基于納米CT數(shù)據(jù)的頁巖巖樣三維重構(gòu)

張 挺, 盧芳芳

(上海電力學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 200090)

基于納米CT數(shù)據(jù)的頁巖巖樣三維重構(gòu)

張 挺, 盧芳芳

(上海電力學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 200090)

根據(jù)納米CT獲得的真實頁巖數(shù)據(jù)重構(gòu)出三維頁巖巖樣.首先,利用納米CT獲取納米精度的頁巖體數(shù)據(jù),將這些頁巖體數(shù)據(jù)從二維灰度圖像形式轉(zhuǎn)換為二值化圖像;然后,將二值化后的頁巖體數(shù)據(jù)疊加獲得重構(gòu)的三維頁巖巖樣數(shù)據(jù),分析這些數(shù)據(jù)可以獲得頁巖巖樣的內(nèi)部孔隙分布特征.實驗表明,該方法可以獲得真實的頁巖三維結(jié)構(gòu),對頁巖的含氣性評價和流動規(guī)律研究具有重要意義.

頁巖; 孔隙; 重構(gòu); 納米CT

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣,成分以甲烷為主,是一種重要的非常規(guī)天然氣資源.頁巖氣體主要以游離態(tài)和吸附態(tài)存在于頁巖儲層中,頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)對其自身的吸附、滲流、擴散和滑脫等特性影響很大.頁巖中的微孔隙和微裂隙是頁巖氣的重要儲存空間與流通通道,因此,研究頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)對于頁巖的含氣性評價和勘探開發(fā)具有十分重要的意義[1-2].為了實現(xiàn)大范圍頁巖的三維重構(gòu),需要從真實的頁巖數(shù)據(jù)提取其孔隙分布特征,因此需要利用真實采集的頁巖數(shù)據(jù)進行頁巖重構(gòu),再分析提取其孔隙分布特征.

為頁巖等多孔介質(zhì)樣品提供準(zhǔn)確的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)較為困難.目前,連續(xù)切片法、聚焦離子光束法、激光掃描顯微法、X射線CT掃描、納米CT[3-5]等方法可獲得多孔介質(zhì)微米甚至納米精度的二維或三維數(shù)據(jù),為多孔介質(zhì)重構(gòu)研究提供了真實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).由于直接獲取巖心的三維數(shù)據(jù)費用昂貴且需要大量處理時間,因此現(xiàn)有的研究集中在利用二維圖像獲取孔隙結(jié)構(gòu)特征,再將上述二維圖像疊加獲得多孔介質(zhì)的三維結(jié)構(gòu).由于頁巖內(nèi)部是由孔隙和骨架構(gòu)成,因此利用分水嶺算法[6-7]對內(nèi)部孔隙進行分割.本文給出了利用納米CT掃描獲得的頁巖二維灰度圖像重構(gòu)真實頁巖三維孔隙骨架結(jié)構(gòu)的方法,對于頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析和頁巖氣開發(fā)具有較高的實際意義.

1 頁巖樣品的二維圖片處理

將一個頁巖樣品的巖心打磨成近似圓柱狀,再利用納米CT對該巖心進行掃描觀測.為方便下文分析,稱該巖心為Nano-2-11.納米CT的分辨率為64.2 nm/pixel.使用背景圖像去除投影像中的高能點,然后通過CT算法得到樣品的二維圖像.對上述圖像使用過濾函數(shù)去除噪聲,即得到一個二值化的二維圖像,具體操作步驟可以參見文獻[8].圖1是巖心Nano-2-11在去除高能點后的灰度圖切面.

圖1 巖心Nano-2-11的灰度圖切面

在得到頁巖巖心的切面圖像后,還需要對圖像進行一些增強處理和噪聲過濾,才能對孔隙結(jié)構(gòu)做進一步分析.通過閾值函數(shù)的處理,將得到的灰度圖轉(zhuǎn)換成二值的黑白圖像,其中黑色代表巖心的孔隙空間,白色代表巖心的骨架,如圖2所示.

采集巖心Nano-2-11的相關(guān)數(shù)據(jù),獲得其各層(共1 020層)的二值化切面圖像,每隔100層(第100層,第200層,第300層,…,第1 000層)的切面圖像如圖3和圖4所示.

圖2 閾值處理后Nano-2-11的二值化巖心切面

圖3 巖心Nano-2-11的第100～600層切面

從圖3和圖4可以看出孔隙和骨架的變化趨勢,但在圖像中仍然存在一些微小的點,形成了游離在巖心外的“骨架”(如圖4c右上角所示),這可能是由于殘余噪聲造成的.對這樣的情況,在每個骨架點鄰域設(shè)定一個搜索區(qū)域,如果在該區(qū)域內(nèi)的骨架點數(shù)小于某個閾值,則認(rèn)為該點是巖心外區(qū)域,通過該方法可以去除游離點.

圖4 巖心Nano-2-11的第700～1 000層切面

2 獲取頁巖樣品的三維結(jié)構(gòu)和孔隙統(tǒng)計數(shù)據(jù)

將巖心各個切面的數(shù)據(jù)疊加,重構(gòu)出巖心的三維結(jié)構(gòu),如圖5所示.

利用分水嶺算法對巖心Nano-2-11的三維結(jié)構(gòu)進行孔隙分割[6-7],獲得巖心中孔隙的分布數(shù)據(jù).巖心Nano-2-11一共有34 230個孔隙,其體積和表面積的分布圖如圖6所示.其中,橫坐標(biāo)代表孔隙的序號.體積和表面積的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1.

圖6 巖心Nano-2-11中孔隙的體積和表面積分布

指標(biāo)體積/μm3表面積/μm2均值0．0050900．1275最小值0．0002650．0123最大值3．19900031．8770標(biāo)準(zhǔn)差0．0261000．3520

3 結(jié) 論

(1) 本文演示了利用納米CT掃描的二維數(shù)據(jù)重構(gòu)頁巖孔隙三維結(jié)構(gòu)的過程,采用分水嶺算法對孔隙體積和表面積進行了統(tǒng)計分析.

(2) 納米CT掃描能很好地重構(gòu)頁巖孔隙的三維結(jié)構(gòu),借用數(shù)據(jù)處理手段可以獲得包括孔隙表面積和孔隙體積的頁巖內(nèi)部信息,對開采頁巖氣過程中頁巖孔隙特點的識別具有實際意義,也有助于頁巖中含氣性和流動規(guī)律的研究.

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3DReconstructionofShaleSamplesUsingNano-CTData

ZHANG Ting, LU Fangfang

(SchoolofComputerScienceandTechnology,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Three-dimensional shale samples are reconstructed using real shale data obtained from nano-CT.Firstly,the shale volume data with the resolution of nanometers are obtained by nano-CT.These volume data are all stored by 2D gray images,which should be transformed into binary images;then stacking these binary images can obtain reconstructed 3D data of shale samples.After analyzing them the characteristics of pore distribution inside shale samples can be obtained.Experiments prove that this method can obtain real 3D structures of shale,which is quite significant to the evaluation of hydrocarbon content and research of flow rules.

shale; pore; reconstruction; nano-CT

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.013

2017-03-09

張挺(1979-),男,博士,副教授,安徽安慶人.主要研究方向為信息重建.E-mail:tingzh@shiep.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金(41672114);上海市自然科學(xué)基金(16ZR1413200);浙江省科技計劃項目(2017C33163);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(WK2090050038).

P618.12;TE311

A

1006-4729(2017)05-0477-03

(編輯 白林雪)