CN114379092B - 一种人造岩心制备方法及系统 - Google Patents

一种人造岩心制备方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种人造岩心制备方法及系统，其中，所述人造岩心制备方法包括：利用计算机断层扫描CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的储层结构模型；基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型；利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。

Description

一种人造岩心制备方法及系统
技术领域
本申请涉及石油地质领域，尤其涉及一种人造岩心制备方法及系统。
背景技术
了解和掌握地质缝网结构、流动机理和规律，对致密油气储层的开发具有较大的科学指导意义。为此，需要利用天然岩心进行多次实验分析。
然而，天然岩心需利用钻井从地下取出，耗费财力巨大且数量非常有限。此外，天然岩心为大自然“制备”的天然样品，其矿物组成、缝网结构等非常复杂。每一块岩心都不相同，无法找到同一批次且内部缝网结构相同的岩心来开展并列的模拟实验，这也制约了油气在岩心内部缝网中流动机理的模拟研究。
为了解决上述问题，研究人员付出了极大地努力，制备出了人造岩心。人造岩心模型是先利用不同粒径的沙粒混合再加入粘接剂固化，得到人造岩石；再从人造岩石中制取岩心模型。然而，由于人造岩心与天然岩心在缝网结构方面存在很大的差异，因此人造岩心中的油气储层结构和运动规律与天然岩心之间也必然存在很大差异。此外，由于天然岩心和人造岩心在材质上是非透明的，因此也无法直观的展示岩心内部缝网的结构。
综上所述，目前实验用岩心在可复制性、可观测性以及缝网仿真性方面还存在不足之处。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种人造岩心制备方法及系统，能够基于岩心样品，利用计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)技术和3D打印技术，制备出与岩心样品具有相同缝网结构的可视化人造岩心。
本申请实施例提供了一种人造岩心制备方法，包括：
利用计算机断层扫描CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的储层结构模型；
基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；
基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型；
利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
本申请实施例还提供了一种人造岩心制备系统，包括：
扫描单元，用于利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的CT投影数据；
图像重构单元，用于基于岩心样品的CT投影数据，得到岩心样品的储层结构模型；
缝网提取单元，用于基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；
模型分割单元，用于基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型；
打印单元，用于利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
本申请实施例提供了一种人造岩心制备方法及系统。其中，所述人造岩心制备方法包括：利用计算机断层扫描CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的储层结构模型；基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型；利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
本申请实施例中，利用计算机断层扫描CT设备扫描岩心样品能够快速获取岩心样品的储层结构模型，利用岩心样品的储层结构模型能够获取岩心样品的缝网模型，再通过模型分割法，沿岩心样品的缝网展布将岩心样品的储层结构模型分割为多块子储层结构模型，最后利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。如此，得到的人造岩心与岩心样品的缝网结构相同，且通过人造岩心各组成部分，能够直观的观测人造岩心内部缝网的结构，多块子储层结构模型还可重复打印，满足多次实验需求。
