基于显微CT和造影剂的砂岩静水压力细微成像初步研究

王建美,冯增朝,周 动,赵 静

(太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

基于显微CT和造影剂的砂岩静水压力细微成像初步研究

王建美,冯增朝,周 动,赵 静

(太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

为了清楚地识别砂岩岩芯内部在静水压力下结构的变化,并对其进行定量描述,深入研究砂岩的渗透特性,应用医学注射剂泛影葡胺作为砂岩渗流造影剂,通过高精度显微CT对砂岩不同静水压力下渗流进行扫描,重建了不同层面CT图像,分析被扫描试件的衰减系数,实现了砂岩显微结构和渗透过程的定量分析。试验结果表明,造影剂作为渗透流体，可更清晰地分辨渗流状态；沿试件直径方向,外部CT值增量随压力近似呈直线递增,较容易发生渗透,内部则近似呈指数递增；静水压力大于15 MPa,CT值增量明显减少,说明此压力时砂岩孔隙基本达到饱和,再增加压力,其孔隙流体的含量增加就十分微弱。本研究为多孔介质渗流研究提供了新方法。

显微CT;造影剂;静水压力;砂岩;渗流过程

砂岩是一种多孔介质的沉积岩，在经成岩作用形成的固体骨架之间存在许多相互连通的孔隙, 这些孔隙既是油、水、气的输运通道, 又是油、水、气的储藏空间, 因此研究沉积岩的孔隙结构有重要意义。为研究液体在多孔介质中细观下的渗流规律,增强CT扫描直观定量地分析此问题,笔者采用医学用造影剂做CT扫描液体,对砂岩在静水压力下的渗透进行了初步研究。

医学造影剂是为了增强影像观察效果而注入到人体组织或器官中的化学制品,这些制品的密度高于或低于周围组织,形成的对比用某些器械显示图像(如X线观察常用碘制剂、硫酸钡等)。CT图像下造影剂密度是砂岩密度的1.5～2.0倍左右,将医学用造影剂引入到岩石渗透试验中,用造影剂替代水等渗流物质,为提高岩石孔隙显微结构的分辨率,观察动态渗流过程提供了新的试验方法。

对于多孔介质问题,国内外许多学者从介质孔隙度、加载应力等方面,运用显微CT技术、核磁共振技术等手段做了大量研究。Sung[1]研究了水在天然砂孔隙中浸润截面的水平和垂直运动。Ruiz de Argandoa[2]使用显微CT扫描,得到了连续图像,观察了样本内的水的运动并进行了测量。Gunde[3]使用显微CT的图像得到贝雷砂岩核心孔隙几何形状。Bielecki[4]使用显微CT结合晶格玻尔兹曼方法计算渗透张量。Li[5]发现多孔性和渗透性正相关,平均CT数的标准差与渗透率负相关。伍向阳等[6]研究了反复加载静水压力砂岩孔隙度变化,表明砂岩孔隙度按幂函数规律随静水压力变化,并具有明显的加载历史依赖性。姚艳斌等[7]通过低场核磁共振技术和微焦点CT扫描技术对煤的孔裂隙类型、孔径结构分布等进行了定量表征。潘一山等[8]首次将先进的无损检测NMPI成像技术引入煤层中气水两相运移的研究领域,实时观测气水流动规律。周宏伟等[9]通过CT渗透试验,解释了岩盐极低渗透率在细观方面的原因。葛修润等[10]进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律的即时动态CT试验。仵彦卿等[11-14]运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行了渗流与应力关系试验,同时借助螺旋CT 扫描机进行实时观测。梁亚宁等[15]利用CT扫描技术分析了干岩心的CT数、岩心孔隙度及分布特征。高桥学等[16]利用自行设计的压力容器和CT系统得到了5 μm高分辨率三维图像,分析了砂岩直径随有效围压的变化规律。高建等[17]应用CT成像技术,通过对干岩心和饱和地层水岩心扫描,重建了岩心不同扫描层面的孔隙度分布图。众多学者通过利用CT扫描技术,取得了细观研究的一些进展。

