岩心、岩石中CT扫描检测方案(工业CT)

SkyScan 1172 micro-CT 扫描图像原理说明及部分岩石孔隙和油水识别成果介绍 Fig 0.0 SkyScan 1172 m-CT扫描仪设备实拍图片 1扫描基本原理介绍 任何X射线投射影像都符合三维物体的二维投射原则。最简单说来，我们可以把其近似看作为X射线平行光束，则投射影像的每一点都包含三维物体对相应X射线光束吸收程度的综合信息。 从几何学角度分析，一系列一维的投射线重构成二维影像，而二维影像又重构为三维影像(Fig 1.1)。 Fig 1.1：平行光束几何学 下面举例说明样品的二维重构原理。假设我们的样品在只有一个X射线吸收点(Fig 1.2， 左)，在一维投射直线影像中，吸收强度明显减弱(右)。现在我们初始化计算机存储器，其中一个空的像素数组会被用于储存投射影像数据，要求样品要整个处于照相机视野里(投射影像区域)。因为我们一旦有了物点的投射影像，就能在计算机存储器中记录下所有物点重构区域。 Fig 1.2：对物体3个不同方向的投射数据及其相应重构情况示意图 现在我们使样品以一定的角度为旋转步长，从不同角度获取样品投射影像后，一个新的投射影像就会存储在计算机存储器里。所有这些影像都累加到重组区域它们相应的位置中，这项操作就称作“作京 (back projection)”。从多个不同角度扫描就能获取更多多射影像，影像数目的多少可决定影像重组的质量( Fig1.3)。 Fig 1.3：以渐增的角度对物点进行重构 在对一定数量的若干投射影像进行重构的前提下，我们可以获得高清晰度的影像，即使是样品内部的结构也清晰可见。实际上并不存在能产生绝对平行光束的X射线光源，通常用到的的是点光源和扇形X射线光束。对于X射线断层摄影技术，解决方法是重新排列影像信息。从若干不同角度的扇形光束各取出一部分可重新组合为新的类平行光束， 见fig 1.5。 Fig 1.5： X射线扇形光束重排为平行光束 Fig 1.6：扇形光束几何学 在扇形光束几何学中 (fig 1.6)，重构图像中远离光轴的部分会出现一些失真。为了解决这个误差的问题，我们我用三维锥形光束重构法则(例如Feldkamp法则)来把物体的厚度考虑进去。 换句话来说，从前到后穿透物体的光束投射到照相机感应器上时不在同一直线上，见fig 1.7。因而截面重构最快的一个截面就是位于光轴的截面，因为不用涉及到厚度信息。 Fig 1.7：锥形光束几何学 在X射线扫描过程中，所得影像还包含了三维物体中X射线强度衰减信息，但X射线吸收是个指数幂的过程，我们能用对数公式修正影像的线性吸收信息。此操作是非线性的，因而任何信号范围内的噪声都有可能对重构造成明显误差，然而可以用原始数据的平均值协同对数计算结果来减低误差。同时，我们也试图用减低信号噪声来尽可能获取最可靠的信息。另一个在图像重构过程中减低噪声的有效方法就是上述的在噪声峰值处添加“负吸收”补偿，进行背投褶积(convolution)，因而正确选择参数对于保证噪声减除质量尤为重要。 SkyScan 1172是新一代桌面micro-CT的代表，在机械构造方面有了新的改进，样品台和X射线照相机均可以移动，这一改进空前的使图像分辨率、样品大小限制、扫描速度和样品量等参数达到最佳结合点。SkyScan 1172创新的可调节设计特别有利于中等分辨率水平，此时扫描速度会是旧型号的十倍左右(获取同样的或更好的图像质量)。 1172配有2种X射线照相机可供选择：—一种是高性能型的1000万像素相机，另一种是经济型的130万像素照相机。