附图说明
图1为本申请实施例提供的人造岩心制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的锥束CT几何圆形扫描轨迹示意图；
图3为本申请实施例提供的利用FDK算法重构岩心样品的储层结构模型的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的利用3D打印设备打印子储层结构模型的方法的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的人造岩心制备系统的结构示意图；
图6为本申请应用实施例提供的人造岩心制备方法的流程示意图；
图7为本申请实施例提供的岩心样品的储层结构模型的示意图；
图8为本申请实施例提供的岩心样品的缝网模型的示意图；
图9为本申请实施例提供的分割后的岩心样品的储层结构模型的示意图；
图10为本申请实施例提供的多块子储层结构模型的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本申请实施例中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。
为便于理解本申请实施例的技术方案，以下对本申请实施例的相关技术进行说明，以下相关技术作为可选方案与本申请实施例的技术方案可以进行任意结合，其均属于本申请实施例的保护范围。
关于石油地质实验中人造岩心的制备方法，已经披露的方法包括多种，以下介绍几种常见方案：
方案A为填砂法，具体为：将石英砂与胶结剂通过人工铺砌或者模拟自然沉积的方式填入模具中，再进行压制获取人造岩心。该方法操作复杂，而且对于已知的缝网结构，不能还原天然岩心的缝网展布特点，也不能直观的观测人造岩心内部的缝网结构。
方案B为刻蚀法，具体为：利用人工刻蚀的方式加工玻璃或者有机玻璃等可视化材料，但是人工刻蚀的加工方式精度不足，加工尺寸不精确，尤其对于利用人工刻蚀的方式制备的三维人造岩心模型，与天然岩心的缝网结构相差较大，不能满足油气模拟实验的要求，也不能通过多次制备获取内部缝网结构相同的人造岩心来开展并列的模拟实验。
上述方案存在的缺陷如下：
对于方案A，操作复杂，而且对于已知的缝网结构，不能还原天然岩心的裂缝展布特点，也不能直观的观测人造岩心内部的缝网结构。
对于方案B，利用人工刻蚀的方式制备的三维人造岩心模型，与天然岩心的缝网结构相差较大，不能满足油气模拟实验的要求，也不能通过多次制备获取内部缝网结构相同的人造岩心来开展并列的模拟实验。
为了解决上述至少部分缺陷，提出了本申请实施例的以下技术方案：
为了能够更加详尽地了解本申请的特点与技术内容，下面结合附图对本申请的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请；所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于理解本申请实施例的技术方案，以下对本申请实施例的技术方案中出现的名词进行解释：
岩心样品的储层结构模型：基于岩心样品的CT投影数据，通过图像重构获取的岩心样品的三维可视化图像。
岩心样品的缝网模型：岩心样品内部缝网结构的三维可视化图像。
子储层结构模型：构成人造岩心的各组成部分分别对应的三维可视化图像。
本申请实施例提供一种人造岩心制备方法，图1为本申请实施例提供的人造岩心制备方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：
步骤101：利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的储层结构模型；
步骤102：基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；
步骤103：基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型；
步骤104：利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
上述方案中，CT技术是一种采用X射线成像原理无损获取物质内部结构的高分辨三维成像技术，广泛应用于医疗、文物鉴定和石油地质等领域。CT技术的成像原理为：
