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1、石油天然气领域数字岩芯解决方案一、概述在当今世界能源格局下，石油与天然气仍然是工业消耗的主要来源，油气资源是保证国民经济发展的命脉，在当前各种新的替代能源还未发展成熟之前，人们对油气资源的需求与开釆量仍然会日益增加。石油、天然气资源作为一种不可再生能源，如何对其高效合理的开采和利用，是推进石油工业技术发展的关键。测井作为一种重要的地球物理探测技术，一度被誉为“地质家的眼睛”，其在油气勘探开发中起到了决定性的作用，然而，随着目前油气勘探开发领域和规模的不断扩大，测井评价技术面临巨大挑战，特别是在岩石物理特征研究领域，常规实验方法遇到了诸多技术瓶颈，如岩心资料获取不全、岩心致密无法驱替、裂缝发育段
2、岩心获取代表性差、页岩和油砂等非常规资源岩石物理实验工艺尚不成熟等。因此，加强对储层岩石物理特征的研究对于油气勘探开发具有至关重要的意义。随着计算机的发展，数值模拟已经成为最经济且有效的科学研究方法。如数值模拟手段代替了核爆炸实验；模特卡罗粒子数值模拟代替了大多数放射性测量实验等。中仿科技技术团队在十多年的数值计算工作中，参与了众多重大项目，包括三峡大坝、某卫星系统设计、某核电站建设、某机场建设、二氧化碳封存、大型垃圾填埋场设计等等，发现越来越多领域的用户都在逐渐开展数值计算工作。在石油行业领域，数值模拟方法同样贯穿于油气田勘探与开发的始终，特别是在岩石物理研究方向，数值模拟方法与传统岩石物理
3、实验方法相比，不仅节约成本，还可以开展微观尺度上的岩石物理属性影响因素分析，而且对于传统岩石物理实验无法直接测量的物理性质（如三相相对渗透率等），岩石物理数值模拟具有明显的优势。岩石物理数值模拟研究必须基于一定的岩石物理模型，岩石物理模型的准确与否关系着岩石物理数值模拟结果的准确程度。岩石物理模型的发展经历了由简单到复杂的演化历程，根据模型的复杂程度，将其划分为两大类，即简单、规则的孔隙网络模型和复杂、真实的数字岩芯模型。孔隙网络模型按照建模的拓扑性质来划分，可以分为规则拓扑孔隙网络模型和真实拓扑孔隙网络模型两类。孔隙网络模型都过于理想化，往往导致数值模拟结果与实际结果相差甚远，因而实用性较差
4、，而能够真实反映岩心孔隙结构特征的三维数字岩芯技术是岩石物理数值模拟研究的主要方向。上世纪末，X射线CT扫描和计算机模拟技术在医学研究领域应用广泛，这引起了岩石物理学家对该技术的广泛兴趣，数字岩芯技术在此背景下应运而生。利用CT扫描技术构建的三维数字岩芯不仅能真实、完整的反应岩石的复杂孔隙结构特征，而且还可以代替真实岩心实验，系统全面的模拟岩石的电性、弹性、渗流等宏观物理属性。此外，数字岩芯的建立大大节约了岩石物理研究的成本，数字岩芯一旦构建完成就可以重复进行各种数值模拟实验，还可以根据研究者的需求进行各种实验条件约束，具有重要的应用价值和理论意义在测井解释评价工作中，面对岩性复杂、物性条件差
5、的低渗透储层，传统岩石物理实验常常面临诸多问题和挑战。在某些复杂岩石物理问题传统实验无法解决的情况下，岩石物理数值模拟方法展现出强大的适应性。例如，利用数字岩芯技术可以将错综复杂的岩石孔隙结构进行三维提取，大大简化了孔隙结构的影响因素。又如在研究岩石物理的机理性问题时，常常需要将简化的岩石物理模型与复杂的真实岩石结构进行对比分析，利用数字岩芯技术模拟，可以实现不同条件下等效对比。中仿科技参与过众多测井项目的数值计算，例如和吉林大学的合作项目中，利用中仿数值仿真计算软件做二次开发，建立一套完整的测井系统；和中国科学院声学研究所、中国电子科技集团22研究所、中国石油集团长城钻探工程有限测井技术研究
