天然致密(mi)砂巖孔隙(xi)結構(gou)的3D打印與(yu)流體(ti)輸運(yun)特性(xing)研究(jiu)

流體(ti)在巖石孔隙(xi)中(zhong)的運(yun)移(yi)規(gui)律(lv)及其(qi)流固耦(ou)合效(xiao)應是地(di)下(xia)油(you)氣(qi)儲(chu)備(bei)與(yu)開發(fa)的核心科學問題(ti)，也(ye)是(shi)導(dao)致不(bu)同(tong)工程(cheng)災害(hai)或工程(cheng)難題的重(zhong)要因素。精確表征(zheng)巖石微觀孔隙(xi)結構(gou)，揭示微(wei)觀(guan)孔隙(xi)結構(gou)與(yu)流體(ti)輸運(yun)特性(xing)的內在關聯，是(shi)開展(zhan)深部(bu)巖體(ti)相關工(gong)程(cheng)研究(jiu)的基礎。

近期，中(zhong)國科(ke)學院武漢(han)巖土力(li)學研究(jiu)所(suo)的宋(song)睿(rui)副(fu)研究(jiu)員、劉建軍(jun)研究(jiu)員、楊春(chun)和(he)研究(jiu)員聯合(he)西南(nan)科(ke)技大學的汪堯博士(shi)等(deng)人(ren)提出(chu)了(le)壹種利用(yong)3D打(da)印和(he)微CT成像技術(shu)實現致密(mi)砂巖復(fu)雜(za)孔隙(xi)結構(gou)定量(liang)表征(zheng)和(he)多相流體(ti)輸運(yun)特性(xing)的可視(shi)化研(yan)究(jiu)方法(fa)。研究(jiu)團隊(dui)利用(yong)新(xin)型(xing)的面(mian)投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻技術(shu)（PμSL，nanoArch S130，摩方精(jing)密）實現了(le)致密(mi)砂巖孔隙(xi)模型(xing)的原(yuan)位(wei)尺(chi)度打印（~2μm光(guang)學分辨率(lv)），再(zai)現(xian)了(le)致密(mi)砂巖復(fu)雜(za)孔隙(xi)系統的三(san)維拓撲(pu)結構(gou)特征(zheng)與(yu)空(kong)間連(lian)通(tong)性(xing)。研究(jiu)人員對比(bi)分析了(le)3DP巖心與(yu)數字巖心（DRP）模擬(ni)得到(dao)的孔徑(jing)分布（PSD）、孔隙(xi)度和(he)絕對滲透率(lv)的差(cha)異(yi)；同(tong)時結合(he)原(yuan)位(wei)CT成(cheng)像(xiang)技術(shu)開展(zhan)了(le)3DP巖心可視(shi)化CO2驅油(you)實驗，並與(yu)實驗基準數據進行(xing)了(le)比(bi)較。研(yan)究(jiu)成果為定量(liang)表征(zheng)巖石復(fu)雜(za)孔隙(xi)結構(gou)特征(zheng)及其(qi)中(zhong)多相(xiang)流體(ti)輸運(yun)機制提供了(le)新(xin)的工具，具有廣(guang)闊(kuo)的應用(yong)前(qian)景。論(lun)文研(yan)究(jiu)工作得到(dao)國家(jia)自(zi)然科學基金，武漢(han)市知識(shi)創(chuang)新(xin)專(zhuan)項（基礎研究(jiu)）和(he)四(si)川(chuan)省自(zi)然科學基金等(deng)項目(mu)的支持。相關研(yan)究(jiu)成果以(yi)“3D Printing of natural sandstone at pore scale and comparative analysis on micro-structure and single/two-phase flow properties"為(wei)題(ti)發(fa)表在《Energy》期刊(kan)上。

圖1. 基於CT圖像與(yu)面(mian)投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻技術(shu)的致密(mi)砂巖微觀孔隙(xi)結構(gou)提取與(yu)3D打印制備(bei)流程(cheng)(a)天然致密(mi)砂巖的微CT掃(sao)描(miao)；(b)數字圖像處(chu)理(li)與(yu)巖心重(zhong)建(jian)；(c)面(mian)投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻3D打(da)印成型(xing)

