《Energy》：天然致密砂巖孔隙結構的3D打印與流體輸運特性研究

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發的核心科學問題，也是導致不同工程災害或工程難題的重要因素。精確表征巖石微觀孔隙結構，揭示微觀孔隙結構與流體輸運特性的內在關聯，是開展深部巖體相關工程研究的基礎。

近期，中國科學院武漢巖土力學研究所的宋睿副研究員、劉建軍研究員、楊春和研究員聯合西南科技大學的汪堯博士等人提出了一種利用3D打印和微CT成像技術實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（PμSL，nanoArch S130，摩方精密）實現了致密砂巖孔隙模型的原位尺度打印（~2μm光學分辨率），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；同時結合原位CT成像技術開展了3DP巖心可視化CO2驅油實驗，并與實驗基準數據進行了比較。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基金，武漢市知識創新專項（基礎研究）和四川省自然科學基金等項目的支持。相關研究成果以“3D Printing of natural sandstone at pore scale and comparative analysis on micro-structure and single/two-phase flow properties"為題發表在《Energy》期刊上。

圖1. 基于CT圖像與面投影微立體光刻技術的致密砂巖微觀孔隙結構提取與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完成孔隙模型的3D打印（如圖1c所示）。

圖2. 3D打印巖心與天然巖心微觀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微觀孔隙結構特征進行了定量表征（如圖2a所示）。基于團隊自行開發的數字圖像處理與模型重建技術，分別研究了3DP巖心孔隙分布特征，并與天然樣品的實驗室測試結果進行了對比分析，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圖像手動校準的基礎上，團隊采用開源圖像處理軟件（Fijiyama）中的塊匹配算法（Block-Matching Algorithm）實現了3DP巖心CT圖像與原始樣品CT圖像的自動配準，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）兩個關鍵參數對3DP巖心孔隙結構特征進行表征，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用于測量兩個圖像之間的相似性，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。由于后處理過程中，樣品近端部的液體樹脂更容易被去除，因此頂/底部結構的打印精度優于其他部分，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成像的微觀可視化滲流試驗系統；(b)3DP巖心飽和油狀態（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絡模型，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展了進一步的研究。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與驅替完成時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圖像也進行了手動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，導致顆粒表面出現大規模殘余油。考慮到制備3DP巖心使用的HTL樹脂是強油濕性，殘余油相優先附著到固體表面。當注入流體發生突破時，樣品中會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行了計算與對比分析，討論了微觀潤濕性在殘余流體捕獲機制中的影響（如圖3c所示），并進一步提取了CO2驅替后3DP巖心的孔隙網絡模型，對驅替過程中CO2氣體的主要滲流通道以及微觀賦存狀態進行了討論與分析。結果表明，注入氣體主要沿3DP巖心的左側分布，注入CO2沿優先通道突破，與剩余油分布一致。考慮到注入CO2的操作壓力低于最小混相壓力，驅替過程為不混相氣-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）。