关键词:数字岩心;重建方法;岩石物理;数字模拟;X-CT扫描
0引言
岩石物理实验产生的数据是连接宏观与微观的桥梁，对石油天然气行业中勘探与开发有着不可或缺的作用。随着石油天然气开发的进行，如今大部分的油气储层是非常规的，这就给岩石物理实验的开展带来了很大困难，例如页岩、具裂缝的碳酸盐岩岩心的获取，岩心的驱替问题等。要解决这些问题，仅靠传统的实验技术是不行的，结合计算机技术发展起来的数字模拟给出了新思路。
数字岩心技术是一种基于对实际岩心数字化或对实际岩心模拟的技术。根据数字岩心技术做出的数字岩心模型有着类似于真实岩心的孔隙特性和组分特性，因此，可以在计算机中模拟岩石物理实验条件，对数字岩心模型进行类似的实验方法，得到相应的模拟数据。相比于传统的岩石物理实验，数字岩心技术速度快，成本低，精度高，可重复，能够在微观尺度上定量的考察各种因素对宏观物理参数的影响。本文主要介绍数字岩心重建的几种方法以及在石油天然气行业的应用[1-2]。
1数字岩心建模方法
数字岩心的建模方法[3-9]根据建模数据的来源可以分为2种:物理重建与数值重建。物理重建即为全部依靠外部数据重建数字岩心，不通过计算机模拟岩心的结构元素;数值重建则是部分依靠外部数据，然后根据计算机模拟出整块数字岩心。
物理重建有几种常用方法:序列成像法、MRI核磁共振成像法、X射线计算机层析成像(X-CT)扫描法和聚焦离子束电子显微镜(FIB-SEM)扫描法[10-12]。数值重建分为2类，分别为随机法和过程法。随机法具体方法有:完全随机法、高斯场法、顺序指示模拟法、模拟退火算法、多点统计法以及马尔可夫链—蒙特卡洛法(MCMC法)。
1.1X射线计算机层析成像(X-CT)
基本原理为通过大量投影数据重建图像。CT设备通过发射X射线投射在实验样本之上，根据投射射线的衰减情况确定被测物体的密度分布图像，以此获得岩心内部结构的详细信息，其核心就是利用采集后的数据求解图像矩阵中个像素的吸收系数，然后重构图像。
X-CT扫描法建立数字岩心主要包括3步:①对岩样进行预处理后开展CT实验(图1)获得投影数据;②选取某种图像重建方法由投影数据重建岩心灰度图像;③采用图像二值分割方法分离灰度图像中的孔隙空间和岩石骨架建立数字岩心(图2)。
1.2X射线计算机层析成像随机法
随机法有很多种方法，这里只对MCMC方法进行简要说明。MCMC法源于图像处理中的马尔可夫随机场的广泛应用。该链描述了一种状态序列，序列中的每个位置的状态值都取决于前面有限个位置的状态，这个状态的概率称为转移概率。MCMC法重构图像的重点在于，利用转移概率为每个像素点赋值，然后重构[13-17]。
二维图像可以看成一个矩阵，矩阵中的元素代表图像中的像素。第1排从左向右，然后自上而下蛇行，根据一定的规律求得转移概率。例如将第1个元素用孔隙度来赋值，第2个元素的值根据第1个来求得，第3个通过前2个来求得……第2排从右向左，第1个元素由第1排最右边2个元素的联合概率得到，第2个则是由其上3个元素和第1个元素的得到，依此类推，求得整个矩阵的元素(图3)。在平面中，原则上，取2点相关和4点相关。尽管相关元素越多，所构建的数字岩心越准确，但是这必然使得模型更加复杂。
三维的情况是二维的拓展，选择的相关元素更为复杂。
1.3过程法
过程法即通过模拟岩石成岩过程包括沉积、压实和成岩3个过程，得到数字岩心(图4)。
沉积过程模拟的原理是颗粒的堆叠。利用岩心的粒度以及压汞等岩心资料确定要堆叠颗粒的粒径，一般将颗粒设置为规则体———球体。然后根据一定的规律排列颗粒。压实过程的模拟则是模拟随着沉积过程进行而产生的上覆压力。根据实际岩心的孔隙度控制模拟过程的强度。成岩过程是将未固结疏松沉积物变为岩石的过程。在颗粒的表面将发生岩石的溶解和矿物的沉淀，使得单个松散的颗粒胶结在一起形成多孔的固体岩石。模拟过程是模拟颗粒表面石英胶结物的生长作用。