1000万像素的照相机可以满足各种扫描功能，图像视野宽度达68mm (双重图像模式)或35 mm(标准图像模式)，能达到1 um以下的分辨率。扫描样品的高度限制是大约70mm， 单个样品或一系列批量较小样品均可。 2目前阶段成果介绍 2.1岩心参数随孔隙流体压力变化规律研究 为研究随孔隙内流体压力上升岩心孔隙结构的变化规律，对进行了压力敏感 实验的岩心进行了 CT 扫描。在恒定围压条件下，随孔隙内流体平均压力在原始压力条件下逐渐上升，对不同渗透率级别的岩心进行了孔隙流体压力敏感性实验，原始压力条件 CT 扫描图片和最高压力条件下 CT 结构扫描图片见图1，孔隙结构参数变化结果见表1。 图2.1流体压力为 8.035Mpa 和流体压力为 16.045MPa岩心图片 为研究随着孔隙内流体压力下降岩心结构参数的变化，对上述进行降低孔隙流体压力的岩心进行 CT结构扫描。岩心的 CT 结构扫描图片见图2，孔隙结构分析结果见表2. 对渗透率大于 2.5×10°um的岩心，在恒定围压条件下，岩心孔隙结构随着地层孔隙内流体压压的在原始压力条件下逐渐下降的 CT 结构扫描分析结果见 图2.2流体压力为8.035MPa 和流体压力 为 2.09MPa 岩心图片 表1岩心孔喉参数和孔隙流体压力关系(压力上升) 序号 孔隙流体压力/MPa 14-1(0.45×10um) 8-1(4.46×10um) 14-3(10.46×10°um) 孔隙度/% 孔隙直径/um 平均配位数 孔隙度/% 孔隙半径 /um 平均配位数 孔隙度/% 孔隙直径/pm 平均配位 数 1 8.035 15.2 3.28 2.13 16.4 1.62 2.61 14.29 3.28 2.8 2 10.085 15.21 3.28 2.1 16.41 1.63 2.63 14.3 3.28 2.81 3 11.935 15.2 3.28 2.09 16.43 1.64 2.67 14.3 3.28 2.83 4 14.075 15.22 3.282 2.12 16.45 1.64 2.68 14.31 3.282 2.84 5 16.045 15.22 3.284 2.13 16.45 1.64 2.69 14.31 3.284 2.85 表2岩心孔喉参数和孔隙流体压力关系(压力下降) 序号 孔隙流体压力/MPa 14-2(0.45×10°um) 31-6(5.02×10um) 49-7-1(15.30×10um) 孔隙度/% 孔隙直径/pm 平均配位数 孔隙度/% 孔隙半径/um 平均配位数 孔隙度/% 孔隙直径 平均配位 /um 数 1 8.035 15.21 1.5 2.21 16.4 1.75 2.51 21.01 3.34 2.7 2 7 14.99 1.28 2.21 16.37 1.75 2.46 21 3.2 2.64 3 6.075 14.95 1.38 2.13 16.34 1.75 2.43 21.01 3.16 2.61 4 5.095 14.94 1.22 2.1 16.33 1.75 2.31 21 3 2.56 5 3.995 14.91 1.04 2.08 16.32 1.75 2.28 21 2.82 2.54 6 2.09 14.9 0.84 2.02 16.32 1.75 2.24 21 2.62 2.53 2.2 CT扫描对岩石孔隙三维重构应用 通过 CT 扫描设备获取样品结构信息后，进行了二维孔隙信息的识别和测量，获取了孔隙结构尺寸信息(见图2.3和图2.4)。同时为了对比岩心内部不同位置的孔隙结构，直接进行二维空间结构识别，识别图象见图2.1和图2.2。