CN104729904A - 一种基于ct扫描和3d打印的复杂岩心制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法。本发明基于CT扫描和3D打印相结合的技术，实现再现地下的岩石孔隙结构特征，使岩心内部的油气水分布实现可视化。本发明通过3D打印技术，可以实现数字岩心、网络模型的可视化、真实化，使得地下岩石的孔隙结构以实物方式再现。最重要的是，随着碳酸盐岩、页岩油气、致密油气等非常规油气田的不断投入开发，结合CT扫描和3D打印技术，可以为特殊岩心的表征制备提供一种新的思路和方法。

Description

一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，属于油气田开发工程物理实验的技术领域。

技术背景

在油气田开发过程中，储层的许多宏观性质，如渗透率、毛细管压力、相对渗透率等，均取决于它的微观结构及其孔隙空间中流体的物理性质，即微观结构、流体性质是根本，宏观性质及现象是表象。因此，只从宏观尺度上研究岩心多孔介质的渗流规律不够完整，反应宏观现象的内部微观本质不够清晰。石油工程实践应用性很强，油气资源储存在几千米深的地下，岩石孔隙内部结构及油气水流体分布像一个黑箱子一样，是神秘而不可见的。再者，由于储层的非均质性，由传统的岩心处理技术所得到的地层参数不能完全反映实际情况，对油气田开发提高采收率潜力有限，无法从根本上去解决实际油气田开发过程中所存在的重大难题。

为了从实质上提高油气田开发的技术水平，因此有了数字岩心理论的提出。数字岩心是将真实的岩心中的岩石骨架和孔隙用计算机可以识别的数字化体素表示出来，进一步构造出一种可以准确反映岩心孔隙空间分布特征，同时又能反映流体在岩心中渗流特征的孔隙网络模型。以数字岩心和孔隙网络模型为基础，模拟流体在岩心内部的流动规律，克服了真实岩心实验周期长、加工复杂的弊端，为研究渗流规律和提高采收率提供重要研究平台。

3D打印技术是国际上出现的新技术，是快速成形现代工业制造技术的一种，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。自20世纪80年代后期诞生之日起，已成功应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法。本发明基于CT扫描和3D打印相结合的技术，实现再现地下的岩石孔隙结构特征，使岩心内部的油气水分布实现可视化。本发明通过3D打印技术，可以实现数字岩心、网络模型的可视化、真实化，使得地下岩石的孔隙结构以实物方式再现。最重要的是，随着碳酸盐岩、页岩油气、致密油气等非常规油气田的不断投入开发，结合CT扫描和3D打印技术，可以为特殊岩心的表征制备提供一种新的思路和方法。

本发明的技术方案在于：

一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，包括步骤如下：

1)利用CT机对岩心进行扫描，得到所述岩心的三维数字图像；

2)将步骤1)得到的所述岩心的三维数字图像以txm格式导出，即为扫描数据；

3)将步骤2)的扫描数据输入现有的Avizo软件内：经图像定位、阈值分割、去除冗余数据、平滑处理，最后经3D计算建立岩心三维模型，即数字岩心；再经Avizo软件输出岩心三维模型的所有孔隙信息，所述孔隙信息包括岩心各个孔隙的位置坐标及孔隙尺寸；

4)利用LKC算法对步骤3)所有孔隙信息提取岩心的三维孔隙网络模型；所述LKC算法参考文献：赵秀才.数字岩心及孔隙网络模型重构方法研究[D].东营:中国石油大学(华东),2009.博士论文第4章内容；

5)根据研究目的对所述岩心的数字岩心和三维孔隙网络模型进行修正，将修正后的数字岩心和三维孔隙网络模型以STL格式输出到3D打印机；所述的修正过程包括添加缝、洞等非常规油藏特征，定量添加不同倾角、不同开度的裂缝，或者添加不同大小、不同分布的溶洞等；

