基于微米CT的磨介对产物三维形貌影响实验设计

本文设计研究球形和六棱柱形研磨介质对煤炭破碎产物三维形貌特征影响的实验,具体过程包括不同时间批次煤炭破碎和筛分,基于高分辨三维X射线显微成像系统的粗粒级煤炭无损检测以及基于Dragonfly三维数据分析软件的完整颗粒分割提取和三维形貌特征参数计算等环节。结果显示:在球磨机转速率较低的前提下,钢球和钢锻的总表面积或总质量相同时,钢球作用下物料的初始粒级破碎速率略高于钢锻,且-1 mm细粒级产率最高。研磨作用促使粗粒级物料的体积和表面积降低,3种研磨条件下表面积最大的钢锻对样品的“磨剥”作用最为明显,颗粒球形度最高。

微米CT扫描尺度下构造煤微裂隙结构特征及其对渗透性的控制

煤中裂隙是煤层气运移的主要通道,是影响和控制煤储层渗透性的直接因素。我国构造煤普遍发育,不同类型构造煤中裂隙特征差异显著,对煤储层渗透性的影响也不一样。因此,对构造煤中裂隙与渗透性的研究十分必要。选取河南平煤十三矿和山西晋城胡底矿中、高煤阶的2种变形程度构造煤,首先利用环氧树脂制作了柱状构造变形煤样品,解决了构造变形煤制样难的问题;其次通过扫描电镜、微米CT扫描结合数字图像处理技术展现了2种构造煤中开度大于15μm裂隙的发育特征、分布规律、形态与结构的差异性;最后基于泊肃叶定律、三轴渗透实验结合CT扫描裂隙结构参数建立了渗透率预测模型,并探讨了裂隙结构对渗透性的控制机理。研究结果表明,在开度>15μm尺度下弱构造变形煤(偏向原生结构煤)多发育形态简单的大裂隙,裂隙连通性与连接强度均较差,而强构造变形煤中微裂隙形态复杂,裂隙的连通性与连接强度均较好,强构造变形煤的裂隙率大于弱构造变形煤。2种构造煤渗透率随有效应力增大均呈负指数下降趋势。煤储层渗透率受多因素综合控制,包括裂隙开度、数量、体积、连通性与连接强度,其中裂隙开度的影响最为显著。在此基础上,综合考虑到这些控制渗透率的因素以及裂隙分形维数与粗糙度建立了管状裂隙渗透率预测模型,并验证了该模型在此尺度下预测渗透率的准确性和适用性。

微米CT在烃源岩微观结构表征方面的应用

对松辽盆地白垩系青山口组一段烃源岩的微观结构进行微米CT的三维成像研究。其微观结构特征为：孔隙直径主要在0.7~25μm之间,孔隙类型主要以粒间孔隙、晶内孔隙为主,孔隙在孔喉的连接下形成连通性较好的孔隙通道。生物碎屑（或有机质）大小由几微米到几百微米不等,主要分布在中等密度的矿物基质中,生物类型以浮游生物和介壳类生物为主。微米CT三维重建技术为精细刻画岩石微观结构特征提供了新的研究方法和手段,但也存在诸如成像分辨率、二维切片的图像处理以及实验结果的地质代表性等问题,针对上述问题产生的原因进行了探讨并提出了初步的解决方案。

基于微米CT扫描成像实验及格子Boltzmann模拟方法的致密砂岩孔隙结构表征

采用微米CT扫描成像实验及格子Boltzmann模拟方法,对致密砂岩微观孔隙结构进行定性及定量表征。基于CT扫描成像实验灰度图像,分析致密砂岩孔隙类型、孔隙度、孔径分布及孔隙连通性特征;采用格子Boltzmann模拟(LBM)方法进行流动模拟,计算致密砂岩样品的渗透率。结果表明:致密砂岩有残余粒间孔、矿物溶蚀孔和微裂缝3种孔隙类型。Otsu双阈值算法能够有效分割基质相、孔隙相和黏土相。孔隙相的体积分数介于4.37%~8.77%,小于实测孔隙度,黏土相的体积分数介于6.44%~12.53%。孔径分布曲线为单峰形态,分布区间介于3~69μm,峰值介于10~15μm。黏土相能够提升致密砂岩的整体连通性,LBM方法模拟计算的渗透率与实测渗透率吻合很好。该结果对致密砂岩微观孔隙结构表征有参考意义。