CT设备发出的X射线是一种高能射线，具备强穿透力，X射线穿透物体的过程中，会有部分能量被物体吸收，导致X射线产生能量损失，这种现象称为衰减。通过检测X射线穿透物体前后的能量差异，即可得到物体各部分的衰减系数μ。为了计算物体各部分的衰减系数μ，可使X射线穿透物体的层断面，然后通过比尔定律和拉东(Radon)变换计算对应层断面各部分的衰减系数μ。上述层断面各部分是指将层断面划分为若干个体积相同的小长方体，称之为体素(voxel)，构成每个体素的介质视为均匀的。将计算得到的每个体素的衰减系数μ按照对应体素在层断面的位置排列成数字矩阵，通过数字/模拟转换器(digital/anologconverter)将数字矩阵中的每个数字转换为由黑到白不等灰度值的小方块，即像素(pixel)，并按照矩阵排列，即构成CT投影数据(CT图像)。
具体的，假设物体由均匀介质构成，则入射强度为I0的X射线穿透衰减系数为μ的物体时，其出射线强度满足比尔定律：在均匀介质中，衰减系数处处相同，即I＝I0e-μL；其中，L为X射线穿透的直线路径，dl为L的积分微元，因此，/>
但是，当物体是由非均匀介质构成的，比如：本申请实施例中的岩心样品是由岩石骨架和孔隙、缝网等构成的，X射线的穿透路径上的衰减系数μ也不相同，设f(x,y)为岩心样品某层断面的衰减系数μ的分布函数，则X射线穿透此断面时，I与I0应满足下式：
利用CT设备发出的X射线对此层断面沿不同角度扫描时，定义X射线穿透的直线路径L＝L(θ,t)，其中，θ为坐标原点到L的垂线与x轴的夹角，所述坐标原点是指(x,y)平面的坐标原点，即X射线源的旋转中心，t为(x,y)平面内L到坐标原点的距离，因此，得到x cosθ+y sinθ＝t。
将(x,y)平面空间中的L映射为Radon空间的一个点(t,θ)，Radon变换即f(x,y)的线积分，则其中，由上式/>可以看出，利用CT设备发出的X射线对岩心样品某层断面扫描后，能够得到P(t,θ)的函数，称P(t,θ)为f(x,y)的CT投影数据。利用Radon反变换方法，即可得到f(x,y)。
基于此，在一实施例中，所述利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的储层结构模型，包括：
利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的CT投影数据；
基于岩心样品的CT投影数据，得到岩心样品的储层结构模型。
上述方案中，随着CT技术的发展，应用于工业的CT设备大致可分为四代，以下做简单介绍。
第一代CT设备由一只X射线管和一个晶体探测器构成。其扫描方式为：X射线的线束被准直为铅笔芯粗细的笔形线束，X射线管与探测器先做同步直线平移扫描运动，再环绕物体中心旋转一度后，继续做与上次方向相反的直线平移扫描运动，可归结为平移-旋转扫描方式。
第二代CT设备也采用平移-旋转扫描方式，但是将笔形线束改为扇形线束，每次平移扫描后的旋转角度提高到扇面夹角角度，扫描时间短。
第三代CT设备采用旋转-旋转扫描方式，扇形线束的扇形角较宽，因此又称为广角扇束CT，X射线管与探测器不需做直线平移运动，仅围绕物体进行连续旋转运动即可，扫描时间更短。
第四代CT设备采用锥束扫描方式，使用面阵探测器代替线阵探测器，使用锥束扫描代替扇束扫描，X射线利用率更高，扫描时间更短，与扇束扫描相比，锥束扫描具有同时扫描数百个层断面的能力，并能获得x向和y向均匀、高精度的分辨率，被广泛应用于各个行业中。
基于此，在一实施例中，所述利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的CT投影数据，包括：
利用锥束CT设备扫描岩心样品，得到多个不同角度的岩心样品的二维CT投影数据。
上述方案中，利用锥束CT设备扫描岩心样品，与扇束CT设备不同的是，锥束CT设备发出的锥束X射线可视为沿z向不同倾斜角度的扇束X射线堆积而成。基于扇束CT设备得到的CT投影数据，可使用滤波反投影(Filtered Back Pprojection，FBP)算法重建岩心样品的储层结构模型，FBP算法由投影加权、卷积滤波和反投影三部分组成。本申请的实施例中，采用基于FBP算法改进的FDK算法重建岩心样品的储层结构模型。FDK算法是由Fdldkamp等人在1984年针对锥束CT几何圆形扫描轨迹提出的一种近似的三维图像重建算法。如图2所示，图2为本申请实施例提供的锥束CT几何圆形扫描轨迹示意图，其中，O-xyz表示世界坐标系，O-ab表示探测器坐标系，S表示X射线源，z轴表示S的旋转中心轴，β表示S旋转过的角度，探测器平面D总是垂直于S与坐标原点O的连线，S与坐标原点O的距离为R。