目前，国内外学者关于应用造影剂结合CT进行多孔介质渗透研究的未见报道。多采用水等液体进行试验,而看不到孔裂隙的清晰成影。造影剂主要成分为碘,具有很强的吸收X射线特性,在岩石孔隙结构CT扫描试验中可以增强扫描效果,从而获得清晰的细观结构。

1 试验方法

1.1 样品制备及造影剂的选取

试验所用岩样为中砂岩,样品为直径4.7 mm、高12.26 mm的圆柱,钻机取样后洗净并经烘干24 h处理。

一般情况下，岩石中的矿物、有机基质和孔隙的CT 数大都具有固定的分布区间,本次试验选用离子型单体碘造影剂泛影葡胺作为注入岩石的液体，用直接引入法造影。图1为用造影剂在CT下拍摄的影像图,可见注入造影剂反映的孔隙和裂隙形态很清晰。

图1 含裂隙岩石注入造影剂前后CT扫描对比图Fig.1 Scanning contrast figure of before and after injecting contrast agents into the rock containing cracks

1.2 试验设备

本次试验采用太原理工大学与中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度CT试验分析系统。本设备由X 光机、转台、探测器和配套的软件系统组成,可以实现对各种金属及非金属材料的三维CT 扫描分析,其放大倍数为1 ～ 400,试样尺寸为1～50 mm,可分辨0.5 μm的孔隙和1 μm 宽度的裂缝[18]。为实现岩石静水压力下渗流过程的细观结构CT扫描分析,研制了专用于CT扫描的镁合金静水压力渗透装置，如图2所示。

图2 静水压力渗透装置原理图Fig.2 Permeate unit and schematic view of experimental setup

1.3 试验方法

将砂岩样品放入镁合金管压力室，并固定其在管内位置,然后将渗透装置夹在CT转台上,固定好位置,保证试件一次固定的情况下进行所有静水压力的扫描试验。研究时,要分析在不同静水压力下某一层面的变化情况,若试件的定位发生变化,相对应层面很难判断,会造成扫面误差并给试验分析造成难度,所以试件需一次定位,保证了数据可靠性。

固定好渗透装置后,先进行无压力下的CT扫描;完成后,将医学造影剂注满渗透装置管腔,封闭系统30 min后进行第二次扫描。加压阶段,通过注入氮气实现对造影剂加压，加压分5，8，12，20 MPa等4个阶段,每阶段恒压30 min后分别进行扫描。

2 试验结果分析

2.1 试验结果数据重建分析

为了能准确反应砂岩的渗透性质,横向剖面取砂岩中间层为研究对象,该层位上下10层的CT数平均值作为分析数据,二维重建CT图像见图3所示。其中,加压图像外围白色部分为注入的造影剂液体。

图3 渗透压力下相同位置横向剖面CT图像Fig.3 Thermo-cracking CT sections of sandstone under hydrostatic pressure

2.2 造影剂作用下砂岩CT数的变化规律

为统计砂岩样品沿直径方向的渗透规律,将扫描得到的不同压力下近似同一层位上下10层的CT图像均等分为20个同心圆(见图4)。

图4 CT图像定量分析方法示意图Fig.4 Image quantitative analysis method

根据CT图像分析原理,统计其CT数,计算方法采用公式

(1)

基于以上算法得到砂岩各环CT值随压力变化曲线,见图5所示。

图5 砂岩各环CT值随压力变化曲线Fig.5 Variation relation curves between each ring of sandstone CT value and pressure

从曲线中可以看出,随压力增大,各环CT值基本呈增长的趋势,说明渗透压力增加，造影剂进入砂岩量越多。

2.3 沿砂岩径向CT数增量随静水压力的变化规律

基于实验数据,为了反映压力梯度下CT增量变化,根据公式(2),计算各环压力梯度下CT值增量变化，

(2)