联合微米CT和高压压汞的致密储层孔喉网络结构差异定量评价

阐明致密储层孔喉网络结构特征对明确油气富集主控因素,预测有利储层分布具有重要意义。联合微米CT和高压压汞技术,构建包括主流孔喉半径、幂指数、孔隙连通率和多重分形维数在内的孔隙结构参数,对鄂尔多斯盆地延长组长8—长6段孔喉半径分布、孔喉网络非均质性和连通性及其差异进行定量评价。结果表明,长6和长8段样品孔径分布特征较好,长6段主流孔隙半径为2.27μm,幂指数最小,储集能力最强。长8段样品0.1~0.5μm的喉道比例最高,对储层可动流体分布的控制作用最强。不同层段样品非均质性差异明显,在半径大于1μm区间内,长7段非均质性最弱,孔隙结构最好。长7和长6段样品的孔隙连通性要好于长8段,配位数和孔体积的有利匹配能提高储层孔隙连通性。

基于微米CT页岩微裂缝表征方法研究

页岩储层中的微裂缝是页岩气的储集空间,也是页岩气运移、散失的重要通道。通过微米CT扫描、场发射扫描电镜(FE-SEM)和岩芯观测等手段,明确了焦石坝地区JYA井龙马溪组页岩微裂缝结构特征,对比了微裂缝在不同条件下(地表或地层)的张开度及其对页岩渗透率的贡献,初步探讨了微裂缝对页岩纳米孔隙保存的影响。结果表明:①基于微米CT可将页岩样品分为基质组分、高密度矿物(如黄铁矿)及裂缝三个部分,其体积比分别为97.88%、0.88%和1.24%;②微裂缝在空间上主要呈孤立状、细长条状或锯齿弯曲状,其长度分布范围为3.4~299μm,以3.4~20μm为主,平均为12.44μm;③微裂缝在地层中的张开度约为2.2~30.33μm,平均为3.97μm,相对于地表张开度(平均为6.24μm)降低了36.38%。尽管这部分微裂缝体积仅占页岩样品总体积的0.7%,却提供了页岩储层中70%以上的渗透率。笔者认为JYA井龙马溪组页岩内部大量发育的网状结构微裂缝是页岩气沿着"孔隙-微裂缝-宏观裂缝"路径发生强烈"解吸-运移-逸散"作用的重要通道,进而导致孔隙因流体压力降低而压缩变形和闭合,不利于纳米孔隙的保存,这对于研究微裂缝在页岩储层中主要为储集空间或逸散通道具有重要的现实意义。

基于X射线微米CT扫描技术的煤岩孔裂隙多尺度精细表征——以沁水盆地南部马必东区块为例

深入探究煤层气赋存和运移机理,不仅需要分析煤岩孔裂隙结构的空间分布特征,还需对其进行定量表征。为此,以沁水盆地南部马必东区块3#煤层为研究对象,应用X射线微米CT扫描技术,先构建低精度CT扫描煤岩母样三维数字化模型,再通过高精度CT扫描构建煤岩子样三维数字化模型。在此基础上,利用Avizo图像处理软件,重构煤岩孔裂隙系统,实现煤岩孔裂隙的多尺度定量表征。研究结果表明,沁水盆地南部马必东区块3#煤层发育多尺度孔裂隙结构。煤岩孔裂隙宏观上以C型为主,微观上以E型为主。煤岩发育成孤立片状分布的宏观孔裂隙及连通性较差的孔裂隙。据子样和母样矿物含量的相关性可知,较大规模的孔裂隙多被矿物充填,限制了煤层气的渗流和产出。

