CN105823720A - 一种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法及装置 - Google Patents
一种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及的是一种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法及装置，其中的装置包括岩心实验装置、操作台、图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统、岩体切割系统，岩心实验装置包括由标准岩心、岩心夹持装置组成的被测试件体，被测试件体置于滑动底座上，操作台的上表面设置有刻度尺，操作台的一侧具有支架，液压顶固定在支架的侧面，液压顶从侧面顶在岩心夹持器上，岩心夹持器从一侧将标准岩心进行夹持固定；岩体切割系统由聚焦粒子束发射头与FIB智能控制系统组成，聚焦粒子束发射头固定在标准岩心的上方。本发明实现了岩体孔隙裂隙双重介质分布特征的可视化描述，对岩体逾渗与连通的特征给予清晰的描述。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气、矿业、岩土等工程中岩体微观技术领域，具体涉及一种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法及装置。
背景技术
在常规与非常规油气藏的开采中，孔隙裂隙双重介质是普遍的一类介质。由于不同类型岩体的复杂结构与特性，以及岩体内部孔隙及裂隙结构特征的描述不够准确，实际开采中存在很多技术和安全问题无法解决。目前，对于岩体内部结构特征的研究还仅限于孔隙介质，主要是基于统计概率的最大逾渗团特征研究，而岩体中的裂隙分布对岩体的变形破坏特性及逾渗特征的影响也很大。对于孔隙裂隙双重介质以及孔隙裂隙在整个岩体的分布情况没有确切描述，因此无法可视化岩体的孔裂隙结构特征。而对岩体内部孔裂隙的复杂连通行为的描述不完善，制约了岩体孔裂隙结构演化的进一步研究，如：外载作用下岩体内部结构的演化规律、不同外部条件下岩体逾渗阈值变化等方面的研究。尽管目前对岩体内部特征的研究成果能够在一定程度上满足当前认识，但对于岩体孔隙及裂隙结构无法给予系统的阐述，从而影响岩体逾渗特征及规律的研究与发展。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法，这种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征方法用于解决现有的岩体孔隙裂隙双重介质连通特征无法准确描述的问题，本发明的另一个目的是提供这种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法：
第一步：现场选取实验岩心，对岩心进行抛光，按照仪器规定制作成标准的岩样尺寸即标准岩心，置于岩心实验装置中；
第二步：通过图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统对标准岩心进行扫描，将扫描岩心图像传输至计算机图像处理系统中；
第三步：通过岩体切割系统对实验岩心进行纵向切割扫描，并将单张切割岩体以标准图像形式传输至计算机图像处理系统中。计算机图像处理系统对单张岩心图像进行网格剖分，并进行坐标标注，标注原则为：假定岩心图像尺寸为L0×L0,将图像划分成边长为L×L的正方形子网格。其中任一张网格剖面的第一个网格的坐标为设定为(0,0,0)，则该剖面内任意网格的坐标为（m,n,k），m,n=1,2,…,L0/L，k为岩体纵向上被剖开的份数，k=1,2,…,H/h，H为岩体总厚度，h为岩体纵向切割的单位步长厚度。对岩心图像进行灰度扫描，若任意网格(m,n,k)被孔隙占据，孔隙长度r<L，则该网格被赋予向量值表示为[m,n,k,1]。不考虑裂隙在网格内的弯曲，若裂隙落入网格的某一格子中，裂隙长度l满足L≤l≤L，即认为该格子为裂隙单元，该网格被赋予向量值[m,n,k,-1]。若该网格的空间被岩石基质占据，则该网格被赋予向量值表示为[m,n,k,0]，其中m，n为任意网格点坐标；
第四步：重复第三步操作，将岩体所有剖分的图像进行扫描，得到整个岩体孔裂隙与基质岩石的三维向量表示形式为：
基质：；孔隙：；裂隙：；
第五步：通过寻址获取连通团的特征，假设两个网格均为孔隙时是不连通的，一个裂隙单元或基质单元周围至少有一个裂隙单元或基质单元与之相连通，将孔隙单元、基质单元和裂隙单元在网格中的1，0，-1分布按照1+1=1,1+0=1，1+(-1)=-1,0+0=0,-1+0=-1,-1+(-1)=-1的准则对孔隙和裂隙的向量值进行叠加，最后形成了孔裂隙共存的向量值表示；
