shù)字巖心技術發(fā)展趨勢。

　　關鍵詞:數(shù)字巖心;重建方法;巖石物理;數(shù)字模擬;X-CT掃描

　　0引言

　　巖石物理實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是連接宏觀與微觀的橋梁，對石油天然氣行業(yè)中勘探與開發(fā)有著不可或缺的作用。隨著石油天然氣開發(fā)的進行，如今大部分的油氣儲層是非常規(guī)的，這就給巖石物理實驗的開展帶來了很大困難，例如頁巖、具裂縫的碳酸鹽巖巖心的獲取，巖心的驅(qū)替問題等。要解決這些問題，僅靠傳統(tǒng)的實驗技術是不行的，結(jié)合計算機技術發(fā)展起來的數(shù)字模擬給出了新思路。

　　數(shù)字巖心技術是一種基于對實際巖心數(shù)字化或?qū)嶋H巖心模擬的技術。根據(jù)數(shù)字巖心技術做出的數(shù)字巖心模型有著類似于真實巖心的孔隙特性和組分特性，因此，可以在計算機中模擬巖石物理實驗條件，對數(shù)字巖心模型進行類似的實驗方法，得到相應的模擬數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)的巖石物理實驗，數(shù)字巖心技術速度快，成本低，精度高，可重復，能夠在微觀尺度上定量的考察各種因素對宏觀物理參數(shù)的影響。本文主要介紹數(shù)字巖心重建的幾種方法以及在石油天然氣行業(yè)的應用[1-2]。

　　1數(shù)字巖心建模方法

　　數(shù)字巖心的建模方法[3-9]根據(jù)建模數(shù)據(jù)的來源可以分為2種:物理重建與數(shù)值重建。物理重建即為全部依靠外部數(shù)據(jù)重建數(shù)字巖心，不通過計算機模擬巖心的結(jié)構(gòu)元素;數(shù)值重建則是部分依靠外部數(shù)據(jù)，然后根據(jù)計算機模擬出整塊數(shù)字巖心。

　　物理重建有幾種常用方法:序列成像法、MRI核磁共振成像法、X射線計算機層析成像(X-CT)掃描法和聚焦離子束電子顯微鏡(FIB-SEM)掃描法[10-12]。數(shù)值重建分為2類，分別為隨機法和過程法。隨機法具體方法有:完全隨機法、高斯場法、順序指示模擬法、模擬退火算法、多點統(tǒng)計法以及馬爾可夫鏈—蒙特卡洛法(MCMC法)。

　　1.1X射線計算機層析成像(X-CT)

　　基本原理為通過大量投影數(shù)據(jù)重建圖像。CT設備通過發(fā)射X射線投射在實驗樣本之上，根據(jù)投射射線的衰減情況確定被測物體的密度分布圖像，以此獲得巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細信息，其核心就是利用采集后的數(shù)據(jù)求解圖像矩陣中個像素的吸收系數(shù)，然后重構(gòu)圖像。

　　X-CT掃描法建立數(shù)字巖心主要包括3步:①對巖樣進行預處理后開展CT實驗(圖1)獲得投影數(shù)據(jù);②選取某種圖像重建方法由投影數(shù)據(jù)重建巖心灰度圖像;③采用圖像二值分割方法分離灰度圖像中的孔隙空間和巖石骨架建立數(shù)字巖心(圖2)。

　　1.2X射線計算機層析成像隨機法

　　隨機法有很多種方法，這里只對MCMC方法進行簡要說明。MCMC法源于圖像處理中的馬爾可夫隨機場的廣泛應用。該鏈描述了一種狀態(tài)序列，序列中的每個位置的狀態(tài)值都取決于前面有限個位置的狀態(tài)，這個狀態(tài)的概率稱為轉(zhuǎn)移概率。MCMC法重構(gòu)圖像的重點在于，利用轉(zhuǎn)移概率為每個像素點賦值，然后重構(gòu)[13-17]。

　　二維圖像可以看成一個矩陣，矩陣中的元素代表圖像中的像素。第1排從左向右，然后自上而下蛇行，根據(jù)一定的規(guī)律求得轉(zhuǎn)移概率。例如將第1個元素用孔隙度來賦值，第2個元素的值根據(jù)第1個來求得，第3個通過前2個來求得……第2排從右向左，第1個元素由第1排最右邊2個元素的聯(lián)合概率得到，第2個則是由其上3個元素和第1個元素的得到，依此類推，求得整個矩陣的元素(圖3)。在平面中，原則上，取2點相關和4點相關。盡管相關元素越多，所構(gòu)建的數(shù)字巖心越準確，但是這必然使得模型更加復雜。

　　三維的情況是二維的拓展，選擇的相關元素更為復雜。

　　1.3過程法

　　過程法即通過模擬巖石成巖過程包括沉積、壓實和成巖3個過程，得到數(shù)字巖心(圖4)。

　　沉積過程模擬的原理是顆粒的堆疊。利用巖心的粒度以及壓汞等巖心資料確定要堆疊顆粒的粒徑，一般將顆粒設置為規(guī)則體———球體。然后根據(jù)一定的規(guī)律排列顆粒。壓實過程的模擬則是模擬隨著沉積過程進行而產(chǎn)生的上覆壓力。根據(jù)實際巖心的孔隙度控制模擬過程的強度。成巖過程是將未固結(jié)疏松沉積物變?yōu)閹r石的過程。在顆粒的表面將發(fā)生巖石的溶解和礦物的沉淀，使得單個松散的顆粒膠結(jié)在一起形成多孔的固體巖石。模擬過程是模擬顆粒表面石英膠結(jié)物的生長作用。