基于微米CT技术的黄土岩孔隙保存机制及渗透率各向异性

与其他岩类不同,黄土岩遇水后有明显的湿陷特征,进而引发宏观的地质灾害现象,而这些现象的产生与黄土内部矿物、孔隙分布以及渗透率各向异性关系密切。因此,进一步深入研究黄土岩内部结构,对分析黄土湿陷性特征产生的原因具有重要的科学意义,并可为除黄土岩性外其他岩性提供一种探究矿物、孔隙、渗透率之间关系的研究思路。基于此,选取A地区黄土样品,采用微米CT(computed tomography)图像,综合分析黄土中矿物成分、矿物形状,模拟了黄土岩孔隙网络分布,并基于Navier-Stokes方程及达西渗流公式描述流体运动形式,分别确定了12个孔隙体绝对渗透率大小,对不同方向的渗透率大小进行分析。结果表明:①黄土岩中石英、长石、重矿物、云母等不同矿物之间形状差别大,矿物长轴长度与其磨圆度、体积组分之间有较好的对应关系;②各类矿物分布规律性不强,黄土岩中孔隙分布分散,孔隙喉道之间连接方式变化大,孔隙空间分布非均质性强。③相对石英、长石以及重矿物,云母由于其形状特性,极大的影响黄土岩中孔隙的形成及后期赋存,也间接对其渗透率各向异性的产生起着至关重要的作用。

基于微米CT和扫描电镜的碳酸盐岩微观结构特征分析

为了研究羌塘盆地二叠系龙格组碳酸盐岩储层的微观结构特征,通过微米CT扫描技术和大面积背散射高分辨率扫描电镜成像技术对龙格组典型岩心的三维孔隙结构、空间分布、连通性及孔隙类型等参数进行精细的表征和定量分析,结果表明龙格组地层整体属于低孔-特低孔、微-细喉道、特低渗-超低渗储层,裂缝以构造缝、压溶缝以及溶蚀缝为主,且多被各类高密度矿物及有机质充填,有效裂缝较少。储集空间以微米、纳米级孔隙为主,主要为粒间孔和溶蚀孔,孔隙半径小于20μm,喉道半径在0.08μm左右,孔隙度在0.01%~1.02%,渗透率在0.000041~0.0015 mD。该地层受沉积环境影响及后期多期次构造运动和成岩作用控制,矿物成分复杂,储层物性在空间上变化快,非均质性强,具有多孔介质特征,储集空间结构多样、类型复杂。结合矿物成分和微观结构特征分析,在以方解石为主的泥晶灰岩地层,微米级的粒间溶孔较为发育,其孔隙度和渗透率相对较高,且局部发育微裂缝,综合储层物性较好,可作为未来油气资源勘探重点关注的目标层。

致密砂岩微米级孔隙网络系统石油驱替实验三维在线模拟

致密油储层孔隙度和渗透率均较低,其微米级孔隙网络系统内石油赋存状态是致密油成藏地质研究中亟待解决的核心问题之一。采用油气驱替系统与X射线微米CT扫描系统联用,通过对3 mm和5 mm直径致密砂岩干岩心、饱和碘化钾(KI)溶液及油驱替KI溶液后致密砂岩岩心在线CT扫描及数据重构,三维展示了致密砂岩微米级孔隙网络系统中石油的赋存状态。研究发现孔隙半径10μm以上孔隙的连通性较好,是石油聚集的优势孔隙网络系统,致密砂岩62.9%~84.1%的石油聚集于半径在10~60μm之间的孔隙内;孔隙半径小于10μm的孔隙数量多,但其在空间上多呈孤立状分布,该部分孔隙的石油充满度较低,只聚集了致密砂岩内6.8%~20.0%的石油。致密砂岩含油饱和度随孔径呈阶梯状增长,半径小于10μm、10~60μm和60~80μm的孔隙的含油饱和度分别为10%~40%,30%~75%,40%~75%。致密砂岩微米级孔隙网络系统石油的赋存与孔隙的尺寸、成因类型及空间分布特征有关。