6)配置制备复杂岩心的基材，利用3D打印机和激光烧结技术对复杂岩心的基材堆积、烧结形成符合数字岩心和三维孔隙网络模型的复杂岩心。所述复杂岩心的基材包括砂、塑料等制备岩心用的粉末材料。

根据本发明优选的，在步骤6)中，通过设定3D打印机的填充密度实现对复杂岩心的密度设置。此处设计的优点在于，本发明按复杂岩心的内部填充的百分比来设置，内部填充形状可以是蜂窝状，也可以是交错直线，以及其它填充打印方案；并结合基材密度实现对复杂岩心内部特征的精细制备。

根据本发明优选的，所述步骤6)的具体方法包括：采用CO₂激光器作能源，在3D打印机的工作台上均匀铺上一层厚度为100μm～200μm的岩心基材，激光束在计算机控制下按照岩心分层轮廓有选择性地逐层进行烧结；烧结完后去掉多余的岩心基材，再进行打磨、烘干，即获得负责岩心。

根据本发明优选的，所述岩心的直径为0.1-100cm。

根据本发明优选的，所述岩心的直径为0.1-10cm。

本发明的优势在于：

本发明所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，在不用模具和工具的条件下能够生成任意复杂的岩心，克服了由于地下油藏的复杂性，常规取心技术得到的岩心无法反映特殊岩石(例如：致密砂岩、碳酸盐岩等非常规岩石)内部的典型结构的问题。通过CT扫描特殊岩心，可以真实地看到内部的孔隙结构，提高了可视化效果，对数据进行修正、提取，制定更为合理的岩心制备方案，在此基础上运用3D打印机，并且可以采用多种不同的基材来进行岩心模型制备。从而大大的缩短实验研究时间，与传统取心方法相比，3D打印可以在实验室内快速打印，耗时短，且可以多次打印结构相同的岩心，打破了时间与空间的限制。本发明为结合CT扫描和3D打印技术进行特殊岩样的制备，可以用来解决特殊岩心的制备需求，如含有孔、缝、洞的碳酸盐岩模型等，具有显著的科学价值和社会效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

本发明应用三维CT重建和3D打印等数字技术进行复杂岩心构建。CT机扫描可以对岩心进行无损探测，能够了解不同地质层的岩心样品内部结构。其中所述CT机包括：①X射线源，用来生成扫描样品所需的X射线；②岩心样品夹持器，用于固定和精确旋转待扫描的岩心样品；③X射线探测器，用于检测经岩心样品吸收衰减后的X射线。上述各部件均连接计算机，计算机作为操作平台精确控制上述部件的参数，并输出岩心样品的扫描数据。

一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，包括步骤如下：

1)利用CT机对岩心进行扫描，得到所述岩心的三维数字图像；

2)将步骤1)得到的所述岩心的三维数字图像以txm格式导出，即为扫描数据；

3)将步骤2)的扫描数据输入现有的Avizo软件内：经图像定位、阈值分割、去除冗余数据、平滑处理，最后经3D计算建立岩心三维模型，即数字岩心；再经Avizo软件输出岩心三维模型的所有孔隙信息，所述孔隙信息包括岩心各个孔隙的位置坐标及孔隙尺寸；

4)利用LKC算法对步骤3)所有孔隙信息提取岩心的三维孔隙网络模型；所述LKC算法参考文献：赵秀才.数字岩心及孔隙网络模型重构方法研究[D].东营:中国石油大学(华东),2009.博士论文第4章内容；

5)根据研究目的对所述岩心的数字岩心和三维孔隙网络模型进行修正，将修正后的数字岩心和三维孔隙网络模型以STL格式输出到3D打印机；所述的修正过程包括添加缝、洞等非常规油藏特征，定量添加不同倾角、不同开度的裂缝，或者添加不同大小、不同分布的溶洞等；

