流體在巖石孔隙中的運移規律及其流固耦合效應是地下油氣儲備與開(kāi)發(fā)的核心科學(xué)問(wèn)題，也是導致不同工程災害或工程難題的重要因素。精確表征巖石微觀(guān)孔隙結構，揭示微觀(guān)孔隙結構與流體輸運特性的內在關(guān)聯(lián)，是開(kāi)展深部巖體相關(guān)工程研究的基礎。

近期，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的宋睿副研究員、劉建軍研究員、楊春和研究員聯(lián)合西南科技大學(xué)的汪堯博士等人提出了一種利用3D打印和微CT成像技術(shù)實(shí)現致密砂巖復雜孔隙結構定量表征和多相流體輸運特性的可視化研究方法。研究團隊利用新型的面投影微立體光刻技術(shù)（PμSL，nanoArch S130，摩方精密）實(shí)現了致密砂巖孔隙模型的原位尺度打?。▇2μm光學(xué)分辨率），再現了致密砂巖復雜孔隙系統的三維拓撲結構特征與空間連通性。研究人員對比分析了3DP巖心與數字巖心（DRP）模擬得到的孔徑分布（PSD）、孔隙度和絕對滲透率的差異；同時(shí)結合原位CT成像技術(shù)開(kāi)展了3DP巖心可視化CO2驅油實(shí)驗，并與實(shí)驗基準數據進(jìn)行了比較。研究成果為定量表征巖石復雜孔隙結構特征及其中多相流體輸運機制提供了新的工具，具有廣闊的應用前景。論文研究工作得到國家自然科學(xué)基金，武漢市知識創(chuàng )新專(zhuān)項（基礎研究）和四川省自然科學(xué)基金等項目的支持。相關(guān)研究成果以“3D Printing of natural sandstone at pore scale and comparative analysis on micro-structure and single/two-phase flow properties"為題發(fā)表在《Energy》期刊上。

圖1. 基于CT圖像與面投影微立體光刻技術(shù)的致密砂巖微觀(guān)孔隙結構提取與3D打印制備流程(a)天然致密砂巖的微CT掃描；(b)數字圖像處理與巖心重建；(c)面投影微立體光刻3D打印成型

該研究中所采用的天然巖心樣本為海相致密砂巖。通過(guò)從原始巖心中鉆取直徑約為5mm的小巖心柱塞樣本，利用蔡司Xradia MICROXCT-400三維成像系統進(jìn)行微CT掃描成像，獲取天然巖心孔隙結構的微CT圖像（如圖1a所示），并將其用于孔隙空間提取、數字巖心重建與模擬（如圖1b）；然后，基于數字圖像處理轉化為3D打印通用的.stl文件，利用BMF公司的面投影微立體光刻成型技術(shù)完成孔隙模型的3D打?。ㄈ鐖D1c所示）。

圖2. 3D打印巖心與天然巖心微觀(guān)孔隙結構的對比分析(a)基于偏光顯微鏡和CT成像得3DP巖心孔隙結構表征；(b)基于圖像校準的3DP巖心與原始巖心孔隙結構拓撲形態(tài)特征的對比分析；(c)孔隙結構特征參數的計算與分析

為表征3D打印巖心在復刻天然巖心孔隙結構特征方面的準確性，該團隊分別采用偏光顯微鏡和微CT成像對3DP巖心的2D/3D微觀(guān)孔隙結構特征進(jìn)行了定量表征（如圖2a所示）?；趫F隊自行開(kāi)發(fā)的數字圖像處理與模型重建技術(shù)，分別研究了3DP巖心孔隙分布特征，并與天然樣品的實(shí)驗室測試結果進(jìn)行了對比分析，結果表明3DP巖心和原始樣品的PSD分布總體上一致（如圖2c所示）。在對3DP巖心和原始巖心CT圖像手動(dòng)校準的基礎上，團隊采用開(kāi)源圖像處理軟件（Fijiyama）中的塊匹配算法（Block-Matching Algorithm）實(shí)現了3DP巖心CT圖像與原始樣品CT圖像的自動(dòng)配準，并作為后續分析的基準數據（如圖2b所示）。結果表明，3DP巖心與原始巖心孔隙特征吻合較好，驗證了3DP巖心在微米尺度下再現巖石微觀(guān)結構的可行性和適用性。

