CN106383133A - 一种基于x射线ct成像技术的co2‑盐水‑岩芯体系毛细管压力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油科研技术领域，提供了一种基于X射线CT成像技术的CO2‑盐水‑岩芯体系毛细管压力测量方法。本发明涉及的测量方法包括以下4个过程：CO2‑盐水界面张力测量，驱替岩芯与CT扫描，CT图像处理，毛细管压力测量。本发明利用X射线CT具有较高分辨率、对样品能进行无损检测的特点，更加准确、方便、真实地测量CO2‑盐水‑岩芯体系不同流动状态下的毛细管压力，既可以测量岩芯局部毛细管压力，也可以测定岩芯整体毛细管压力，测量尺度达到孔隙尺度；测量方法可以推广到任意气‑液‑多孔介质体系或液‑液‑多孔介质体系毛细管压力测量。
Description
技术领域
本发明属于石油科研技术领域，涉及到一种基于X射线CT成像技术的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法。
背景技术
由于工业化进程的不断推进，大量CO2排放造成了严重的温室效应。另一方面，化石燃料的大量消耗使能源紧缺问题日益加剧。CO2地质封存技术作为一种有前景的减排方式，具有选址广泛，封存量巨大的优点，另外，CO2地质封存技术还可以用于提高石油采收率，缓解能源紧张问题。毛细管压力作为表征多孔介质流动的重要参数之一，是研究岩石孔隙结构及岩石中两相渗流所必需的资料。如何准确真实地测量CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力对于评价储层封存能力与封存安全性具有重要意义。
传统CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法一般采用半渗透隔板法、压汞法和离心法进行测量，但它们有以下缺点：其一，对测量条件要求较高，容易引入较大测量误差；其二，对测量样品有破坏性，测量成本高；其三，测量耗时长，一般只能测定岩芯样品的整体毛细管压力，无法对局部毛细管压力进行测定。
发明内容
为了解决传统测量方法的局限与不足，本发明利用X射线CT具有较高分辨率、对样品能进行无损检测的特点，提出了一种基于X射线CT的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，目的为了更加准确、方便、真实地测量CO2-盐水-岩芯体系不同流动状态下的毛细管压力。测量方法包括以下4个过程：CO2-盐水界面张力测量，驱替岩芯与CT扫描，CT图像处理，毛细管压力测量。
本发明采取以下技术方案。一种基于X射线CT成像技术的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，包括以下步骤：
步骤一、CO2-盐水界面张力测量
利用界面张力仪，采用悬滴法对设定温度、压力条件下CO2-盐水界面张力σ进行测量。
步骤二、驱替岩芯与X射线CT扫描
1)将岩芯夹持器放置于X射线CT载物台上，抽真空后通过盐水注入泵注入一定孔隙体积的盐水，控制压力和温度上升到设定要求，然后静置，确保岩芯被盐水充分饱和，岩芯中无残余气泡。
2)利用盐水注入泵注入一定孔隙体积的饱和CO2的盐水置换步骤1中的盐水，确保岩芯被饱和CO2的盐水充分饱和，岩芯颗粒表面达到稳定状态，岩芯颗粒表面不再发生任何物理和化学变化。
3)驱替过程：以恒定的注入速率向岩芯注入一定孔隙体积CO2，确保驱替过程达到稳定状态，岩芯中残余盐水体积不再发生变化。利用X射线CT进行3D扫描，扫描分辨率达到岩芯孔隙尺度分辨率。
4)吸入过程：驱替过程结束后，以恒定的注入速率向岩芯注入一定孔隙体积饱和CO2的盐水，确保吸入过程达到稳定状态，岩芯中残余CO2体积不在发生变化。利用X射线CT进行3D扫描，扫描分辨率达到岩芯孔隙尺度分辨率。
5)改变驱替、吸入过程的注入速率，然后利用X射线CT进行3D扫描，得到不同流动状态下岩芯的CT图像。
步骤三、CT图像处理
1)对原始CT图像大小进行裁剪，去除无用的视野区域。
2)采用非局部均值滤波方法对裁剪后CT图像进行降噪处理。
3)利用表面多项式拟合方法对降噪后CT图像进行射束硬化校正。
4)采用线性反锐化掩模算法对射束硬化校正后CT图像进行边缘锐化。
5)利用局部阈值法对边缘锐化后CT图像进行图像分割，得到CO2、盐水、岩芯分布的二值化图像。
步骤四、毛细管压力测量
本发明提供2种方法对CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力进行测量，一种是基于接触角数据的测量方法，一种是基于表面曲率的测量方法。
1.基于接触角数据的测量方法
a.对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量包含CO2-盐水接触面的孔隙的孔隙直径d和CO2-盐水-岩芯的局部接触角θ，利用公式pc＝4σcosθ/d计算得到该孔隙的局部毛细管压力值；对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值；
b.利用上述方法对不同流动条件下的岩芯进行测量，得到不同流动条件下岩芯的局部与整体毛细管压力值。
2.基于表面曲率的测量方法：
a.对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量孔隙中CO2-盐水接触面每个像素点的表面曲率，计算公式为其中Rmax为像素点位置的最大曲率半径，Rmin为像素点位置的最小曲率半径。