由(2)式得到渗透后砂岩扫描CT值增量随压力变化曲线，见图6所示。从曲线图可以看出,沿直径方向变化规律为:外部CT值增量随压力渗透近似呈直线递增,较容易发生渗透,内部则近似呈指数递增；渗透压在10～15 MPa之间，CT值增长趋势由线性向非线性转化；15 MPa之后，CT值增量明显减少,渗透较难发生。说明砂岩渗透过程中,没有明显裂隙情况下,在渗透路径上随压力变化,渗透有一定的尺度,达到一定深度渗透较难发生。

图6 砂岩渗透CT值增量随压力变化曲线Fig.6 Variation relation curves between incremental changes of sandstone CT value and pressure

2.4 复合作用下CT数值与静水压力变化规律

静水压力下多孔岩石发生体积形变,由弹性力学[19]可知,体积应力:

Θ=σx+σy+σz=(3λ+2μ)θ=3p.

式中:θ=εx+εy+εz为体积应变;

代入得，变形后砂岩密度为:

可得密度增量与渗透压力关系:

又已知,CT数增量Δμ=μmΔρ,因此CT数增量与渗透压力关系可表示为:

式中：μm，ρ0，E，ν均为常数。

图7 静水压力与CT数关系Fig.7 Relation curves between sandstone CT value and pressure

3 结论

将医学用增强CT扫描造影剂应用于岩石的细观研究,通过对砂岩试件加载不同的静水压力,对渗透过程进行了CT扫描,获得如下结论。

1) 造影剂作为渗透流体可更清晰地分辨渗流状态；

2) 试件直径方向,外部CT值增量随压力近似呈直线递增,较容易发生渗透,内部则近似呈指数关系递增；

3) 水压力大于15 MPa,CT值增量明显减少,说明此压力时,砂岩孔隙基本达到饱和,再增加压力,其孔隙流体的含量增加就十分微弱。

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(编辑：庞富祥)

Microscopic Imaging of the Sandstone Under Hydrostatic Pressure and Its Preliminary Analysis Based on the Micro-CT and Medical Imaging Agents

WANG Jianmei,FENG Zengchao,ZHOU Dong,ZHAO Jing

(InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

This paper aims at clearly identifying the changes of sandstone core’s inner structure under hydrostatic pressure, and obtaining a quantitative description to conduct in-depth study of the permeability of sandstone.The medical injection meglumine was used as the imaging agent of sandstone permeation;CT image at different levels was rebuilt by scanning the permeation of sandstone under different hydrostatic pressures with high-accuracy micro-CT.By analyzing the attenuation coefficient of the scanned samples,the quantitative analysis of the microscopic structure and permeation process of the sandstone was achieved. The experimental results indicate that, first, imaging agent as permeation fluid can more clearly distinguish the permeation state. Secondly, in the diameter direction of the sample, the external CT values exhibit a nearly linear increase with hydrostatic pressure, and the permeation is more prone to occur; the internal CT values increase exponentially. Thirdly, CT values significant decreases when the hydrostatic pressure is more than 15 MPa, and the permeation is less likely to take place.It illustrates that at this pressure,permeation fluid saturates the pore of sandstone,and further increase in pressure resulfs in less increases in water content in pores.

micro-CT;medical imaging agent;hydrostatic pressure;sandstone; permeation procedure

1007-9432(2015)04-0405-05

2015-03-11

国家自然科学基金资助项目：固-热-水气两相流耦合作用下煤层气解吸运移机理研究(51304142),煤吸附/解吸甲烷过程的能量迁移及其控制作用机理研究(21373146)

王建美(1987-)，女，山西太原人，博士生，主要从事多孔介质微观渗流、煤层气气液两相渗流机理研究，(Tel)13935132880

冯增朝,教授，博导，主要从事矿山流体力学及煤矿瓦斯抽采研究，(E-mail)zc-feng@163.com

TU451；P584

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.008