第六步：重复上述第五步的操作，对整个岩体中所有的裂隙网格寻址结束；
第七步：对任意孔隙网格坐标(m,n,k)，按照第五步的寻址路径对整个岩体中的孔隙网格寻址，若找到与其连通的孔隙网格坐标，记录该相对坐标，若寻址网格特征为裂隙或岩石基质或与之前寻址的网格相对坐标相同则完成一次寻址过程，对所有寻址路径寻址完成，此时，整个岩体中所有孔裂隙网格寻址结束，整个岩体的孔裂隙连通情况确定；
第八步：统计整个岩体的孔隙或裂隙连通团所包含的单元数量，得到最大连通团包含的网格数量F，确定岩体的逾渗概率为P=F/[(L0/L)2×(H/h)]；
上述方案步骤五中寻址方法与过程如下：对任意裂隙网格坐标(m,n,k)设定寻址的路径包括：m+1、m-1、n+1、n-1、k+1、k-1，其中此处的1≤m,n≤L0/L-1,1≤k≤H/h-1；在寻址过程中，每一步沿上述6个坐标方位进行路径寻址，若找到与其连通的裂隙网格坐标，记录该相对坐标，若找到与其连通的孔隙网格坐标，按照向量叠加准则进行向量坐标叠加；若寻址网格特征为岩石基质或与之前寻址的网格相对坐标相同则完成一次寻址过程，若整个寻址过程的所有寻址路径均完成，则该网格的寻址过程终止，寻址过程中有经过的轨迹即为其相连通的裂隙连通团。
上述研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法使用的装置包括岩心实验装置、操作台、图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统、岩体切割系统，岩心实验装置包括由标准岩心、岩心夹持装置组成的被测试件体，被测试件体置于滑动底座上，滑动底座的滚轮位于操作台上，操作台的上表面设置有刻度尺，操作台的一侧具有支架，液压顶固定在支架的侧面，液压顶从侧面顶在岩心夹持器上，岩心夹持器从一侧将标准岩心进行夹持固定；岩体切割系统由聚焦粒子束发射头与FIB智能控制系统组成，聚焦粒子束发射头固定在标准岩心的上方。
上述方案中的图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统包括由体视显微镜、CCD摄像机、显微观测架和计算机图像处理系统，TEM透射电镜与CCD摄像机相连，并置于显微观测架上，CCD摄像机连接计算机图像处理系统。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现了岩体孔隙裂隙双重介质分布特征的可视化描述，对岩体逾渗与连通的特征给予清晰的描述。
2、本发明更直观的测定了岩体的孔裂隙结构，对于岩体内部结构的研究是很好的补充。
3、本发明对未来的数字化岩心描述、微观、纳观孔裂隙特征描述给予了更加合理的方法与手段。
附图说明
图1是本发明中岩体三维结构网格划分示意图；
图2是座逾渗模型（三维）；
图3是本发明中装置总体结构示意图。
1-标准岩心；2-岩心夹持器；3-FIB智能控制系统；4-聚焦粒子束发射头；5-TEM透射电镜；6-CCD摄像机；7-显微观测架；8-计算机图像处理系统；9-滑动底座；10-刻度尺；11-操作台；12-固定底座；13-液压顶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
这种研究岩体孔裂隙结构与逾渗特征的描述方法在图3所示的装置中进行。具体如下：
第一步：现场选取实验岩心，对岩心进行抛光，按照仪器规定制作成标准的岩样尺寸，置于岩心实验装置中。
第二步：通过图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统对标准岩心按照进行扫描，将扫描岩心图像传输至计算机图像处理系统中，计算机图像处理系统中安装系统处理软件。
第三步：通过岩体切割系统对实验岩心进行纵向切割扫描，并将单张切割岩体以标准图像形式传输至计算机图像处理系统中。参阅图2，计算机图像处理系统对单张岩心图像进行网格剖分，并进行坐标标注，标注原则为：假定岩心图像尺寸为L0×L0,将图像划分成边长为L×L的正方形子网格。其中任一张网格剖面的第一个网格的坐标为设定为(0,0,0)，则该剖面内任意网格的坐标为（m,n,k），m,n=1,2,…,L0/L，k为岩体纵向上被剖开的份数，k=1,2,…,H/h，H为岩体总厚度，h为岩体纵向切割的单位步长厚度。对岩心图像进行灰度扫描，若任意网格(m,n,k)被孔隙占据，孔隙长度r<L，则该网格被赋予向量值表示为[m,n,k,1]。不考虑裂隙在网格内的弯曲，若裂隙落入网格的某一格子中，裂隙长度l满足L≤l≤L，即认为该格子为裂隙单元，该网格被赋予向量值[m,n,k,-1]。若该网格的空间被岩石基质占据，则该网格被赋予向量值表示为[m,n,k,0]，其中m,n为任意网格点坐标。