为了从三维空间了解岩石的发育规律和变化，进行了岩石样品的三维空间结构重构，岩石整体重构图见图2.5，岩心骨架重构结果见图2.6，三维模型直观的反映了岩石的发育状况，为孔隙空间发育规律研究提供了有利工具。 图2.3岩心孔道连通状况识别界面 图4扫描材料孔隙结构分析界面 图5 CT扫描重构三维模型 图6岩心三维模型骨架发育 【摘要】显微CT技术在石油地质检测中具有很多方面的优点，能够对实体进行无损检测，通过对透视投影数据进行重建，可以直接表征出实物内部微观结构的三维立体信息，可以将实物更加直观地表现出来。这些优点使得显微CT技术有着广阔的应用前景。不仅可以应用在石油地质监测中，还可以对低原子序数的有机物和高原子序数的重金属进行检测。本文首先简要介绍了显微CT技术的特点，然后重点分析了该技术在石油地质中的应用。 中国论文网 http://www.xzbu.com/6/view-5747188.htm　　【关键词】显微CT技术；石油地质；应用 　　1、引言 　　随着我国经济和社会的飞速发展，对能源尤其是石油资源的需求量不断增长，迫切地需要扩大油气储量，提高石油的开采率，尤其是低渗透率低孔隙度储层中的油气资源。目前该类油层中的油气资源开发中还存在着一些技术上的难度。因此，必须加强先进技术在石油地质中的应用研究。 　　随着显微CT技术的日趋成熟，其在地质学中应用的范围和领域正在不断扩大。在石油地质学中，利用显微CT技术对重建的储层岩心进行扫描分析，可以准确地获得岩石内部的结构信息，并且重构的三维数字岩心模型能在还原岩石孔隙骨架空间结构的基础之上模拟流体路径。近年来多孔介质微观孔隙结构3D图像技术正在不断发展，其在理论和实践方面的日趋成熟进一步促进了数字岩心技术在微观渗流理论研究中的应用，完善的微观渗流理论为微观尺度上原油采收率的提升提供了技术保障。 　　2、显微CT技术的特点 　　微计算机断层扫描技术简称显微CT技术，是一种具有高分辨率的显微图像处理技术。通过物体对X射线的反射和吸收不同将物体的精细结构扫描出来，进而在计算中成像。该技术能够将实物的立体3D结构精确地还原出来，扫描形成的图像几乎是物体的真实状态。显微CT技术具有其他传统技术无法比拟的优点，既直观又精细，在石油地质勘探中已经受到了广泛重视。现将显微CT技术的特点总结如下： 　　一、精确度相当高，分辨率可以调节，三维成像不仅质量高而且速度快。在计算机技术的辅助之下，显微CT扫描技术可以将储层岩石样品精确地还原出来，所形成的的图像具有超高的清晰度，立体3D效果也很明显。通过这个成像模型，可以得出岩石样品几乎所有的性能指标，包括孔隙度、连通性能以及结构信息等，甚至是样品细微的内部结构也能一目了然，使抽象的数据更加形象化。 　　二、成像速度快，同时具有较强的穿透力，较广的扫描范围。显微CT技术除了成像的精确度较高之外，还具有强穿透力、高速扫描的特点和优势，在进行大范围的光谱成像时能够连续进行。 　　三、能够将样品的密度显示出来。在已知标准样品的密度前提下，通过X射线的变化特点，显微CT技术就可以将样品内部每个点的密度计算出来。在进行密度计算之后可以对有研究价值的图像进行分割，或是变换不同的颜色，使之突显出来，进一步增强分辨率。 　　四、在岩心驱替实验的过程中进行扫描，可以测量出围压条件下样品的参数。 　　综上所述，显微CT技术具有许多传统成像技术无法企及的优势，克服了许多石油地质检测中的技术困难，实现了光学共焦技术、激光扫描技术、计算机技术和图像处理技术等多种技术的综合运用，对深入了解储层内部岩石孔隙的微观结构具有里程碑性的意义。 　　