钻井液对致密砂岩储层伤害表征及机理分析——以库车坳陷迪北段阿合组储层为例

致密砂岩储层是我国重要的油气接替领域,有着丰富的资源量。但致密砂岩储层孔喉结构复杂,在钻完井及开采过程中极易受到伤害,导致储层渗透率下降,并最终影响油气的流动和产量。以库车坳陷迪北段阿合组致密砂岩储层为研究对象,利用铸体薄片、XRD等测试,在明确砂岩矿物组分、孔渗特征和储集空间类型的基础上,开展钻井液伤害评价实验,并结合微米CT原位扫描技术,分析钻井液伤害前、后的砂岩孔喉变化特征。结果表明,研究区砂岩平均渗透率为0.92 mD,平均孔隙度为5.84%,孔隙类型以微孔隙为主;钻井液对该储层伤害程度整体偏低,平均伤害率为20.2%。通过机理分析表明,钻井液对储层造成的伤害类型主要为水敏伤害,黏土矿物和砂岩孔喉形态是钻井液对储层造成伤害的主要因素,黏土矿物中的伊/蒙混层含量和储层喉道类型决定了钻井液污染伤害程度。研究结果对于阿合组致密砂岩储层的高效开发具有指导意义。

基于孔隙尺度的碳酸盐岩油藏微观剩余油变化特征

碳酸盐岩油藏储量丰富且产量可观,是目前油气勘探开发的重要领域。由于具有孔喉结构复杂、孔渗相关性差、非均质性强等特征,此类油藏经水驱开发后剩余油分布情况复杂,导致后续提高采收率措施应用效果不理想,调整方向不明确。为探究碳酸盐岩油藏水驱过程中剩余油分布及其变化特征,选取不同渗透率的碳酸盐岩岩样,利用原位CT扫描技术,在不同驱替速度条件下获取水驱开发结果;将差分成像法与分水岭算法相结合,通过图像处理操作进一步量化识别岩样孔隙结构,并形成孔隙组成对微观剩余油分布影响的综合认识。研究结果表明:随着水驱过程中注入速度增加,剩余油饱和度呈下降趋势,其中簇状剩余油占比降低,而膜状和滴状剩余油占比升高,且低渗储层的采收率提高程度优于高渗储层;储层孔喉尺寸越小,孔喉连通性越差,剩余油分布越零散,簇状剩余油体积越小,滴状剩余油滞留比例越高。此类油藏的后期开发应重点改善微观孔隙与孔隙边缘剩余油动用效果,并依据储层的渗透率条件使用不同的开发方式及适宜的生产参数。本文研究可为碳酸盐岩油藏提高采收率方法的选择提供依据。

基于CT的黄土孔隙尺度优先流特性

电子计算机断层扫描(computed tomagraphy, CT)技术正被广泛应用于岩土多孔介质中孔隙的定量化表征,然而以往关于黄土孔隙定量化的相关研究存在CT扫描的分辨率不足问题,无法精准识别出黄土中的全部大孔隙。基于高精度的微米CT,以陕西延安Q黄土为例,在提取的黄土中真实孔隙结构的基础上,借助概化的孔隙网络模型研究了黄土的孔隙、孔喉和孔喉配位数分布特征,发现三者均呈对数正态分布;通过简化的Navier-Stokes方程及孔隙网络模型定量化地研究了在给定边界压差下管状通道、裂隙形成的优势通道中压力及流速的分布,与不含优势通道的代表性体积单元进行对比,发现裂隙对整体渗流特性的影响为均匀促进型,而管状通道为渗流集中型;在求得渗透系数后与原状黄土及重塑黄土的室内渗透实验结果进行对比验证了计算模型的可靠性。

