基于微焦点CT技术的孔隙尺度多相渗流实验系统开发

2022-09-23吕鹏飞赵文杰

实验室研究与探索 2022年6期

吕鹏飞，赵文杰，刘锋

（中北大学能源与动力工程学院，太原 030051）

0 引言

多孔介质渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中，如油气藏、咸水层和煤层气、燃料电池等，厘清多孔介质内多相渗流机理对于促进相关领域发展具有重要意义，实验研究仍是目前探究多孔介质多相渗流机理最可靠、最普遍的方法［1-4］。传统研究手段由于无损探测、显示技术方面的限制，无法对多孔介质内流体流动特性进行直接测量，且大多传统研究方法局限于渗流过程的宏观特性研究，即统计平均特性。随着相关实验检测手段的发展，尤其是核磁共振、超声成像与X射线CT技术的发展，对多孔介质内多相渗流过程进行可视化监测成为目前研究热点［5-6］。特别地，近年来由于微焦点CT与图像处理技术的快速进步，实现了孔隙尺度多孔介质流动成像，揭示了许多之前未发现的多相微观渗流机理，如液滴破裂、团簇流与间断流等［7］。Hu等［8-9］开发了用于观察孔隙尺度多孔介质内对流混合及溶解现象的CT实验平台，研究了不同储层条件与流体对条件下多孔介质内的自然对流与溶解机理；Zuo等［10-11］开发了孔-岩心尺度的CT研究实验平台，系统研究了多种非均质岩心中CO2-盐水相对渗透率特点与残余捕获机理；Ruspini开发了4D微纳米CT成像平台［12-13］，实现了对孔隙尺度石灰岩、密质砂岩内多相流动界面演变的实时观测。Gao等［14-16］基于X射线CT成像技术在多孔介质多相渗流机理方面做了大量工作，着重研究了稳态与非稳态流动条件下多孔介质润湿与孔隙尺度气液渗流转变机理。

综上可知，X射线CT成像是进行孔隙尺度多孔介质渗流过程研究的关键技术手段。它能够准确获取多孔介质本身的孔隙特征，如孔隙形状、孔隙和裂缝的分布情况、连通特性与表面粗糙度等。捕获多孔介质与流体之间的界面特性，如气液分布规律、界面时变特性、岩石润湿性等。通过X射线CT细观渗流实验与宏观研究相互补充，可使得对多孔介质多相渗流过程的认识更加透彻［17］。因此，开发基于微焦点CT技术的孔隙尺度多相渗流实验系统意义重大。

基于实验室微焦点工业CT的实际条件，本文开发了一套基于X射线CT成像技术的多孔介质渗流实验系统，可以实现孔隙尺度至岩心尺度的多孔介质内多相多组分渗流实验模拟。设备可用于地质科学、油藏工程、地下水管理等领域的相关研究。

1 实验装置与系统设计

图1给出了微焦点CT多相渗流成像实验系统图。整个实验系统主要由微焦点CT主机、渗流模拟环节、温度控制环节以及数据采集环节等组成。

图1 微焦点CT多相渗流成像实验系统图

1.1 微焦点CT主机

实验系统所采用的扫描成像装置是由日本岛津公司生产的微焦X射线CT（型号为inspeXio SMX-225CT），属于第四代工业CT。CT主机主要部件有X射线发射器、载物台、影像增强器和图像重构主机等。X射线发射器产生射线后穿过载物台放置的扫面物品，并由影像增强器接收衰减信号，计算机主机基于衰减信号对CT图像进行重构，CT分辨率主要通过几何放大实现。CT主机的最大球管电压为225 kV，最大管电流1 mA，输出功率135 W，载物台最大承重质量为9 kg。成像后所得CT图片最高像素为2 048×2 048，最大体积分辨率为4 μm／像素。

1.2 渗流模拟环节

整个模拟驱替环节由两台注入泵、一台背压泵、反应釜与实验管路组成。该系统可实现不同温度、压力10 MPa以下地质条件的渗流模拟。其中，注入泵与背压泵是美国ISCO公司生产的柱塞泵，型号为260D，其精确度在设定参数的0.5%以内（见图2（a））。实验管路采用1.6 mm的毛细不锈钢管，整个系统管路体积很小（3～4 mL），管路外包裹保温棉并放置于恒温钢板上，这样极大降低了流体在管路流动过程发生温度变化，从而对反应釜内渗流过程产生影响。

图2 实验系统所用主要设备（a）注入泵、（b）填砂岩心反应釜与（c）胶结岩心反应釜

为了实现高温高压孔隙尺度成像（μm尺度），如图2所示，填砂岩心采用PEEK细管制作，内径为6 mm。它的特点是既能承受较高的实验压力，又能保证X射线良好的穿透性。针对砂子与胶结岩心两种不同多孔介质类型，反应釜存在两种组装模式。对于砂子填充，先在PEEK管下端安装不锈钢多孔倒流器，然后进行填砂，填砂过程中采用振荡器振荡，确保砂子填实，完成填砂后在上端再次安装不锈钢多孔导流器（见图2（b））；而对于胶结岩心，先采用铝箔紧密包裹岩心与导流器与上下连接管路，将裹好的岩心逐层涂刷强力胶水，每层胶水涂抹前要确保上层胶水完全干燥（见图2（c））。夹持器下端用不锈钢支架固定，支架尺寸大、质量重，可以保证X射线CT对样品扫描载物台旋转时反应釜的稳定性。