3、显微CT技术在石油地质中的应用 　　在石油地质中，显微CT技术已经被应用于许多领域，包括测定岩石的性质、确定矿物的成分、分析油层的损害程度以及岩石中心的油水规律等等。该技术的广泛应用不但提高了多孔介质微观孔隙结构图像的分辨率，而且还可以深入分析和研究孔隙中流体的渗流状态。显微CT技术在岩石的物理性质、特殊岩心的理化性质、岩心的结构特征以及采收率的提高等方面发挥了巨大的作用。目前，显微CT技术最广泛的应用就是构建微观孔隙的结构，具有准确、直观的优势。现将显微CT技术字石油地质中的主要应用总结如下： 　　一、显微CT技术能够利用岩心扫描技术分析出油藏层的主要物质及其颗粒大小、结构大小，包括碳酸岩、火成岩和泥岩等特殊岩层，并能准确地推测出其存在的赋存环境，为油气储层的研究提供强有力的信息支持。 　　二、准确地计算出了油岩石孔隙与喉道的大小，扩大了油气储集与运移的途径。尤其是近年来油气的埋藏深度不断增大，成岩作用进一步增强，致使储层中的原生孔隙日趋减少，而次生孔隙在碎屑岩层中的比例却有所增加，显微CT技术可以有效地分析出油气岩层中岩石的裂缝分布及其特征，还能够准确地判断出储层岩心的饱和度分布，使油气的聚集研究拥有高度精确的资料。 　　显微CT技术还可以用来筛选被污染的岩心，提升岩心的利用率和数据的分析精确度。利用显微CT成像技术可以对三维裂缝和孔洞进行重建，更加直观地将裂缝的的宽度、方位和体积等参数体现出来。孔隙度的连通结构是储层流动性的优势所在，显微CT观察可以精确地量化储层岩心的孔隙度连通性，进而制定出更加合理的开采方案。 　　三、通过观察模拟出油气渗流的详细内容，影响低渗油气藏渗流特征的因素是多方面的，包括应力作用、启动梯度作用等，虽然每种因素影响渗流的机理各不相同，但是均可引起低渗藏渗流的非线性变化。搞清每种因素的作用机理以及对渗流的影响，对油气藏的开发具有十分重要的意义。储层中岩石孔隙以及孔隙喉道的半径越宽，油气的流通性能越好。将孔隙度研究与渗透流研究结合起来，可以对油气藏的储层能力做出更加科学的评价。 　　显微CT技术可以将岩石的内部结构精确地显示出来，有利于分辨出储层渗透较为薄弱的部分，从而确定合理的改造方案，不断提高石油的采收率。显微CT岩心扫描切片水驱油实验技术具有传统驱替实验方法无法比拟的优点，能够将储层中微观孔隙结构的非均质变化程度定量的地显示出来，还可以对比不同驱替压力下注入水在不同微观孔隙结构中的渗流分布特点，完成整个动态显示。 　　四、显微CT技术在多孔介质剩余油的研究中也发挥出了巨大的作用，尤其是等量双变形孔介质。地下储层的孔喉网络、岩石骨架以及渗流特性等在长期的水驱开发的影响下已经发生了很大的变化，这就导致具有较高含水量的储层在开发的初级阶段微观剩余油的分布变得极其复杂，剩余油的分布模式有很多种，给开采和开发带来了极大的困难。显微CT技术的应用，可以对不同的驱替阶段和不同的剩余油模式进行连续的扫描，从而将岩石内部的孔隙以及剩余油分布以图象的形式清晰地呈现出来。加之辅助计算机技术以及图像分析处理软件，可以从中将有效的信息提取出来，分门别类，在三维立体空间将微观剩余油的分布展现出来，真实地反映了岩心的孔喉结构以及油水的分布特征。 　　4、结语 　　随着计算机技术和数字成像技术的不断完善，显微CT技术及其处理方法在石油地质中应用必将会不断扩大。其在特殊岩心的油藏分析中的优势，及其所具有的较高分辨率、较高精确度等特点都使显微CT技术具有相当广阔的发展前景。我们相信，显微CT技术在石油地质中的应用必将会不断促进油气储层的改善和油气田的开发，进一步提升油田的产量。国家应该加大该技术在非均质储层中的应用，改变国家的能源消费结构，促进我国石油产业的健康可持续发展。