第四步：重复第三步操作，将岩体所有剖分的图像进行扫描，得到整个岩体孔裂隙与基质岩石的三维向量表示形式为：
基质：；孔隙：；裂隙：
第五步：通过寻址路径的方法获取连通团的特征，假设两个网格均为孔隙时是不连通的，一个裂隙（或基质）单元周围至少有一个裂隙（或基质）单元与之相连通，将孔隙单元、基质单元和裂隙单元在网格中的1，0，-1分布按照1+1=1,1+0=1，1+(-1)=-1,0+0=0,-1+0=-1,-1+(-1)=-1的准则对孔隙和裂隙的向量值进行叠加，最后形成了孔裂隙共存的向量值表示。参阅图2，本发明运用三维座逾渗模型研究岩体孔裂隙结构分布情况，即一个座周围有6个相邻的座与之相连通。具体寻址方法与过程如下：对任意裂隙网格坐标(m,n,k)设定寻址的路径包括：m+1、m-1、n+1、n-1、k+1、k-1，其中此处的1≤m,n≤L0/L-1,1≤k≤H/h-1。在寻址过程中，每一步沿上述6个坐标方位进行路径寻址，若找到与其连通的裂隙网格坐标，记录该相对坐标，若找到与其连通的孔隙网格坐标，按照向量叠加准则进行向量坐标叠加；若寻址网格特征为岩石基质或与之前寻址的网格相对坐标相同则完成一次寻址过程，若整个寻址过程的所有寻址路径均完成，则该网格的寻址过程终止，寻址过程中有经过的轨迹即为其相连通的裂隙连通团。
第六步：重复上述第五步的操作，对整个岩体中所有的裂隙网格寻址结束。
第七步：对任意孔隙网格坐标(m,n,k)，按照第五步的寻址路径对整个岩体中的孔隙网格寻址，若找到与其连通的孔隙网格坐标，记录该相对坐标，若寻址网格特征为裂隙或岩石基质或与之前寻址的网格相对坐标相同则完成一次寻址过程，对所有寻址路径寻址完成。此时，整个岩体中所有孔裂隙网格寻址结束，整个岩体的孔裂隙连通情况确定。
第八步：统计整个岩体的孔隙或裂隙连通团所包含的单元数量，得到最大连通团包含的网格数量F，确定岩体的逾渗概率为P=F/[(L0/L)2×(H/h)]。
如图3所示，本发明研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法使用的装置包括岩心实验装置、操作台11、图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统、岩体切割系统，岩心实验装置包括由标准岩心1、岩心夹持器2组成的被测试件体，被测试件体置于滑动底座9上，滑动底座9的滚轮位于操作台11上，操作台11的上表面设置有刻度尺10，操作台11的一侧具有支架，液压顶13固定在支架的侧面，液压顶13从侧面顶在岩心夹持器2上，岩心夹持器2从一侧将标准岩心1进行夹持固定；岩体切割系统由聚焦粒子束发射头4与FIB智能控制系统3组成，聚焦粒子束发射头4固定在标准岩心1的上方。滑动底座9能够通过滚轮在操作台11上滑动，滑动步长可调节。
图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统包括由体视显微镜、CCD摄像机6、显微观测架7和计算机图像处理系统8。体视显微镜采用TEM透射电镜5，TEM透射电镜5与CCD摄像机6相连，并置于显微观测架7上，对标准岩心1进行扫描计算机测定，CCD摄像机6连接计算机图像处理系统8，扫描结果经CCD摄像机6成像装置成像，并传输至计算机图像处理系统8中，计算机图像处理系统8经对图像按照操作第三步-第七步对图像进行逾渗研究与连通特征描述。
岩体切割系统由FIB智能控制系统3、聚焦粒子束发射头4组成，其中FIB智能控制系统3内置控制软件，可对聚焦粒子束发射头4实施岩心切割，液压顶13对岩心移动实施控制，岩心切割厚度尺寸可通过刻度尺10实现控制。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法，其特征在于：这种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法：
第一步：现场选取实验岩心，对岩心进行抛光，按照仪器规定制作成标准的岩样尺寸即标准岩心，置于岩心实验装置中；
第二步：通过图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统对标准岩心进行扫描，将扫描岩心图像传输至计算机图像处理系统中；