基于此，在一实施例中，所述基于岩心样品的CT投影数据，得到岩心样品的储层结构模型，如图3所示，图3为本申请实施例提供的利用FDK算法重构岩心样品的储层结构模型的流程示意图。包括以下步骤：
步骤301：对每个不同角度的岩心样品的二维CT投影数据进行加权处理，得到加权修正后的岩心样品的二维CT投影数据；所述加权处理的目的是为了适当地修正每个体素到S的距离和角度差，用数学式表示为：
其中，P(β,a,b)表示岩心样品在S旋转过β角时的投影数据，P'(β,a,b)表示岩心样品在S旋转过β角时加权处理后的投影数据，表示加权因子，几何意义为任一射线与投影的中心射线之间夹角的余弦值。
步骤302：对加权修正后的岩心样品的二维CT投影数据沿水平方向进行一维滤波处理，得到滤波后的岩心样品的二维CT投影数据；所述一维滤波处理的目的是为了将每一个投影角度下采集的投影数据进行卷积处理，从而改善点扩散函数引起的星状伪影，优化重构后的图像。用数学式表示为：
其中表示岩心样品在S旋转过β角时加权滤波处理后的投影数据，h(a)表示斜坡(Ramp)函数。
步骤303：基于滤波后的岩心样品的二维CT投影数据，沿X射线方向进行三维反投影重构处理，得到岩心样品的储层结构模型；其中，岩心样品的储层结构模型的体素值是各个角度下通过该体素的所有投影射线的贡献之和，用数学式表示为：
其中，
U(x,y,β)＝R+x cosβ+y sinβ；
上述方案中，利用FDK算法得到的岩心样品的储层结构模型，其本质是构成岩心样品的储层结构模型的每个体素在其对应的空间位置的灰度值，即岩心样品的三维灰度图像，表示为Q(x,y,z)。但是对于由岩石骨架和孔隙、缝网等构成的岩心样品，由于岩石骨架和缝网具有尖角等不规则结构，在尖角结构处，岩心样品的储层结构模型的亮度梯度将发生突发，可能会导致缝网不连续。为了提高成像效果，需对岩心样品的储层结构模型进行图像平滑处理，得到图像平滑后的储层结构模型Q'(x,y,z)。
进一步的，由于Q'(x,y,z)中的体素的亮度梯度没有突变，即岩石骨架和缝网的边缘位置的亮度是逐渐改变的，这将导致岩石骨架和缝网的边缘位置难以辨认，为了获取岩心样品内部缝网的几何和拓扑结构特征，需将Q'(x,y,z)二值化，得到二值化储层结构模型。二值化是指利用灰度阈值，将图像中的灰度等级转换为0或者255，分别代表黑色和白色，以实现岩石骨架和缝网的有效区分。常用的获取灰度阈值的方法有分水岭法和顶帽(Tophat)分割法。由于本申请实施例中，表示岩石骨架的灰度值和表示缝网的灰度值相差较大，因此，本申请实施例中采用预设灰度阈值的阈值分割法将Q'(x,y,z)二值化。其中，预设灰度阈值为120，即对Q'(x,y,z)中的每个体素，体素的灰度值大于120时，将此体素的灰度值转换为255，体素的灰度值不大于120时，将此体素的灰度值转换为0。
进一步的，由于本申请实施例中的岩心样品的储层结构模型是通过CT投影数据重构的，不可避免的存在系统噪声，因此，还需对二值化储层结构模型进行噪点过滤处理，以达到滤除系统噪声的效果，提高成像质量。
进一步的，对于由岩石骨架和孔隙、缝网等构成的岩心样品，缝网是由多个连通的孔隙构成的，因此可以将缝网视为一个体积较大的孔隙。对于体积较小的孔隙，由于与其他孔隙之间的不连通性，其对于分割岩心样品的储层结构模型并没有贡献，因此，还需对二值化储层结构模型进行连通孔隙裂缝提取处理，以滤除二值化储层结构模型中独立的、体积较小的孔隙。
基于此，在一实施例中，所述基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型，包括：
对储层结构模型进行图像平滑处理，得到图像平滑后的储层结构模型；
基于图像平滑后的储层结构模型，利用阈值分割法得到二值化储层结构模型；
对二值化储层结构模型进行噪点过滤处理和连通孔隙裂缝提取处理，得到岩心样品的缝网模型。
上述方案中，常见的图像平滑处理的方法有均值滤波法、中值滤波法和高斯滤波法。
均值滤波法的原理为：使用目标像素周围m×n像素范围内像素值的平均值来置换目标像素值，通过使图像模糊，达到看不到细小噪声的目的。但是细小噪声被消除的同时，目标图像也变模糊了。
中值滤波法的原理为：使用目标像素周围m×n像素范围内像素值的中值来置换目标像素值。相对于均值滤波法，中值滤波法替代目标像素值的值为中值，避免了将噪声像素也置入均值计算的问题，因此能够很好的消除细小噪声，并保存图像边缘。但是，中值滤波法需要的处理时间也更长。
高斯滤波法的原理为：采用一个模板来确定目标像素邻域，并假设图像在空间内的像素灰度是缓慢变化的，越靠近中心像素位置，像素灰度越接近中心像素灰度，在整个模板内的权重也越大，因此，高斯滤波实际上就是采用高斯分布计算模板内各像素的权重，并利用权重模板与原模板内的像素值做卷积得到该点的像素值。由于高斯滤波法的输出是领域像素的加权平均，同时离中心越近的像素权重越高，因此，相对于均值滤波法，它的平滑效果更柔和，而且边缘保留的也更好。