該研(yan)究(jiu)中(zhong)所(suo)采用(yong)的天然巖心樣本為海(hai)相致密(mi)砂巖。通過從原(yuan)始(shi)巖心中(zhong)鉆(zuan)取直徑約為5mm的小巖心柱塞樣本，利用(yong)蔡司(si)Xradia MICROXCT-400三(san)維成像系統進(jin)行(xing)微(wei)CT掃(sao)描(miao)成(cheng)像，獲取天然巖心孔隙(xi)結構(gou)的微CT圖像（如(ru)圖1a所(suo)示），並將(jiang)其(qi)用(yong)於(yu)孔隙(xi)空(kong)間提取、數字巖心重(zhong)建(jian)與(yu)模擬(ni)（如圖1b）；然後，基於數字圖像處(chu)理(li)轉化(hua)為(wei)3D打(da)印通用(yong)的.stl文件，利用(yong)BMF公(gong)司(si)的面(mian)投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻成(cheng)型(xing)技術(shu)完成(cheng)孔隙(xi)模型(xing)的3D打印（如圖1c所(suo)示）。

圖2. 3D打印巖心與(yu)天然巖心微觀孔隙(xi)結構(gou)的對比(bi)分析(a)基於偏光(guang)顯微(wei)鏡(jing)和(he)CT成像得3DP巖心孔隙(xi)結構(gou)表征(zheng)；(b)基於圖像校(xiao)準(zhun)的3DP巖心與(yu)原(yuan)始(shi)巖心孔隙(xi)結構(gou)拓撲(pu)形(xing)態(tai)特(te)征(zheng)的對比(bi)分析；(c)孔隙(xi)結構(gou)特征(zheng)參(can)數的計算與(yu)分析

為(wei)表征(zheng)3D打印巖心在復(fu)刻(ke)天然巖心孔隙(xi)結構(gou)特征(zheng)方面(mian)的準確性(xing)，該團隊(dui)分別采(cai)用(yong)偏光(guang)顯微(wei)鏡(jing)和(he)微CT成像對(dui)3DP巖心的2D/3D微觀孔隙(xi)結構(gou)特征(zheng)進行(xing)了(le)定量(liang)表征(zheng)（如圖2a所(suo)示）。基於團隊(dui)自(zi)行(xing)開(kai)發(fa)的數字圖像處(chu)理(li)與(yu)模型(xing)重(zhong)建(jian)技術(shu)，分別研(yan)究(jiu)了(le)3DP巖心孔隙(xi)分布特征(zheng)，並與(yu)天然樣品的實驗室(shi)測試結果進行(xing)了(le)對(dui)比(bi)分析，結果表明3DP巖心和(he)原(yuan)始(shi)樣品的PSD分布總(zong)體(ti)上壹致（如(ru)圖2c所(suo)示）。在對(dui)3DP巖心和(he)原(yuan)始(shi)巖心CT圖像手動校(xiao)準的基礎上，團隊(dui)采用(yong)開(kai)源圖像處(chu)理(li)軟件（Fijiyama）中(zhong)的塊匹配算(suan)法(fa)（Block-Matching Algorithm）實現了(le)3DP巖心CT圖像與(yu)原(yuan)始(shi)樣品CT圖像的自(zi)動配準(zhun)，並作為後續分析的基準數據（如圖2b所(suo)示）。結果表明，3DP巖心與(yu)原(yuan)始(shi)巖心孔隙(xi)特征(zheng)吻合(he)較好(hao)，驗(yan)證了(le)3DP巖心在微(wei)米(mi)尺(chi)度下(xia)再(zai)現(xian)巖石微觀結構(gou)的可行(xing)性(xing)和(he)適用(yong)性(xing)。

在此(ci)基礎上，團隊(dui)以(yi)分割的微CT圖像為(wei)數據藍(lan)本，引(yin)入峰(feng)值信噪比(bi)（peak signal-to-noise ratio, PSNR）和(he)結構(gou)相似(si)性(xing)指數度量（structural similarity index measure, SSIM）兩(liang)個關鍵(jian)參(can)數對3DP巖心孔隙(xi)結構(gou)特征(zheng)進行(xing)表(biao)征(zheng)，以(yi)量(liang)化(hua)3DP巖心與(yu)原(yuan)始(shi)巖心孔隙(xi)結構(gou)的保真(zhen)度（如圖2c所(suo)示）。PSNR用(yong)於(yu)衡量相同(tong)空(kong)間位(wei)置上孔隙(xi)特征(zheng)參(can)數（大小(xiao)和(he)坐標位(wei)置）的絕對誤差(cha)。SSIM用(yong)於(yu)測量兩(liang)個圖像之(zhi)間(jian)的相似(si)性(xing)，用(yong)於(yu)評估相(xiang)應位(wei)置上的孔隙(xi)是否(fou)由(you)3D打(da)印機識(shi)別。計(ji)算(suan)結果表明：本(ben)文中(zhong)3DP巖心的PSNR值介於[9.010，14.983]之(zhi)間(jian)，其(qi)SSIM值(zhi)介於[0.870，0.925]之間(jian)。大多(duo)數孔隙(xi)特征(zheng)被打(da)印識(shi)別，但(dan)壹些(xie)孔隙(xi)並不(bu)在原(yuan)始(shi)尺寸(cun)或位(wei)置上。由(you)於(yu)後(hou)處(chu)理(li)過程(cheng)中(zhong)，樣品近端(duan)部(bu)的液體(ti)樹脂(zhi)更(geng)容(rong)易被去除(chu)，因此(ci)頂/底部(bu)結構(gou)的打印精度優於其(qi)他部(bu)分，顯示出(chu)更(geng)高(gao)的SSIM值。