1.3 温压控制环节

为了保证X射线的穿透性，PEEK管夹持器使用石墨烯薄膜配合PID控制器进行温度控制，温度控制精度为±0.1 °C。注入泵体与实验管路温度由循环液控温器控制，控温精度为±0.5 °C。为了保证实验的精度，整个实验管路和循环泵均缠绕黑色保温棉。实验注入压力有背压泵控制，反应釜两侧装有压力表，用以监测夹持器两端压差，精度可以达到万分之4。

1.4 数据采集与图像重构环节

整个系统的压力表与温度控制器配有数据线连接数据采集仪进行压力信号与温度信号采集，并传送至CT主机进行存储。CT扫描射线衰减信号通过主机配套软件进行图像重建，重建后的原始图像一般含有多种噪声与缺陷，需要利用ImageJ和Matlab等专业软件对图像进行进一步的处理。

2 实验过程与案例实施

2.1 渗流实验操作步骤

（1）实验前。将填砂岩心或胶结岩心装入夹持器内，对微焦点CT预热0.5 h以上，确保CT主机进行渗流扫描实验时的稳定性。

（2）确定CT扫描参数。将夹持器固定到CT载物台上，连接好实验管路，对样品进行预扫描。根据重构后CT图像质量和成像区域尺寸要求确定扫描参数与图像分辨率。

（3）CT校正。确定扫描参数后需要依据参数对CT主机进行校正，主要包括空气校准和中心轴校准，当CT图像存在严重射束硬化时还需做BHC校准，以保证CT图像质量。

（4）检漏与真空处理。由于模拟地层条件实验需要在高压条件下进行，因此必须保证实验管路的气密性，正式实验前需要使用检漏液对实验管路逐段进行检漏。检漏完成后利用真空泵对实验管路抽真空，确保实验结果不受杂质气体干扰。

（5）注液实验与CT扫描。针对驱排、吸渗与组分流等不同渗流模式，设置好注入泵注入速率与注入压力，通过管路阀门模拟各种渗流模式。流动稳定后利用CT主机扫描获取实验CT灰度图像。

（6）CT数据处理。扫描结束后需要对原始CT图像进行进一步处理，包括图像降噪、图像分割与图像计算。图像降噪需要消除椒盐噪声、射束硬化和环形尾影并进行图像边缘锐化处理，降噪后的图像使用机器学习算法进行图像分割，得到含有气-液-岩心骨架的二值化图像，依据二值化图像可以计算岩心孔隙率、气液相饱和度与几何形状参数、界面面积与界面曲率、接触角等数据，从而对实验结果做进一步分析。

2.2 渗流实验案例

基于此实验系统，成功实现了孔隙尺度多孔介质内CO2-盐水两相流动的可视化研究，并基于CT图像对实验结果进行了量化分析。

（1）数字岩心孔隙尺度分析。如图3所示，对岩心进行切割打磨处理，加工成直径为5～6 mm用于孔隙尺度研究的小岩心（图3（a））。通过CT扫描成像，可以清晰地获得岩心内部孔隙结构与骨架分布特征（图3（b）），基于二值化CT图像可以进一步建立多孔介质球杆模型（图3（c）），获得岩心孔隙-吼道体积、配位数等参数分布，基于岩心球杆模型还可以进行孔隙网络渗流模拟，得到岩心相对渗透率、毛细管力等关键参数的分布曲线。还可以提取岩心CT图像的几何模型并建立孔隙空间体网格模型（图3（d）），从而导入第3方CFD模拟软件进行孔隙尺度渗流模拟（图3（e）），进而获得孔隙内部气液速度场、压力场、气液界面等参数的时变特性。

图3 实验岩石样品孔隙尺度：（a）用于孔隙尺度成像的小岩心；（b）岩心孔隙与骨架分布特性；（c）岩心球杆模型；（d）岩心孔隙网格模型；（e）CFD孔隙尺度渗流模拟示例

（2）驱排、吸渗过程流体界面演变机理。由于注入顺序与岩石润湿性不同，多孔介质内存在驱排、吸渗两种流动模式。通过微焦点CT可视化观测孔隙尺度多孔介质内气-液驱、排吸渗过程，发现非润湿相在驱排过程主要以连续相存在，而在吸渗过程中以分散相存在（图4（a））。通过提取不同孔隙位置气液界面并进行界面曲率与局部毛细管力（图4（b）），发现毛细管力存在空间差异，这造成了气液界面存在不同流动模式，多孔尺度气液界面夹断是造成非润湿相连续性变差的主要原因（图4（c））。进一步在单孔尺度发现了CO2相破裂现象（图4（d）），破裂气泡紧贴孔隙壁面，具有较好的稳定性，气泡破裂增加了气液接触面积，有利于CO2在多孔介质内进行溶解封存。

图4 流体界面演变机理。（a）驱排、吸渗过程非润湿相形态；（b）局部气液界面与界面曲率测量；（c）气液界面局部夹断效应；（d）单孔内CO2气泡破裂现象

（3）孔隙尺度多孔介质润湿机理。传统接触角测量需在理想光滑岩板上利用座滴法或悬滴法进行测量，这无法反映多孔介质孔隙结构、粗糙度、矿物组成等因素对于岩石润湿性的影响。利用微焦点CT可以实现气-液-多孔介质体系接触角原位测量。如图5所示，对CT图像进行裁剪，获取需要测量接触角的多孔介质子体积并进行图像分割（图5（a）），提取气-液-多孔介质三相接触线并对CT图像进行重建，确定三相接触线各测量点的切平面，并对局部接触角进行测量（图5（b）），研究发现不同孔隙位置接触角分布不同，整体呈现近似正态分布，并且流动模式会对接触角分布产生影响，实验结果表明吸渗过程接触角平均值略大于驱排过程（图5（c））。