基于此，在一实施例中，所述图像平滑处理所采用的方法为高斯滤波法。
用数学式表示为：三维高斯函数为其中，σ为标准差。设所采用的三维高斯滤波的卷积核H窗口的大小为L×M×N，则卷积核H窗口内的元素为将h(i,j,k)归一化处理，可得归一化后卷积核H窗口内的元素H(i,j,k)为：/>
则三维卷积运算为：
进一步的，所述噪点过滤处理所采用的方法为孔洞填充法。
上述方案中，所述噪点是指通过CT投影数据重构岩心样品的储层结构模型时的系统噪声。常用的噪点过滤处理方法有均值滤波法和中值滤波法，但是均值滤波法和中值滤波法是对整个图像的处理，将削弱图像的有效特征，因此本申请实施例中采用孔洞填充法。孔洞的定义为由前景像素连接的边界所包含的背景区域。具体的孔洞填充法可参见《数字图像处理第三版》(冈萨雷斯)第9.5.2节孔洞填充。本申请实施例中，可采用Pergeos软件中的孔洞填充(Fill holes)模块实现。
进一步的，所述连通孔隙裂缝提取处理所采用的方法为体积滤波法。
上述方案中，为了提取连通孔隙裂缝，得到岩心样品的缝网模型，需要对二值化储层结构模型作连通区域标记，剔除连通区域内体素点过少的连通分量，即利用预设体积阈值，过滤掉体积较小的孔隙，孔隙的体积可利用对应的连通区域内体素点个数计算，每个体素点可视为一个小长方体，孔隙内包含的体素点个数与体素的体积的乘积即为孔隙的体积。本申请实施例中，可采用Pergeos软件中的体积过滤(Volume filter)模块实现。
本申请实施例中，为了利用3D打印设备得到岩心样品的各组成部分，还需将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型。
基于此，在一实施例中，所述基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型，包括：
基于岩心样品的缝网模型，通过基于分水岭算法的图像分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块初始子储层结构模型；
对每块初始子储层结构模型进行闭运算，填补每块初始子储层结构模型的轮廓线断裂的部分，得到多块子储层结构模型。
上述方案中，由于基于岩心样品的缝网模型，岩石骨架和缝网的连接边缘的灰度梯度具有明显突变，因此，沿缝网的展步方向，利用基于分水岭算法的图像分割方法，能够有效的将岩心样品的储层结构模型分割。本申请实施例中，可采用Pergeos软件中的分割(Separate)运算，选择Chamfer-Conservative计算模式，将岩心样品的储层结构模型沿缝网模型中的缝网展步方向切割为多块，其中Chamfer-Conservative计算模式所采用的算法为自适应极大值分水岭(H-Extrame Watershed)算法。
进一步的，由于经过Separate运算分割后的多块子储层结构模型上可能存在由分割产生的裂缝，因此，可采用Binary Morphology软件闭运算(Closing)模块中的闭运算方法，闭运算方法先对图像做膨胀运算，再对图像做腐蚀运算，可以将岩心样品的储层结构模型分割时，每块子储层结构模型上产生的多余裂缝修补，同时保持原始裂缝形态不变。
上述方案中，得到多块子储层结构模型之后，因为子储层结构模型为RAW格式文件，因此，必须先将Raw格式文件转换为3D打印设备可识别的STL切片格式文件后，才可利用3D打印设备进行打印，得到人造岩心各组成部分。
基于此，在一实施例中，所述利用3D打印设备，打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分，包括:
将每块子储层结构模型转化为切片格式数据；
将每块子储层结构模型的切片格式数据导入3D打印设备进行打印，得到人造岩心各组成部分。
上述方案中，如图4所示，图4为本申请实施例提供的利用3D打印设备打印子储层结构模型的方法的流程示意图。所述方法包括：
步骤401：将每块子储层结构模型对应的STL切片格式文件输入3D打印设备；
步骤402：通过3D打印设备上集成的Magics软件处理STL切片格式文件，处理后为CLI格式文件；
步骤403：基于CLI格式文件，利用3D打印设备上集成的Arps软件生成AFI轨迹格式文件；
步骤404：将打印材料装入3D打印设备的料缸中，打开3D打印设备上集成的AFSwin软件，设置激光烧结参数，运行3D打印设备，打印对应的子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