6)配置制备复杂岩心的基材，利用3D打印机和激光烧结技术对复杂岩心的基材堆积、烧结形成符合数字岩心和三维孔隙网络模型的复杂岩心。所述复杂岩心的基材包括砂、塑料等制备岩心用的粉末材料。

在步骤6)中，通过设定3D打印机的填充密度实现对复杂岩心的密度设置。

所述步骤6)的具体方法包括：采用CO₂激光器作能源，在3D打印机的工作台上均匀铺上一层厚度为100μm～200μm的岩心基材，激光束在计算机控制下按照岩心分层轮廓有选择性地逐层进行烧结；烧结完后去掉多余的岩心基材，再进行打磨、烘干，即获得负责岩心。

所述岩心的直径为0.1-10cm。

所述CT机为Zeiss公司生产的MicroXCT-400型CT机。该CT机样品台承重可达15kg，X射线源高压范围是40-150kV，CCD图像传感器(英文全称：Charge-coupled Device，中文名称：电荷耦合元件。)灰阶为16bit，视域范围为2048×2048，设备扫描精度达到0.75μm。并配有专业可视化软件XM 3Dviewer和三维重构软件XM Reconstructor。CT扫描工作过程如下：固定所述岩心在物品台，准确设置X射线源、岩心和X射线探测器之间的距离，然后开启X射线源，射线穿过岩心，强度被样品吸收后衰减，衰减后的X射线照射到探测器上，该信号被计算机自动捕获并存储。之后，样品台控制系统将岩心精确旋转某一设定的角度，再次重复上面的过程，一直到岩心旋转360°后结束实验。

实施例2、

如实施例1所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其区别在于，所述岩心的直径为11-30cm。

实施例3、

如实施例1所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其区别在于，所述岩心的直径为31-60cm。

实施例4、

如实施例1所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其区别在于，所述岩心的直径为61-100cm。

本发明利用现代信息技术建立的三维模型和3D打印技术制备的特殊岩心，可以投入到课堂教学或者是科研实验中，为非常规油气藏的开发提供基础的物性参数。本发明基于CT扫描和3D打印技术，打破了传统的岩心制备方法，具有生产周期短、结构强度高、可视化效果好、目的性强等优点，必将成为石油工业岩心制备的新革命。

Claims (5)

1.一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

1)利用CT机对岩心进行扫描，得到所述岩心的三维数字图像；

2)将步骤1)得到的所述岩心的三维数字图像以txm格式导出，即为扫描数据；

3)将步骤2)的扫描数据输入现有的Avizo软件内：经图像定位、阈值分割、去除冗余数据、平滑处理，最后经3D计算建立岩心三维模型，即数字岩心；再经Avizo软件输出岩心三维模型的所有孔隙信息，所述孔隙信息包括岩心各个孔隙的位置坐标及孔隙尺寸；

4)利用LKC算法对步骤3)所有孔隙信息提取岩心的三维孔隙网络模型；

5)根据研究目的对所述岩心的数字岩心和三维孔隙网络模型进行修正，将修正后的数字岩心和三维孔隙网络模型以STL格式输出到3D打印机；

6)配置制备复杂岩心的基材，利用3D打印机和激光烧结技术对复杂岩心的基材堆积、烧结形成符合数字岩心和三维孔隙网络模型的复杂岩心。

2.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其特征在于，在步骤6)中，通过设定3D打印机的填充密度实现对复杂岩心的密度设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其特征在于，所述步骤6)的具体方法包括：采用CO₂激光器作能源，在3D打印机的工作台上均匀铺上一层厚度为100μm～200μm的岩心基材，激光束在计算机控制下按照岩心分层轮廓有选择性地逐层进行烧结；烧结完后去掉多余的岩心基材，再进行打磨、烘干，即获得负责岩心。

4.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其特征在于，所述岩心的直径为0.1-100cm。

5.根据权利要求4所述的一种基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，其特征在于，所述岩心的直径为0.1-10cm。