巖石是一種天然的多孔介質(zhì),在地下深處通常飽和著各種流體。地層里的巖石通常由骨架、孔隙和飽和流體三類要素構(gòu)成。這三類要素的不同組分和組成方式主要受沉積環(huán)境和沉積過程等因素的影響,所有這些因素影響著巖石的宏觀物理性質(zhì)。在化石能源的開采過程中,一般需要測(cè)試巖石的孔隙度、滲透率和飽和度三種關(guān)鍵性質(zhì),通常采用的手段有孔滲實(shí)驗(yàn)、測(cè)電阻率、超聲測(cè)速等。但這些手段只能反映巖石宏觀的物理性質(zhì)和流體飽和度,并不能從微觀解釋巖石的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。而數(shù)字巖石模型分析可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的不足,通過數(shù)字信號(hào)重構(gòu)巖石復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu),為巖石物理學(xué)研究提供了一個(gè)新手段。本文以人造砂巖為研究對(duì)象,利用微米CT按一定的微分尺度對(duì)巖石進(jìn)行逐層掃描,得到直觀反映巖石孔隙微觀結(jié)構(gòu)的圖像;再結(jié)合圖像處理技術(shù),提取巖心的微觀單元結(jié)構(gòu),并建立具有真實(shí)孔隙結(jié)構(gòu)特征的三維數(shù)字巖心模型,將掃描得到的模擬信號(hào)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào);最后針對(duì)數(shù)字信號(hào)模型采用Garboczi提出的有限元計(jì)算方法,得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,再利用各向同性胡克定律計(jì)算聲波在巖石中的傳播速度。本文通過LIGGGHTS軟件建模,用數(shù)學(xué)形態(tài)法模擬流體在巖石內(nèi)部的不同分布方式。用有限元... 

【文章來源】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

楓丹白露砂巖的數(shù)字巖心模型(引自斯坦福大學(xué))

第2章CT掃描巖心成像12第2章CT掃描巖心成像CT儀器主要分為：（1）基于X射線發(fā)生器CT成像方法，分辨率在幾十微米~幾微米，這一分辨率水平已能充分滿足一般規(guī)模顆粒、孔隙及流體空間特征的研究需要。MartinJ.Blunt（2013）[60]通過造影對(duì)多個(gè)巖石類型做成像比對(duì)，各自成像分辨率控制到2.65μm左右的水平；（2）由同步加速機(jī)成像技術(shù)可知，該技術(shù)獲得的結(jié)果分辨率高于第一種，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠獲得微孔隙（尺寸小于1μm）存在情形下相對(duì)準(zhǔn)確的孔隙成像結(jié)果。澳大利亞國(guó)立大學(xué)借助其自制微型CT掃描工具，于2004年獲得了圖1.2所示的研究成果。由該成果可知，其所獲得的數(shù)字巖心圖像達(dá)到了不高于2μm的分辨率水平，最大視域和體素?cái)?shù)分別達(dá)到55mm和2048×3。ClaudioMadonna[61]則獲得了掃描視野相對(duì)較小但分辨率水平為0.38μm的貝雷砂巖、楓丹白露砂巖成像結(jié)果。除上述方法之外，SEM、TEM、FIB-SEM等成像方法也表現(xiàn)出可靠的精度水平，納米級(jí)別的成像精度已能夠充分滿足研究需要。如果想得到的分辨率越高，所需測(cè)量的樣品就越小，并且掃描的視域也就越小，所測(cè)量的樣品也就越微觀，非均質(zhì)性就越強(qiáng)，同時(shí)測(cè)量的時(shí)間也會(huì)隨著分辨率的增加而增加。在目前的無損檢測(cè)領(lǐng)域，儀器成像技術(shù)得到了良好應(yīng)用，在研究分析材料孔隙度、速度、電阻率及滲透率等問題方面也發(fā)揮了積極作用，極大提升了相關(guān)研究的科學(xué)水平。（a）分辨率5.6μm（b）分辨率3.04μm圖1.2澳大利亞國(guó)立大學(xué)XCT實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用自制的微CT掃描系統(tǒng)得到的砂巖和碳酸鹽巖Fig.1.2SandstoneandcarbonaterocksfromtheNationalUniversityofAustralia"sXCTlaboratoryusingaself-mademicro-CTscanningsystem

第2章CT掃描巖心成像14圖2.1CT掃描成像原理Fig.2.1CTscanningimagingprinciple微米CT的工作原理如下：Micro-CT設(shè)備的核心構(gòu)成元件為X射線發(fā)生器、探測(cè)器、旋轉(zhuǎn)臺(tái)等。在掃描前，預(yù)熱X射線發(fā)生器（時(shí)間大約45分鐘），發(fā)射波長(zhǎng)是基本相同的錐形光；掃描時(shí)將切割好的圓柱狀樣品放于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，關(guān)門倉門，調(diào)節(jié)參數(shù)，盡可能提高分辨率，使樣品圖像清晰；調(diào)節(jié)好參數(shù)后，開始掃描。在掃面過程中，當(dāng)經(jīng)過物體時(shí)，在物體結(jié)構(gòu)與成分的影響下，X射線將發(fā)生復(fù)雜的物理變化過程，產(chǎn)生特定的光電效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等，各效應(yīng)所形成的能量將在輻射的過程中發(fā)生吸收效應(yīng)而衰減，衰減結(jié)果將由檢測(cè)器進(jìn)行接收并以投影圖像的形式在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示和保存。在旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的過程中，每隔特定角度將獲得一張樣品投影照片，在完成周圈旋轉(zhuǎn)之后獲得若干圖像并完成掃描處理。樣品密度的差異與組分的差異將使其呈現(xiàn)出不同的射線吸收能力。通常情況下，樣品密度與其射線吸收能力正相關(guān)，與灰度圖片不同區(qū)域的亮度水平正相關(guān)（由0-255表示顯示顏色由黑色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨�。一般在巖石樣品的掃描圖中，黑色表示孔隙，白色為硬度較高的礦物（如黃鐵礦、石英等）。射線衰減情況可以通過以下公式進(jìn)行描述：()10I=Iexpx,ydl(2.1)在上述公式中，當(dāng)X射線穿進(jìn)巖心之后，其強(qiáng)度將由I0衰減為I1，μ（x,y）代表二維層面的巖心衰減系數(shù)分布函數(shù)，dl表示射線在巖心中走過的路徑，在X射線穿越礦物的過程中，其衰減情況會(huì)因巖石組分、結(jié)構(gòu)的差異而有所差異，因此，函數(shù)μ（x,y）的結(jié)果能夠?qū)ζ鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。對(duì)于CT掃描而言，可借助以下公式對(duì)其投影值進(jìn)行計(jì)算：

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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