6、院等单位的合作中，也多次参与了数字岩芯能源探测的项目，然而，数字岩芯作为一种新兴的岩石物理研究方法，目前在测井和地质行业的实际应用还不够成熟，如何进一步发挥数字岩芯技术在低渗透储层测井解释评价中旳作用，提高测井、地质研究人员对数字岩芯技术的认知度，是目前数字岩芯技术发展的重点。二、数字岩芯重构数字岩芯的重建方法有多种，如切片组合法、射线扫描法和基于岩石二维图像的重建法等，但归纳起来有大类：物理实验法和数值重建法。前者是借助于高精度的光学仪器获取岩心的平面图像，后者是利用各种重建算法获取三维数字岩芯。由于重建算法利用较少的图像资料就可以获取反映孔隙结构的三维数字岩芯，所以是当前进行数字岩芯建模研
7、究的重点。本解决方案主要围绕三维数字重构方法来阐述数字岩芯的建立方法以及数字岩芯的数值实验（仿真计算）。（一）、数字岩芯重构一般步骤三维数字重构数字岩芯以及后续数值实验（仿真计算），需要如下几个步骤：即：数据获取、图像导入降噪滤波、图像处理体/面网格划分模型导出、仿真计算a.图像导入图像获取有很多方法，例如上图中各种设备，它们可以生成各种不同格式，如3D图像数据DICOM Version 3.0、ACR-NEMA Versions 1&2、Interfile、Analyze、Meta-Image、Raw image data、Blank image等以及2D图像数据组DICOM、BMP、PNG
8、、JPEG/JPG、GIF、PCX、PNM、TIFF、IFF、XPM、RAW等。b.图像处理图像处理分为预处理和正式处理两步。预处理需要对图像进行缩放、填补、剪裁（自动收缩剪裁）以及镜像、平移和旋转、倾斜校正等处理。正式处理较为复杂，简单的说，需要对图像做分割处理，即将孔隙和岩石区分开来，之后做平滑处理。c.图像可视化完成上述图像处理后，需对图像做三维可视化处理，即图像渲染，甚至做动画处理，用于成果展示。d.模型分析及导出、仿真计算通过数值图像计算，可以得到数字岩芯的孔隙率、孔隙介质结构描述和重构、孔隙网络模型创建、生成，甚至物性的计算（包括综合弹性模量、渗透系数、热传递系数、电导率等）。（二
9、）、数字岩芯存在的问题通常的数字岩芯三维重构，往往需要用户自行编译程序，做图像的识别、去噪、二值化、插值合成最终模型，再通过算法实现特征统计等工作，会占用科研人员大量的时间精力，而且目前情况看，各大石油天然气研究单位，都在开发自己的软件或代码，比较保密，对于技术交流，开放性不足，相对保守，可能存在图像识别有误等问题而无法得到检查，且自行开发软件的界面相对商业软件而言会显得不人性化，功能较为单一，支持的图像格式有限，导出的模型也可能存在第三方软件导入困难的问题。另外，数值计算，最为重要的是材料参数的获取，很多情况需要做复杂实体实验才能获取，对于石油天然气领域的岩石，其综合弹性模量、孔隙率比较难以
10、通过简单物理实验而获得，一般通过数字岩芯来仿真计算，但若数字模型因孔隙分割不够准确，很容易引起其估算出的物理参数有更大偏差，采用这样的模型以及这样得来的参数，其仿真结果与实际情况的差异是可想而知的。三、数字岩芯建模及数值仿真计算全球高端解决方案Simpleware基于上述自行开发的软件或代码存在或多或少不太方便使用、推广困难甚至可能错误的结果等问题，给大家推荐一款中仿Simpleware软件，它致力于为CAD、CAE以及3D打印领域提供世界领先的三维图像处理、分析以及建模和服务，已在世界范围内被业界广泛采用。2014年8月中仿科技应邀参加第35届国际电磁学研究进展研讨会(The 35th PI
