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明老师找油-4-用CT & MicroCT 挖掘岩心内部的奥秘

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发表于 2018-3-5 22:33:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 Ming170 于 2018-3-5 23:21 编辑

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[size=18.6667px]科吉思石油技术  明治良
前言
很多去过医院看病的人都知道,当身体内部(骨头或内脏器官)受伤或病变需要治疗时,光靠医生望闻问切已经不足以掌握身体内部的变化,医生可能首先会让拍一张X光片,看看受伤部位情况,若要进一步精细检查,医生通常会对受伤部位进行CT检查,这样可以把人体内部的结构更清晰展现出来,对病变检出敏感性和显示病变的准确性均优于常规X光片。
什么是CT?
  CT即计算机断层成像技术(Computed Tomography),它是一种与一般辐射成像完全不同的成像方法。一般辐射成像是将三维物体投影到二维平面成像,各层面影像重叠,造成相互干扰,不仅图像模糊,而且损失了深度信息,不能满足分析评价要求。CT的检查原理是X光会分层穿过人体,之后通过电脑计算后二次成像,就像把一片面包切成片来看。优点是可以分层看,经计算后可以显示出更多的组织信息
CT是把被测体所检测断层孤立出来成像,避免了不同层间干扰和影响,图像质量高,能够清晰、准确地展示所测部位内部的结构关系、物质组成及缺陷状况,检测效果是其它传统的无损检测方法所不及的。
CT可以用于岩心研究吗?
对我们地学研究人员而言,我们花费大量人力物力从几千米地下采集来岩心数据,如果仅仅用来描述一下表面颜色、粒度、结构,而不能了解内部变化情况和特殊结构,以及特殊矿物情况,那简直就是暴殄天物。
那么,怎样了解岩心内部的微观结构呢?可否像医院给病人看病那样,用CT给岩心看病呢?
回答是肯定的,我们可以这样想,而且实际上很多人也在用医用CT对全岩心进行扫描,建立数字岩心库,给精细储层研究奠定基础。
image2.jpg
CT扫描原理
物理研究指出,一束射线穿过物质并与物质相互作用后,接收器接收到的射线强度将受到射线路径上物质的吸收或散射而衰减,衰减规律由比尔定律确定,在某一个物体断面上,通过不同角度的激发接收就可得到一系列的射线强度,早在1917年,丹麦数学家雷当(J. Radon)的研究为CT技术建立了数学理论基础,只要能知道一个未知二维分布函数的所有线积分,即可求得该二维分布函数;获得CT断层图像,就是求取能反映断层内部结构和组成的某种物理参量的二维分布。当二维分布函数已知,要将其转换为图像,则是一个简单的显示问题。
什么是MicroCT
显微CT(microcomputed tomography,微计算机断层扫描技术),
医院给人看病,比如看骨骼碎裂或身体某部位病变等,只需关注到毫米(mm)级就够了, 所以医用CT机的分辨率只有1mm左右。但给岩心看病则不同,因为通常我们的砂岩储层,像粗砂岩的粒径下限在1mm,而细砂岩的粒径在0.25-0.125mm,粉砂岩的下限更是达到了0.01mm,要想描述这么细微的岩性变化,就要求CT的分辨能力要更高,由于普通CT无法满足科学研究对分辨率的苛刻要求,学术界开始研发显微CT,即MicroCT。MicroCT(也称为显微CT、微焦点CT或者微型CT)采用了与普通临床CT不同的微焦点X线球管,分辨率高达几个微米,具有良好的“显微”作用。而高分辨率付出的代价是扫描样品的体积很小,只有几个厘米,体现其“微型”的一面。
研究表明,MicroCT 扫描法是建立微观孔隙结构最直接也是最准确的方法
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MicroCT在数字岩心的主要应用
显微CT技术在石油地质领域内主要可应用于孔隙度测定、连通性模拟、储层岩心饱和度分布及岩心裂缝参数计算等方面,具体如下:
    1) 通过岩心扫描搞清油藏层的物质成分、颗粒占位及结构构造等特征,包括碳酸岩、火成岩、泥岩和砂岩等,推测其赋存环境,为储层研究提供有利信息。
    2) 揭示含油岩石孔隙与喉道大小,探讨油气储集与运移途径,分析油藏岩性体的裂缝、微裂缝分布特征及储层岩心饱和度分布,为油气的聚集研究提供高精度资料。可以精确地量化其储层岩心孔隙度连通性从而有利于制造合理的开采方案。
3) 观测并模拟油气渗流。影响低渗油气藏渗流特征的主要因素有应力作用、启动压力梯度等因素,引起低渗气藏渗流的非线性化,通过显微 CT 可对其内部结构进行透视观察,找出储层渗透较弱部分,制造合理的改造方案,增大采收率,将会对油气藏的开发有着十分重要的意义。
4) 描述微观形变孔隙介质的结构。由于长期水驱开发后地下储层的孔喉网络、岩石骨架、 粘土矿物和渗流特性等诸因素都发生了变化,剩余油分布极为复杂,存在多种剩余油分布模式,难于有效开采和开发。利用显微CT 技术,可对致密储集层微观孔喉结构进行无损伤立体重构。确定孔隙分布特征与储集参数,揭示流体渗流机理与油气成藏过程,建立基于真实三维孔隙模型的非常规油气成藏动态模型。
     