鄂尔多斯盆地南梁-华池地区长8储层微观孔喉结构差异及成藏意义

南梁-华池地区位于鄂尔多斯盆地的湖盆中心,长8层紧邻上部优质烃源岩,是鄂尔多斯盆地勘探开发的重点层系之一。为探究该区不同物性储层微观孔喉结构特征及差异,通过铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、恒速压汞等方法,系统研究了南梁-华池地区长81储层微观孔隙结构,对比分析了研究区不同物性样品微观孔喉结构差异及其成因。研究结果表明,南梁-华池地区长8_(1)储层微观孔隙结构复杂多样,微观非均质性较强;随着渗透率的增大,孔喉变异系数、分选系数越大,微观均质系数越小,储层微观非均质性越强;渗透率大于1 mD的储层,大孔喉数量相对较多,连通孔喉半径比、迂曲度较小,孔喉结构多呈“通道型”型,渗透率贡献率主要依靠少数半径大于6μm的连通喉道,而渗透率小于1 mD的储层,连通孔喉半径比较大,孔喉结构多呈“束口袋”型,渗透率贡献率主要由其喉道半径峰值区间的小喉道决定。不同储层物性的微观孔喉差异主要由沉积、成岩差异而形成的。研究区水下分流河道、河口坝主砂带沉积粒度相对较粗,孔隙衬里状绿泥石薄膜发育,薄膜厚度可达10~25μm,可增加岩石颗粒的抗压强度和抑制后期碳酸盐、硅质胶结,有效保存了原生粒间孔;但由于绿泥石薄膜易吸附有机质,致使储层润湿性转向亲油,复杂的孔喉结构与润湿性特征,对该区油气运移、成藏有着重要的影响。

Micro-CT成像技术在NWA 11474月球陨石结构研究的应用

月球陨石是研究月球组成、矿物学、天体演化等领域的主要对象之一。为了研究发现于非洲的NWA 11474月球陨石内部结构和组分,本文基于Micro-CT扫描技术对该月球陨石样品内部进行了三维结构成像,得到陨石三维空间结构图像。由图像可见陨石样品中大孔隙、小孔隙和裂缝均比较丰富,大孔隙分布相对集中,矿物颗粒分散且亮度不均,矿物组成复杂多样,利用三维图像处理软件Per Geos采用改进的分水岭算法对图像进行分割处理,进一步对图像中的孔隙、矿物和基质进行量化分析后,得出陨石中孔隙、矿物和基质体积含量百分比分别为2.5%、11.1%和86.4%。本文研究结果表明,CT成像是陨石研究的有效手段,该方法可以应用到传统的陨石学研究领域,有助于挑选陨石中特殊的岩屑或截面,服务于后续的定量研究,对于月球天体组成、岩石学及演化等研究具有重要的推动作用。

缝洞型碳酸盐岩地下储气库高速注采渗流特征及库容动用机理

四川盆地是中国重要的天然气产能基地,目前已开发相当规模的碳酸盐岩气藏,该类气藏储层缝洞系统发育并具有超低孔隙度、低渗透率特征,气藏枯竭后可改建为地下储气库(以下简称储气库),以满足天然气高峰使用时期和冬季天然气保供的需求。但国内尚无此类型储气库成熟的建库经验,而缝洞型储气库的高速注采渗流特征是验证建库和用库的可行性的重要依据。为此,以中国石油西南油气田公司筹建的首座缝洞型储气库——牟家坪储气库为例,基于地震、露头等数据资料,设计了具备储层特征的缝洞组合方案,并构建了三维数字岩心模型,然后基于模型开展数值仿真模拟,计算其在高速开采过程中各区域气体压力和流速变化规律,最后从微观尺度分析了缝洞型储气库的渗流特征和库容动用机理。研究结果表明:①储层渗透率越高,缝洞内气体动用越快,渗流滞后的效应越显著;②同一缝洞组合条件下,气体流速和开采量与开采压力梯度成正比,开采压力梯度对气体渗流特征有着显著影响;③缝洞系统中存在狭窄裂缝,裂缝开度越小,缝洞间渗流滞后效应越明显;④缝洞组合和形态结构越复杂,渗流滞后越显著。结论认为,该方法能够为研究缝洞型碳酸岩盐储气库注采渗流特征和库容动用机理提供重要的理论基础,还可为同类型储气库建设提供技术支撑。