第三步：通过岩体切割系统对实验岩心进行纵向切割扫描，并将单张切割岩体以标准图像形式传输至计算机图像处理系统中；计算机图像处理系统对单张岩心图像进行网格剖分，并进行坐标标注，标注原则为：假定岩心图像尺寸为L0×L0,将图像划分成边长为L×L的正方形子网格，其中任一张网格剖面的第一个网格的坐标为设定为(0,0,0)，则该剖面内任意网格的坐标为（m,n,k），m,n=1,2,…,L0/L，k为岩体纵向上被剖开的份数，k=1,2,…,H/h，H为岩体总厚度，h为岩体纵向切割的单位步长厚度；对岩心图像进行灰度扫描，若任意网格(m,n,k)被孔隙占据，孔隙长度r<L，则该网格被赋予向量值表示为[m,n,k,1]；不考虑裂隙在网格内的弯曲，若裂隙落入网格的某一格子中，裂隙长度l满足L≤l≤L，即认为该格子为裂隙单元，该网格被赋予向量值[m,n,k,-1]，若该网格的空间被岩石基质占据，则该网格被赋予向量值表示为[m,n,k,0]，其中m，n为任意网格点坐标；
第四步：重复第三步操作，将岩体所有剖分的图像进行扫描，得到整个岩体孔裂隙与基质岩石的三维向量表示形式为：
基质：；孔隙：；裂隙：；
第五步：通过寻址获取连通团的特征，假设两个网格均为孔隙时是不连通的，一个裂隙单元或基质单元周围至少有一个裂隙单元或基质单元与之相连通，将孔隙单元、基质单元和裂隙单元在网格中的1，0，-1分布按照1+1=1,1+0=1，1+(-1)=-1,0+0=0,-1+0=-1,-1+(-1)=-1的准则对孔隙和裂隙的向量值进行叠加，最后形成了孔裂隙共存的向量值表示；
第六步：重复上述第五步的操作，对整个岩体中所有的裂隙网格寻址结束；
第七步：对任意孔隙网格坐标(m,n,k)，按照第五步的寻址路径对整个岩体中的孔隙网格寻址，若找到与其连通的孔隙网格坐标，记录该相对坐标，若寻址网格特征为裂隙或岩石基质或与之前寻址的网格相对坐标相同则完成一次寻址过程，对所有寻址路径寻址完成，此时，整个岩体中所有孔裂隙网格寻址结束，整个岩体的孔裂隙连通情况确定；
第八步：统计整个岩体的孔隙或裂隙连通团所包含的单元数量，得到最大连通团包含的网格数量F，确定岩体的逾渗概率为P=F/[(L0/L)2×(H/h)]。
2.根据权利要求1所述的研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法，其特征在于：所述的步骤五中寻址方法与过程如下：对任意裂隙网格坐标(m,n,k)设定寻址的路径包括：m+1、m-1、n+1、n-1、k+1、k-1，其中此处的1≤m,n≤L0/L-1,1≤k≤H/h-1；在寻址过程中，每一步沿上述6个坐标方位进行路径寻址，若找到与其连通的裂隙网格坐标，记录该相对坐标，若找到与其连通的孔隙网格坐标，按照向量叠加准则进行向量坐标叠加；若寻址网格特征为岩石基质或与之前寻址的网格相对坐标相同则完成一次寻址过程，若整个寻址过程的所有寻址路径均完成，则该网格的寻址过程终止，寻址过程中有经过的轨迹即为其相连通的裂隙连通团。
3.一种权利要求1或2所述的研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法使用的装置，其特征在于：这种研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法使用的装置包括岩心实验装置、操作台（11）、图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统、岩体切割系统，岩心实验装置包括由标准岩心（1）、岩心夹持器（2）组成的被测试件体，被测试件体置于滑动底座（9）上，滑动底座（9）的滚轮位于操作台（11）上，操作台（11）的上表面设置有刻度尺（10），操作台（11）的一侧具有支架，液压顶（13）固定在支架的侧面，液压顶（13）从侧面顶在岩心夹持器（2）上，岩心夹持器（2）从一侧将标准岩心（1）进行夹持固定；岩体切割系统由聚焦粒子束发射头（4）与FIB智能控制系统（5）组成，聚焦粒子束发射头（4）固定在标准岩心（1）的上方。
4.根据权利要求3所述的研究岩体孔隙及裂隙结构与座逾渗特征的方法使用的装置，其特征在于：所述的图像放大装置与透射镜扫描图像处理系统包括由体视显微镜、CCD摄像机（6）、显微观测架（7）和计算机图像处理系统（8），TEM透射电镜（5）与CCD摄像机（6）相连，并置于显微观测架（7）上，CCD摄像机（6）连接计算机图像处理系统（8）。
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