上述方案中，为了获取结构稳固的人造岩心各组成部分，还需对人造岩心各组成部分进行一次加固处理。
基于此，在一实施例中，所述的方法还包括：
将所述人造岩心各组成部分静置冷却后，使用淬火或/和置于恒温箱烘烤的方法对人造岩心各组成部分进行一次加固处理。
上述方案中，根据人造岩心的特性，选择静置冷却时间为六小时，置于恒温箱烘烤的时间为五小时。
上述方案中，为了获取结构更为稳固、可靠的人造岩心各组成部分，还需对人造岩心各组成部分进行二次加固处理。
基于此，在一实施例中，所述的方法还包括：
使用涂抹树脂的方法对人造岩心各组成部分进行二次加固处理。具体的，可将树脂均匀涂抹于人造岩心各组成部分表面，增强人造岩心各组成部分的强度。
上述方案中，3D打印设备可使用的打印材料多种多样，比如树脂、陶瓷和金属等材料，为了使人造岩心各组成部分与天然岩心更为接近，本申请实施例中使用的打印材料为覆膜树脂砂。
本申请实施例提供了一种人造岩心制备方法，包括：利用计算机断层扫描CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的储层结构模型；基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型；利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
本申请实施例中，利用计算机断层扫描CT设备扫描岩心样品能够快速获取岩心样品的储层结构模型，利用岩心样品的储层结构模型能够获取岩心样品的缝网模型，再通过模型分割法，沿岩心样品的缝网展布将岩心样品的储层结构模型分割为多块子储层结构模型，最后利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。如此，得到的人造岩心与岩心样品的缝网结构相同，且通过人造岩心各组成部分，能够直观的观测人造岩心内部缝网的结构，多块子储层结构模型还可重复打印，满足多次实验需求。
为了实现本申请实施例的方法，本申请实施例还提供了一种人造岩心制备系统。图5为本申请实施例提供的人造岩心制备系统的结构示意图，如图5所示，所述人造岩心制备系统500包括：
扫描单元501，用于利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的CT投影数据；
图像重构单元502，用于基于岩心样品的CT投影数据，得到岩心样品的储层结构模型；
缝网提取单元503，用于基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；
模型分割单元504，用于基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型；
打印单元505，用于利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
本领域技术人员应当理解，图5所示的人造岩心制备系统500中的各单元的实现功能可参照前述人造岩心制备方法的相关描述而理解。图5所示的人造岩心制备系统500中的各单元的功能可通过运行于处理器上的程序而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。
需要说明的是：上述实施例提供的人造岩心制备系统500在进行人造岩心制备时，仅以上述各程序单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序单元完成，即将系统的内部结构划分成不同的程序单元，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的人造岩心制备系统500与人造岩心制备方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
下面结合下面结合应用实施例对本申请再作进一步描述：
图6为本申请应用实施例提供的人造岩心制备方法的流程示意图，如图6所示，本申请应用实施例提供的人造岩心制备方法，包括以下步骤：
步骤601：利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的储层结构模型，所述CT设备采用三英精密仪器公司的3502E微米CT扫描成像仪，三英精密仪器公司的3502E微米CT扫描成像仪扫描精度可以达到微米级，且利用CT设备扫描岩心样品，能够得到无损的、真实的岩心样品内部图像。包括以下步骤：