然后计算该接触面的平均表面曲率，计算公式为：ki为每个像素点的表面曲率，n为像素数。
利用公式pc＝2σk计算得到该孔隙的局部毛细管压力值，对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值。
b.利用上述方法对不同流动条件下的岩芯进行测量，得到不同流动条件下岩芯的局部与整体毛细管压力值。
进一步限定，上述步骤二的1)、3)、4)、5)中，所用X射线CT为微焦点X射线CT。
进一步限定，上述步骤二的1)中，注入大于50孔隙体积的盐水。
进一步限定，上述步骤二的2)中，注入大于200孔隙体积的饱和CO2的盐水。
进一步限定，上述步骤二的3)中，注入大于20孔隙体积的CO2。
进一步限定，上述步骤二的4)中，注入大于20孔隙体积的饱和CO2的盐水。
本发明的有益效果是：
1.没有测量条件限制，可以测定任一流动状态下CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力数值。
2.操作过程简单，可以进行反复测量，减少测量误差。
3.既可以测量岩芯局部毛细管压力，也可以测定岩芯整体毛细管压力，测量尺度达到孔隙尺度。
4.测量方法可以推广到任意气-液-多孔介质体系或液-液-多孔介质体系毛细管压力测量。
附图说明
附图1是岩芯驱替系统图。
图中：1岩芯夹持器；2微焦点X射线CT；3盐水注入泵；4CO2注入泵
附图2是图像处理过程示意图。
图中：a剪裁后CT图像；b降噪后CT图像；c射束硬化校正后CT图像；d边缘锐化后CT图像；e二值化图像
附图3是基于接触角数据测量岩芯局部毛细管压力示意图。
附图4是基于表面曲率测量岩芯局部毛细管压力示意图。
具体实施方式
以下结合具体技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
步骤一、CO2-盐水界面张力测量
利用界面张力仪，采用悬滴法对设定温度、压力条件下CO2-盐水界面张力σ进行测量。
步骤二、驱替岩芯与X射线CT扫描
1)将岩芯夹持器1放置于微焦点X射线CT2的载物台上，抽真空后通过盐水注入泵3注入大于50孔隙体积的盐水，控制压力和温度上升到设定要求，然后静置12小时以上，确保岩芯被盐水充分饱和，岩芯中无残余气泡。
2)利用盐水注入泵3注入大于200孔隙体积的饱和CO2的盐水置换步骤1中的盐水，确保岩芯被饱和CO2的盐水充分饱和，岩芯颗粒表面达到稳定状态，岩芯颗粒表面不再发生任何物理和化学变化。
3)驱替过程：通过CO2注入泵4以恒定的注入速率向岩芯注入大于20孔隙体积CO2，确保驱替过程达到稳定状态，岩芯中残余盐水体积不再发生变化。利用微焦点X射线CT2进行3D扫描，扫描分辨率达到岩芯孔隙尺度分辨率，岩芯的孔隙直径为扫描分辨率大小50倍以上。
4)吸入过程：驱替过程结束后，通过盐水注入泵3以恒定的注入速率向岩芯注入大于20孔隙体积饱和CO2的盐水，确保吸入过程达到稳定状态，岩芯中残余CO2体积不再发生变化。利用微焦点X射线CT2进行3D扫描，扫描分辨率达到岩芯孔隙尺度分辨率，岩芯的孔隙直径为扫描分辨率大小50倍以上。
5)改变驱替、吸入过程的注入速率，然后利用微焦点X射线CT2进行3D扫描，得到不同流动状态下岩芯的CT图像。
步骤三、CT图像处理
1)对原始CT图像大小进行裁剪，去除无用的视野区域。
2)采用非局部均值滤波方法对裁剪后CT图像a进行降噪处理。
3)利用表面多项式拟合方法对降噪后CT图像b进行射束硬化校正。
4)采用线性反锐化掩模算法对射束硬化校正后CT图像c进行边缘锐化。
5)利用局部阈值法对边缘锐化后CT图像d进行图像分割，本实例采用了局部阈值法中的分水岭算法，得到CO2、盐水、岩芯分布的二值化图像e。
步骤四、毛细管压力测量
本发明提供2种方法对CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力进行测量，一种是基于接触角数据的测量方法，一种是基于表面曲率的测量方法。
1.基于接触角数据的测量方法
a.对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量包含CO2-盐水接触面的孔隙的孔隙直径d和CO2-盐水-岩芯的局部接触角θ，利用公式pc＝4σcosθ/d计算得到该孔隙的局部毛细管压力值。对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值。
b.利用上述方法对不同流动条件下的岩芯进行测量，得到不同流动条件下岩芯的局部与整体毛细管压力值。
2.基于表面曲率的测量方法：
a.对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量孔隙中CO2-盐水接触面每个像素点的表面曲率，计算公式为其中Rmax为像素点位置的最大曲率半径，Rmin为像素点位置的最小曲率半径。
然后计算该接触面的平均表面曲率，计算公式为：ki为每个像素点的表面曲率，n为像素数。
利用公式pc＝2σk计算得到该孔隙的局部毛细管压力值，对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值。
b.利用上述方法对不同流动条件下的岩芯进行测量，得到不同流动条件下岩芯的局部与整体毛细管压力值。
Claims (9)