在3DP巖心與(yu)原(yuan)始(shi)巖心孔隙(xi)結構(gou)特征(zheng)對比(bi)分析的基礎上，團隊(dui)針(zhen)對3DP巖心的流體(ti)輸運(yun)特性(xing)開展(zhan)了(le)進(jin)壹步的研究(jiu)。利用(yong)自(zi)行(xing)設計(ji)的基於原(yuan)位(wei)微(wei)CT成(cheng)像的可視(shi)化滲流試驗(yan)系統分別進(jin)行(xing)了(le)3DP巖心的飽和(he)油(you)和(he)CO2驅油(you)試(shi)驗(yan)（如圖3a所(suo)示）。分別采(cai)集(ji)了(le)飽和(he)油(you)狀(zhuang)態(tai)與(yu)驅替(ti)完(wan)成(cheng)時3DP巖心的微CT圖像（如(ru)圖3b所(suo)示）。為(wei)了(le)消(xiao)除(chu)不(bu)同(tong)掃(sao)描(miao)階(jie)段(duan)樣品放置的人為誤差(cha)，研(yan)究(jiu)人員對獲取的CT圖像也(ye)進(jin)行(xing)了(le)手動校(xiao)準和(he)圖像配(pei)準(zhun)操作。分析結果表明：註(zhu)入(ru)CO2氣(qi)體(ti)主(zhu)要沿(yan)孔隙(xi)中(zhong)部(bu)流動，導(dao)致顆粒(li)表(biao)面(mian)出(chu)現大規(gui)模(mo)殘余油(you)。考(kao)慮到(dao)制(zhi)備3DP巖心使用(yong)的HTL樹脂(zhi)是(shi)強(qiang)油(you)濕性(xing)，殘余油(you)相(xiang)優先(xian)附著(zhe)到(dao)固(gu)體(ti)表面(mian)。當註(zhu)入(ru)流體(ti)發(fa)生(sheng)突(tu)破(po)時，樣品中(zhong)會留(liu)下(xia)很(hen)大部(bu)分以(yi)油(you)膜形(xing)式分布的殘余油(you)。在油(you)濕性(xing)巖心中(zhong)，毛細管壓力(li)是(shi)註(zhu)入(ru)CO2的阻(zu)力(li)，導(dao)致大量(liang)殘留油(you)塊(kuai)被(bei)毛管(guan)力(li)卡(ka)斷(duan)在小(xiao)孔中(zhong)。此外，研究(jiu)團隊(dui)對3DP巖心和(he)原(yuan)始(shi)巖心的原(yuan)位(wei)接觸(chu)角進(jin)行(xing)了(le)計(ji)算與(yu)對比(bi)分析，討論了(le)微(wei)觀潤(run)濕性(xing)在殘余流體(ti)捕獲機制(zhi)中(zhong)的影響（如圖3c所(suo)示），並進(jin)壹步提取了(le)CO2驅替(ti)後(hou)3DP巖心的孔隙(xi)網絡模型(xing)，對(dui)驅替(ti)過程(cheng)中(zhong)CO2氣(qi)體(ti)的主(zhu)要滲流通道(dao)以(yi)及(ji)微(wei)觀(guan)賦(fu)存(cun)狀(zhuang)態(tai)進行(xing)了(le)討論與(yu)分析。結果表明，註(zhu)入(ru)氣(qi)體(ti)主(zhu)要沿(yan)3DP巖心的左側(ce)分布，註(zhu)入(ru)CO2沿(yan)優先(xian)通(tong)道突(tu)破(po)，與(yu)剩(sheng)余(yu)油(you)分布壹致。考(kao)慮到(dao)註(zhu)入(ru)CO2的操作壓力(li)低於最小混(hun)相(xiang)壓力(li)，驅替(ti)過程(cheng)為不(bu)混相氣(qi)-液(ye)流，界面(mian)張力(li)和(he)註(zhu)入(ru)流體(ti)粘(zhan)度的降低有助(zhu)於提高(gao)波及(ji)效(xiao)率和(he)采收(shou)率。（如(ru)圖3c所(suo)示）。