循环冲击载荷作用下页岩孔隙结构演化特征

为研究循环冲击载荷作用下页岩气储层孔隙结构演化规律,以四川省长宁县五峰组页岩为研究对象,基于霍普金森压杆实验系统与微米CT系统,分别获取低速、中速和高速循环冲击载荷下页岩的动力学响应特征,并对冲击前后页岩孔隙结构进行分析。研究表明:动态冲击应力-应变曲线显示,低速循环冲击岩样动态弹性模量随循环冲击次数的增加不断升高,承载能力逐渐增强;中速及高速循环冲击岩样则呈现先压密后损伤的力学响应特征;提高循环冲击载荷,页岩连通裂隙的表面积、体积及分形维数升高,绝对渗透率上升,表明提高循环冲击载荷可使岩样形成复杂孔隙网络,具备更好的渗流能力;中速及高速循环冲击导致岩样内部孔隙扩展贯通,中速循环冲击岩样的孔隙度较原始岩样提升一倍,孔隙分布的空间离散性增强。该研究可为页岩气储层多级脉冲燃爆压裂工艺的相关研究提供理论支持。

低渗煤层孔裂隙特征结构表征与渗流指标相关性研究

为解决低渗煤层瓦斯抽采难度大、效率低等问题,以华晋焦煤沙曲一矿5#低渗煤层为研究对象,基于微米CT扫描实验,运用三维重构技术,探究低渗煤体孔裂隙结构特征与空间分布规律,通过构建具有拓扑结构的骨架化模型和等效孔裂隙网络模型,分析孔隙与喉道结构特征参数与渗流指标之间的关系。研究结果表明:在微米尺度下,沙曲一矿煤样裂隙对孔隙率的贡献远大于孔隙,孔隙以孔径在[53.13,100)μm的大孔为主;宽度在[0.1,1) mm,长度在[0.5,7) mm的微观小裂隙最多,占总裂隙的70.1%;通过统计孔裂隙网络模型提取出的孔隙和喉道发现,孔喉比较大,且连通路径单调,不利于气体运移。通过结构特征参数与渗流特性参数拟合,发现形状因子与孔隙直径呈正相关,迂曲度与孔隙直径、配位数与孔喉比均呈负相关。研究结果可为煤矿瓦斯高效抽采提供理论指导。

面向3D打印多孔陶瓷材料外科植入物宏微观结构特征的分析评价方法

目的探究3D打印多孔结构陶瓷材料外科植入物孔隙结构的宏微观特征分析及评价方法。方法基于微米X射线CT(Micro-CT)扫描获取的多孔样品图像数据,利用VG Studio MAX 3.0软件及Mimics 16.0软件的多孔结构分析功能,对多孔结构的宏观结构特征包括总孔隙率、宏孔孔径、内连接、开/闭孔率等进行测量和分析;同时,采用扫描电子显微镜对样品表面微观多孔形貌进行特征分析和评价。结果基于Micro-CT和SEM扫描及影像学分析实现了针对3D打印多孔结构陶瓷样件的孔隙结构的宏微观特征表征和统计分析,并验证了其可行性和准确性,形成了一套面向3D打印多孔结构陶瓷材料外科植入物形貌宏微结构尺寸特征的有效的测量和评价方法。结论本文提出的基于Micro-CT和SEM扫描成像进行3D打印多孔结构陶瓷样件的孔隙结构的宏微观特征表征和分析的统计方法,有利于实现多孔结构宏微观特征的相关测试内容和试验过程的规范统一,确保测试过程方法有据可依,结果评价准确有效,有利于提升产品的加工精度,便于不同企业同种工艺制造的多孔结构特征参数之间等同比较,为医疗器械行业多孔结构宏微观特征的数据积累奠定基础,有利于提高与人体生命安全息息相关的外科植入物产品的研发和制造水平。

EPDM绝热材料炭化层的三维孔隙结构特征

为了获得绝热材料炭化层的微观结构信息,建立了炭化层三维孔隙结构的微米CT无损测试方法。采用微米CT对EPDM绝热材料炭化层进行了无损扫描,运用三维图像处理软件对炭化层的系列无损扫描图片进行了三维重建。针对发动机热试车后EPDM绝热材料炭化层试样,结合二维图像分析软件,研究了烧蚀方向上炭化层的孔隙结构特征。结果表明,过载烧蚀试验发动机中形成的EPDM绝热材料炭化层从表层向下呈现致密-疏松结构,炭化层的平均孔径和孔隙率都逐步增大。