步骤6011：利用CT设备扫描岩心样品，得到岩心样品的CT投影数据。其中，所述CT投影数据为DR格式文件；
步骤6012：基于所述CT投影数据，通过Sanying VoxelStudio Recon软件进行图像重构处理，得到岩心样品的储层结构模型，所述岩心样品的储层结构模型为RAW格式文件；如图7所示，图7为本申请实施例提供的岩心样品的储层结构模型的示意图；
步骤602：利用Pergeos软件，基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型，如图8所示，图8为本申请实施例提供的岩心样品的缝网模型的示意图，包括以下步骤：
步骤6021：将RAW格式的岩心样品的储层结构模型导入图像处理软件Pergeos中，利用Pergeos软件对岩心样品的储层结构模型进行图像平滑处理，具体采用Pergeos软件的图像平滑模块中的高斯滤波法；所述Pergeos软件采用ThermoFisher Scientific公司的数字岩心分析软件Pergeos2021.1；
步骤6022：利用Pergeos软件对岩心样品的储层结构模型进行裂缝网络提取处理，即区分构成岩心样品的岩石骨架、孔隙和缝网，也就是将岩心样品的储层结构模型二值化；具体可采用Pergeos软件中的阈值分割法，预设阈值为120；
步骤6023：利用Pergeos软件对二值化的岩心样品的储层结构模型进行修正处理，所述修正处理包括噪点过滤处理和连通孔隙裂缝提取处理，得到岩心样品的缝网模型；如图8所示，图8为本申请实施例提供的岩心样品的缝网模型的示意图。所述噪点过滤处理可采用Pergeos软件的Fill holes模块实现，所述连通孔隙裂缝提取处理可采用Pergeos软件的Volume filter模块实现。
步骤603：基于岩心样品的缝网模型，通过模型分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块子储层结构模型。如图9和图10所示，图9为本申请实施例提供的分割后的岩心样品的储层结构模型的示意图，图10为本申请实施例提供的多块子储层结构模型的示意图。包括以下步骤：
步骤6031：采用Pergeos软件中的Separate运算，选择Chamfer-Conservative计算模式，将岩心样品的储层结构模型沿缝网模型中的缝网展步方向切割为多块，其中Chamfer-Conservative计算模式所采用的算法为H-Extrame Watershed算法。本申请实施例中，将岩心样品的储层结构模型沿缝网展布方向切割为四块子储层结构模型；
步骤6032：采用Binary Morphology软件Closing模块中的闭运算方法，可以将岩心样品的储层结构模型分割时产生的多余裂缝修补，同时原始裂缝形态不变，得到四块子储层结构模型之后，四块子储层结构模型的数据格式为RAW格式文件。
步骤604：利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分，其中，所述3D打印设备采用北京隆源的3D打印设备AFS-700；包括以下步骤：
步骤6041：将每块子储层结构模型的RAW格式文件转换为3D打印设备能够识别的STL切片格式文件；
步骤6042：将每块子储层结构模型对应的STL切片格式文件输入3D打印设备；
步骤6043：通过3D打印设备上集成的Magics软件处理STL切片格式文件，处理后为CLI格式文件；
步骤6044：基于CLI格式文件，利用3D打印设备上集成的Arps软件生成AFI轨迹格式文件；
步骤6045：将覆膜树脂砂装入3D打印设备的料缸中，打开3D打印设备上集成的AFSwin软件，设置激光烧结参数，运行3D打印设备，打印对应的子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分；
步骤6046：将所述人造岩心各组成部分静置冷却六小时后，使用淬火或/和置于恒温箱烘烤五小时的方法对人造岩心各组成部分进行一次加固处理；
步骤6047：将树脂均匀涂抹于人造岩心各组成部分表面，对人造岩心各组成部分进行二次加固处理，增强人造岩心各组成部分的强度。
本申请应用实施例提供的人造岩心制备方法，能够解决常规人造岩心制备特征简单，不能复刻复杂的岩心样品的问题，特别是内部发育复杂裂缝的岩心样品。已有的人造岩心仅能提供非常简单的理想化模型，而本申请应用实施例提供的人造岩心制备方法通过CT扫描设备，将岩心样品的内部三维结构和孔隙、裂缝等储集空间真实表征出来，基于3D打印技术，选取更加接近真实材料的覆膜树脂砂作为打印材料，制备出真实的、直观的地质内部构造实物。可无视岩心样品尺寸限制，小到岩心样品中的微裂缝，大到溶洞，将岩心样品复杂的结构，任意放大、缩小并将其实体打印出来。获取的人造岩心可用于各类石油开发实验中，同时还有助于岩心力学性质研究和教学展示。