1.一种基于X射线CT成像技术的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，包括以下步骤：
步骤一、CO2-盐水界面张力测量；
利用界面张力仪，采用悬滴法对设定温度、压力条件下CO2-盐水界面张力σ进行测量；
步骤二、驱替岩芯与X射线CT扫描；
1)将岩芯夹持器放置于X射线CT载物台上，抽真空后通过盐水注入泵注入一定孔隙体积的盐水，控制压力和温度上升到设定要求，然后静置，确保岩芯被盐水充分饱和；
2)利用盐水注入泵注入一定孔隙体积的饱和CO2的盐水置换步骤1中的盐水，确保岩芯被饱和CO2的盐水充分饱和，岩芯颗粒表面达到稳定状态；
3)驱替过程：以恒定的注入速率向岩芯注入一定孔隙体积CO2，确保驱替过程达到稳定状态；利用X射线CT进行3D扫描，扫描分辨率达到岩芯孔隙尺度分辨率；
4)吸入过程：驱替过程结束后，以恒定的注入速率向岩芯注入一定孔隙体积饱和CO2的盐水，确保吸入过程达到稳定状态；利用X射线CT进行3D扫描，扫描分辨率达到岩芯孔隙尺度分辨率；
5)改变驱替、吸入过程的注入速率，然后利用X射线CT进行3D扫描，得到不同流动状态下岩芯的CT图像；
步骤三、CT图像处理
1)对原始CT图像大小进行裁剪，去除无用的视野区域；
2)采用非局部均值滤波方法对裁剪后CT图像进行降噪处理；
3)利用表面多项式拟合方法对降噪后CT图像进行射束硬化校正；
4)采用线性反锐化掩模算法对射束硬化校正后CT图像进行边缘锐化；
5)利用局部阈值法对边缘锐化后CT图像进行图像分割，得到CO2、盐水、岩芯分布的二值化图像；
步骤四、毛细管压力测量
对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量包含CO2-盐水接触面的孔隙的孔隙直径d和CO2-盐水-岩芯的局部接触角θ，利用公式pc＝4σcosθ/d计算得到该孔隙的局部毛细管压力值；对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值。
2.根据权利要求1所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，步骤二的1)、3)、4)、5)中，所用X射线CT为微焦点X射线CT。
3.根据权利要求1或2所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，步骤二的1)中，注入大于50孔隙体积的盐水。
4.根据权利要求3所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，步骤二的2)中，注入大于200孔隙体积的饱和CO2的盐水。
5.根据权利要求1、2或4所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，步骤二的3)中，注入大于20孔隙体积的CO2。
6.根据权利要求5所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，步骤二的4)中，注入大于20孔隙体积的饱和CO2的盐水。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，所述步骤四的毛细管压力测量包括如下步骤：
对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量孔隙中CO2-盐水接触面每个像素点的表面曲率，计算公式为其中Rmax为像素点位置的最大曲率半径，Rmin为像素点位置的最小曲率半径；
然后计算该接触面的平均表面曲率，计算公式为：ki为每个像素点的表面曲率，n为像素数；
利用公式pc＝2σk计算得到该孔隙的局部毛细管压力值，对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值。
8.根据权利要求3所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，所述步骤四的毛细管压力测量包括如下步骤：
对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量孔隙中CO2-盐水接触面每个像素点的表面曲率，计算公式为其中Rmax为像素点位置的最大曲率半径，Rmin为像素点位置的最小曲率半径；
然后计算该接触面的平均表面曲率，计算公式为：ki为每个像素点的表面曲率，n为像素数；
利用公式pc＝2σk计算得到该孔隙的局部毛细管压力值，对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值。
9.根据权利要求5所述的CO2-盐水-岩芯体系毛细管压力测量方法，其特征在于，所述步骤四的毛细管压力测量包括如下步骤：
对分割后的二值化图像进行裁剪，使剪裁后的图像包含CO2-盐水-岩芯三相接触面，测量孔隙中CO2-盐水接触面每个像素点的表面曲率，计算公式为其中Rmax为像素点位置的最大曲率半径，Rmin为像素点位置的最小曲率半径；
然后计算该接触面的平均表面曲率，计算公式为：ki为每个像素点的表面曲率，n为像素数；
利用公式pc＝2σk计算得到该孔隙的局部毛细管压力值，对所有含有CO2-盐水接触面的孔隙进行局部毛细管压力测量，随后将局部毛细管压力进行累加，得到岩芯整体的毛细管压力值。
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