2数字岩心技术的应用
数字岩心能够展现岩心的全貌，甚至包括其内部结构[18-20]。这就为研究者创造了研究微观因素对宏观影响的条件，所以数字岩心的应用大部分集中于研究微观因素。
2.1岩石结构探
寻岩石结构是数字岩心最基础的应用研究。研究岩心，无论是实体岩心还是数字岩心，实质都是为了寻找储层，而流体储存在孔隙中的煤炭等固态能源也都为岩石组成部分。既然流体存储在孔隙中，孔隙的研究就必不可少。且岩石结构研究有助于流体渗流和岩石属性等更深层次问题的研究。对于孔隙的研究，限于当时的手段，只能用简单管束代替孔隙模拟。而后随着理论的进步与完善，对于孔隙的模拟往更加准确的方向发展，例如腐蚀、拓扑的应用。到目前发展到利用数字岩心建立孔隙网络模型(图5)，更加细致、精细地反映岩石结构的复杂性。
2.2流体渗流
在岩石中流体的流动备受关注，因为流体渗流的研究关乎着油气的采收。
渗流问题一直是流体力学中较为复杂的问题。在岩石孔隙中则更为复杂，尤其是孔隙中含有多相流体时。在虚拟的岩心上，可以控制其润湿性，控制流体在其中的流动过程，并且可反复实验，实验周期短，这都有利于研究者清晰地了解和研究岩石的渗流过程。
2.3岩石各项属性
针对不同的方向，研究岩石的属性也不同，但总体来说是为了孔隙度、渗透率以及饱和度3个参数。之前2个应用也是基于此，孔隙结构与孔隙度有关，渗流特性与渗透率有关。而这里所研究的岩石各项属性则是间接地求取以上3个参数。例如岩石的电性研究，声学研究。
无论是电学研究还是声学的研究，最基本的都是将岩心当作一种复合材料。研究岩心就是研究这种复合材料的各种属性，电性研究即是导电性研究，声学则是传导性研究。
在电性方面，研究最多的是电性参数a，b，m，n。电性参数是关系到饱和度求取的重要参数。过去由于取心费用高昂，做电性实验的岩心数量较少，这就给岩心的研究工作带来了困难。现在的数字岩心技术，可以模拟出大量岩心数据，如此便可基于大量数据研究岩石的电学特性，提高结论的准确性。
3数字岩心的发展
相较于国外，国内对数字岩心的研究起步比较晚，但是发展的速度很快。有些研究机构在数字岩心的某些方面上的研究甚至超过了国外水平。尽管对数字岩心已经进行了很多研究，但是仍然存在很多问题需要解决。这就决定了数字岩心今后的发展方向[11，17-18，20]。
(1)针对物理重建的数字岩心，一方面，受限于分辨率，精度不够，使得真实岩心的很多微小的结构丢失，但是提高了分辨率必然使得数字岩心的尺寸变大，解决这个问题需要平衡分辨率与尺寸的大小使得数字岩心达到稳定的状态;另一方面，由于实际岩心的非均质性，反映到数字岩心上可能并不完整，毕竟数字岩心的每一块像素是像素区域的平均，这就会造成组分计算的误差。对于数值重建的数字岩心，则体现在计算速率上，大规模的数字岩心对模型的成熟度要求较高。
(2)数字岩心实质是像素点的集合，这就必然需要图像分割。不同的组分用不同像素值表示，因为数字岩心的非均质性，有些组分比较相似，怎样合理设置像素值，有效区分不同组分就成为一大问题。
(3)针对以上2个问题，有以下的解决方向:发展多尺度的数字岩心，不同重要性的区域利用不同的尺度表示;将数字岩心粗化，对孔隙结构利用拓扑精确标示，这样减少数字岩心模型计算时对计算机资源的占用。针对图像学的内容，可以探索新的成像技术，优化已有的成像技术，寻找矿物组分与像素值间更加精确的关系。
4结语
数字岩心技术是用来研究岩石微观结构的一种方法。有多种手段可以创建3D数字岩心，各种手段都有优缺点，需要根据实际要求与标准选取方法。岩石微观结构复杂，内部流体的力学更是难以用方程或是图像直观描述，这给研究带来了很大困难。随着计算机技术的不断进步，多学科的综合应用在帮助研究者解决困难方面具有巨大前景。
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