本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个第二处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人造岩心制备方法，其特征在于，包括：
利用锥束计算机断层扫描CT设备扫描岩心样品，得到多个不同角度的岩心样品的二维CT投影数据；
对每个不同角度的岩心样品的二维CT投影数据进行加权处理，得到加权修正后的岩心样品的二维CT投影数据；
对加权修正后的岩心样品的二维CT投影数据沿水平方向进行一维滤波处理，得到滤波后的岩心样品的二维CT投影数据；
基于滤波后的岩心样品的二维CT投影数据，沿X射线方向进行三维反投影重构处理，得到岩心样品的储层结构模型；
基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；
基于岩心样品的缝网模型，通过基于分水岭算法的图像分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块初始子储层结构模型；
对每块初始子储层结构模型进行闭运算，填补每块初始子储层结构模型的轮廓线断裂的部分，得到多块子储层结构模型；
利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型，包括：
对储层结构模型进行图像平滑处理，得到图像平滑后的储层结构模型；
基于图像平滑后的储层结构模型，利用阈值分割法得到二值化储层结构模型；
对二值化储层结构模型进行噪点过滤处理和连通孔隙裂缝提取处理，得到岩心样品的缝网模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述图像平滑处理所采用的方法为高斯滤波法。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述噪点过滤处理所采用的方法为孔洞填充法。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述连通孔隙裂缝提取处理所采用的方法为体积滤波法。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用3D打印设备，打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分，包括:
将每块子储层结构模型转化为切片格式数据；
将每块子储层结构模型的切片格式数据导入3D打印设备进行打印，得到人造岩心各组成部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述人造岩心各组成部分静置冷却后，使用淬火或/和置于恒温箱烘烤的方法对人造岩心各组成部分进行一次加固处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
使用涂抹树脂的方法对人造岩心各组成部分进行二次加固处理。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述3D打印设备使用的打印材料为覆膜树脂砂。
10.一种人造岩心制备系统，其特征在于，包括：
扫描单元，用于利用锥束CT设备扫描岩心样品，得到多个不同角度的岩心样品的二维CT投影数据；
加权单元，用于对每个不同角度的岩心样品的二维CT投影数据进行加权处理，得到加权修正后的岩心样品的二维CT投影数据；
滤波单元，用于对加权修正后的岩心样品的二维CT投影数据沿水平方向进行一维滤波处理，得到滤波后的岩心样品的二维CT投影数据；
图像重构单元，用于基于滤波后的岩心样品的二维CT投影数据，沿X射线方向进行三维反投影重构处理，得到岩心样品的储层结构模型；
缝网提取单元，用于基于岩心样品的储层结构模型，得到岩心样品的缝网模型；
模型分割单元，用于基于岩心样品的缝网模型，通过基于分水岭算法的图像分割方法，将岩心样品的储层结构模型分割，得到多块初始子储层结构模型；
填补单元，用于对每块初始子储层结构模型进行闭运算，填补每块初始子储层结构模型的轮廓线断裂的部分，得到多块子储层结构模型；
打印单元，用于利用3D打印设备打印每块子储层结构模型，得到人造岩心各组成部分。
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