在此基礎上，團隊以分割的微CT圖像為數據藍本，引入峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio, PSNR）和結構相似性指數度量（structural similarity index measure, SSIM）兩個(gè)關(guān)鍵參數對3DP巖心孔隙結構特征進(jìn)行表征，以量化3DP巖心與原始巖心孔隙結構的保真度（如圖2c所示）。PSNR用于衡量相同空間位置上孔隙特征參數（大小和坐標位置）的絕對誤差。SSIM用于測量?jì)蓚€(gè)圖像之間的相似性，用于評估相應位置上的孔隙是否由3D打印機識別。計算結果表明：本文中3DP巖心的PSNR值介于[9.010，14.983]之間，其SSIM值介于[0.870，0.925]之間。大多數孔隙特征被打印識別，但一些孔隙并不在原始尺寸或位置上。由于后處理過(guò)程中，樣品近端部的液體樹(shù)脂更容易被去除，因此頂/底部結構的打印精度優(yōu)于其他部分，顯示出更高的SSIM值。

圖3. 基于原位CT成像的微觀(guān)可視化多相滲流試驗(a)團隊自行設計的用于原位CT成像的微觀(guān)可視化滲流試驗系統；(b)3DP巖心飽和油狀態(tài)（上部）和CO2驅油后（下部）3DP巖心中油相分布的微CT圖像；(c)CO2驅油后3DP巖心中CO2分布及對應的孔隙網(wǎng)絡(luò )模型，以及3DP巖心和原始巖心中殘余油相原位潤濕角計算結果的對比

在3DP巖心與原始巖心孔隙結構特征對比分析的基礎上，團隊針對3DP巖心的流體輸運特性開(kāi)展了進(jìn)一步的研究。利用自行設計的基于原位微CT成像的可視化滲流試驗系統分別進(jìn)行了3DP巖心的飽和油和CO2驅油試驗（如圖3a所示）。分別采集了飽和油狀態(tài)與驅替完成時(shí)3DP巖心的微CT圖像（如圖3b所示）。為了消除不同掃描階段樣品放置的人為誤差，研究人員對獲取的CT圖像也進(jìn)行了手動(dòng)校準和圖像配準操作。分析結果表明：注入CO2氣體主要沿孔隙中部流動(dòng)，導致顆粒表面出現大規模殘余油?？紤]到制備3DP巖心使用的HTL樹(shù)脂是強油濕性，殘余油相優(yōu)先附著(zhù)到固體表面。當注入流體發(fā)生突破時(shí)，樣品中會(huì )留下很大部分以油膜形式分布的殘余油。在油濕性巖心中，毛細管壓力是注入CO2的阻力，導致大量殘留油塊被毛管力卡斷在小孔中。此外，研究團隊對3DP巖心和原始巖心的原位接觸角進(jìn)行了計算與對比分析，討論了微觀(guān)潤濕性在殘余流體捕獲機制中的影響（如圖3c所示），并進(jìn)一步提取了CO2驅替后3DP巖心的孔隙網(wǎng)絡(luò )模型，對驅替過(guò)程中CO2氣體的主要滲流通道以及微觀(guān)賦存狀態(tài)進(jìn)行了討論與分析。結果表明，注入氣體主要沿3DP巖心的左側分布，注入CO2沿優(yōu)先通道突破，與剩余油分布一致?？紤]到注入CO2的操作壓力低于最小混相壓力，驅替過(guò)程為不混相氣-液流，界面張力和注入流體粘度的降低有助于提高波及效率和采收率。（如圖3c所示）。