　　2數(shù)字巖心技術的應用

　　數(shù)字巖心能夠展現(xiàn)巖心的全貌，甚至包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[18-20]。這就為研究者創(chuàng)造了研究微觀因素對宏觀影響的條件，所以數(shù)字巖心的應用大部分集中于研究微觀因素。

　　2.1巖石結(jié)構(gòu)探

　　尋巖石結(jié)構(gòu)是數(shù)字巖心最基礎的應用研究。研究巖心，無論是實體巖心還是數(shù)字巖心，實質(zhì)都是為了尋找儲層，而流體儲存在孔隙中的煤炭等固態(tài)能源也都為巖石組成部分。既然流體存儲在孔隙中，孔隙的研究就必不可少。且?guī)r石結(jié)構(gòu)研究有助于流體滲流和巖石屬性等更深層次問題的研究。對于孔隙的研究，限于當時的手段，只能用簡單管束代替孔隙模擬。而后隨著理論的進步與完善，對于孔隙的模擬往更加準確的方向發(fā)展，例如腐蝕、拓撲的應用。到目前發(fā)展到利用數(shù)字巖心建立孔隙網(wǎng)絡模型(圖5)，更加細致、精細地反映巖石結(jié)構(gòu)的復雜性。

　　2.2流體滲流

　　在巖石中流體的流動備受關注，因為流體滲流的研究關乎著油氣的采收。

　　滲流問題一直是流體力學中較為復雜的問題。在巖石孔隙中則更為復雜，尤其是孔隙中含有多相流體時。在虛擬的巖心上，可以控制其潤濕性，控制流體在其中的流動過程，并且可反復實驗，實驗周期短，這都有利于研究者清晰地了解和研究巖石的滲流過程。

　　2.3巖石各項屬性

　　針對不同的方向，研究巖石的屬性也不同，但總體來說是為了孔隙度、滲透率以及飽和度3個參數(shù)。之前2個應用也是基于此，孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙度有關，滲流特性與滲透率有關。而這里所研究的巖石各項屬性則是間接地求取以上3個參數(shù)。例如巖石的電性研究，聲學研究。

　　無論是電學研究還是聲學的研究，最基本的都是將巖心當作一種復合材料。研究巖心就是研究這種復合材料的各種屬性，電性研究即是導電性研究，聲學則是傳導性研究。

　　在電性方面，研究最多的是電性參數(shù)a，b，m，n。電性參數(shù)是關系到飽和度求取的重要參數(shù)。過去由于取心費用高昂，做電性實驗的巖心數(shù)量較少，這就給巖心的研究工作帶來了困難�，F(xiàn)在的數(shù)字巖心技術，可以模擬出大量巖心數(shù)據(jù)，如此便可基于大量數(shù)據(jù)研究巖石的電學特性，提高結(jié)論的準確性。

　　3數(shù)字巖心的發(fā)展

　　相較于國外，國內(nèi)對數(shù)字巖心的研究起步比較晚，但是發(fā)展的速度很快。有些研究機構(gòu)在數(shù)字巖心的某些方面上的研究甚至超過了國外水平。盡管對數(shù)字巖心已經(jīng)進行了很多研究，但是仍然存在很多問題需要解決。這就決定了數(shù)字巖心今后的發(fā)展方向[11，17-18，20]。

　　(1)針對物理重建的數(shù)字巖心，一方面，受限于分辨率，精度不夠，使得真實巖心的很多微小的結(jié)構(gòu)丟失，但是提高了分辨率必然使得數(shù)字巖心的尺寸變大，解決這個問題需要平衡分辨率與尺寸的大小使得數(shù)字巖心達到穩(wěn)定的狀態(tài);另一方面，由于實際巖心的非均質(zhì)性，反映到數(shù)字巖心上可能并不完整，畢竟數(shù)字巖心的每一塊像素是像素區(qū)域的平均，這就會造成組分計算的誤差。對于數(shù)值重建的數(shù)字巖心，則體現(xiàn)在計算速率上，大規(guī)模的數(shù)字巖心對模型的成熟度要求較高。

　　(2)數(shù)字巖心實質(zhì)是像素點的集合，這就必然需要圖像分割。不同的組分用不同像素值表示，因為數(shù)字巖心的非均質(zhì)性，有些組分比較相似，怎樣合理設置像素值，有效區(qū)分不同組分就成為一大問題。

　　(3)針對以上2個問題，有以下的解決方向:發(fā)展多尺度的數(shù)字巖心，不同重要性的區(qū)域利用不同的尺度表示;將數(shù)字巖心粗化，對孔隙結(jié)構(gòu)利用拓撲精確標示，這樣減少數(shù)字巖心模型計算時對計算機資源的占用。針對圖像學的內(nèi)容，可以探索新的成像技術，優(yōu)化已有的成像技術，尋找礦物組分與像素值間更加精確的關系。

　　4結(jié)語

　　數(shù)字巖心技術是用來研究巖石微觀結(jié)構(gòu)的一種方法。有多種手段可以創(chuàng)建3D數(shù)字巖心，各種手段都有優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際要求與標準選取方法。巖石微觀結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部流體的力學更是難以用方程或是圖像直觀描述，這給研究帶來了很大困難。隨著計算機技術的不斷進步，多學科的綜合應用在幫助研究者解決困難方面具有巨大前景。

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