数字岩心microCT重要参数介绍
1)   空间分辨率
空间分辨率(或10% MTF分辨率),是指在一幅图像中,可以将两个物体(或孔洞)独立识别开来的最小距离,要想比较好地描述致密砂泥岩或碳酸盐岩储层,空间分辨率一般要达到1 μm。标称分辨率是指的在最大放大倍数下的体素尺寸 ,有些厂商的系统分辨率指标很有误导性,只标注了检测能力,但检测能力是指改变体素灰阶的最小特征,并不能保证系统的实际分辨率
2)X射线源:
        焦点尺寸是射线源最重要的指标之一 ,由焦点大小引入的几何不清晰度是制约成像质量的一个重要参数。它不仅影响到可以检测的几何尺寸 , 还制约着分辨力和图像清晰度。X射线源功率稳定性也是重要影响因素,由管电压的波动引起射线剂量的起伏也会对图像的质量造成一定影响。
3)探测器
       目前锥束 CT 系统使用的面阵探测器可以分成两大类 : (1) 基于电荷耦合器件的 CCD探测器 ;(2) 基于薄膜晶体管 (TFT) 的探测器 (平板探测器) 。平板探测器按将 X 射线转换成电信号的方式不同又可以分为直接转换型和间接转换型,  直接转换型平板探测器不会造成几何失真。探测器的厚度都很小 ,具有提高空间分辨率的优势。
4)扫描模式
显微CT一般有圆形扫描模式和螺旋扫描模式,圆形扫描在中间平面外部可见几何和成分失真,仅中心部分图像可用,螺旋扫描模式,采集的数据可见的几何失真,整个探测器范围内图像都可用。
5)椎角大小
图像噪音是因为光子数量有限,通过移动样品和探测器靠近X射线源,可以增加光子通量。锥角越小要求样品必须远离X射线源,这样就降低了光子通量,因而图像S/N信噪比低,锥角越大,样品可以靠近X射线源,从而增加了光子通量,因此也确保了图像的高信噪比。
6)自动聚焦和漂移校正
知道精确的X射线位置和对中,决定了显微CT图像的质量,允许我们对定量图像分析进行精确几何重建,仪器自动聚焦技术越好,确定各次测量的最优对中参数,从而确保准确的物理体素尺度;漂移校正可以补偿在进行各次测量时引起的束斑移动,以避免图像模糊或重复。
7)分析试样类型广泛性
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好的显微CT,可以分析从风化及损坏的岩心到岩屑和薄片样品等任何类型的试样,如岩屑。侧壁岩心、损坏或松散的材料小的、不规则的试样等,可以帮助大大降低钻井取心的成本。
8)好的软件系统
a)控制软件:要简洁易用,可以准确控制样品扫描试验参数。自动化记录所有试验条件,
支持环形伪影去除等处理,确保了对代表性容积的高效扫描,从而获得无几何失真的高保真度原始图像。
b)重建软件
        基于过滤回投影(FBP) 及改进算法(FDK)仅适用锥形束角度低于10°时的图像处理,图像处理稍差。当投影的数量有限时, 迭代和统计重建算法可以提高图像的质量。适用于高达110°的大锥形束图像,能够确定不同锥角之间的相关参数,可降低计算负荷, 减少计算所花费的时间, 且确保了重建的准确性。
c)可视化及分析软件
        好的分析软件可以对数字岩石图像数据进行交互式探索、分割表征重建的三维显微 CT 图像,并有三维岩石模型重建、孔隙网络分析及物理特性计算工具。
   
MicroCT数字岩心效果展示
下面是一个利用MicroCT技术进行岩心分析的动画,从中地质家可以获得很多有用的信息哟。
《插入MicroCT扫描的视频》

结束语:
应用CT及显微CT、FIB-SEM双束电镜或者扫描电镜等设备可以得到岩石内部微孔的真实分布情况,对于分析孔隙尺度上的岩石属性参数有极大帮助。通过数字岩心分析,可以建立不同的微观参数与岩石整体性质的关系,这些优势使得数字岩心以及以此为基础的岩石物理数值模拟在油气勘探、开发等实际应用中发挥了越来越重要的作用,对于岩石物理理论研究具有重要的科研价值和意义。

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