11、ERS)，会议期间中仿科技为参会代表展示了中仿Simpleware软件的功能及特点并解答了参会代表提出的技术问题，得到了与会人员一致的认可。（一）软件相关模块简介Simpleware软件帮助您全面处理3D图像数据（MRI，CT，显微CT，FIB-SEM），并导出适用于CAD、CAE、以及3D印刷的模型。使用图像处理模块（ScanIP）对数据进行可视化，分析，量化和处理，并输出模型或网格。利用有限元模块（+FE Module）生成CAE网格；利用全新的物理模块：固体力学模块（+SOLID Module）、流体分析模块（+FLOW Module）以及多学科分析模块（+LAPLACE Module）
12、，通过均质化技术计算扫描样品的有效材料属性。Simpleware软件基于核心的图像处理平台ScanIP，结合可选模块，实现FE/CFD网格生成、CAD一体化以及有效材料属性的计算。Simpleware三维图像建模软件在数字岩芯领域所涉及的主要模块如下： ScanIP Software: 核心图像处理平台 +FE Module: 网格生成模块 +CAD Module: CAD 模块 Physics Modules：物理模块 +SOLID Module：结构力学模块 +FLOW Module：流体分析模块 +LAPLACE Module：多学科分析模块1、核心图像处理平台ScanIPScanIP为
13、3D图像数据的图像可视化、测量和处理工具提供了宽泛的选择。处理后的图像可导出为STL或点云文件，应用于CAD分析、求解、和3D打印领域。ScanIP为3D图像数据（MIR，CT，micro-CT，FIB-SEM）的综合处理提供了软件环境。软件为用户提供了功能强大的数据可视化、分析、分割、以及量化工具。ScanIP易于学习和使用，内置视频录制功能，并能基于处理后的数据导出可用于CAD或3D打印的曲面模型/网格。附加模块可用于通过扫描数据导出CAE网格、整合图像数据、建模、导出NURBS曲面、计算有效材料属性的功能。l 优势 直观的用户界面易学易用 生成高质量的多部分STL和曲面模型无需手动修正或
14、重剖网格 脚本自动执行可重复的任务及操作 直接进行图像到曲面的转换，曲面输出及可视化准确、高质量地重构数据l 重要特征 支持导入多种文件格式 提供具有多个2D/3D视角的可定制化工作区 背景图像及蒙片的立体渲染 动画录制和视频文件导出 综合测量和统计工具使用ScanIP可视化的复合材料模型伦敦帝国学院 英国 功能强大的半自动分割工具 确保多部分面网格/STL的一致性2、网格生成模块+FESimpleware +FE模块具有强大的基于图像的网格剖分能力，提供高质量解决方案，将分割后的3D图像数据转换为多部分的体积网格，导出并应用于有限元（FE）或计算流体力学（CFD）软件包。生成的网格具有一致的
15、接口和共享节点，可指定材料属性、定义接触、节点集和壳单元，并定义CFD边界条件，通过减少在其他软件重划网格的步骤加快用户的工作流程。l 优势 自动、高效、快速几分钟即可完成从图像分割到分析模型的生成 “一般的个人电脑”进行处理生成复杂的网格完成复杂模型不依赖于高性能计算机 仅取决于图像质量的拓扑/形态学精确度使用Ls-Dyna模拟泡沫状材料压缩过程(NASA, 美国; ARUP和First Numerics, 英国)分割与平滑图像过程中保持图像精度不变 FEA和CFD网格一致，尤其适用于流固耦合分析强大的多部分模型避免间隙和重叠l 重要特征 可基于任意形状的复杂几何体生成网格 用户可选择基本网格或自由网格 根据图像信号强度分配材料属性 具有拓扑保留和体保留的光滑算法 可对感兴趣的多结构/区域进行网格划分 可保证接触的表面/界面的一致性 生成用户自定义的自适应网格3、CAD模块+CAD模块与与 ScanIP 模块紧密结合，为CAD模型与三维图像的融合提供一系列的工具。所获得的几何模型能够输出为众多CAD文件格式模型，或者利用+FE模块自动生成众多有限元网格。在32位或64位Windows平台支持多处理器进行CAD建模。l 优势 轻松组合图像与CAD数据避免在CAD环境中用到图像 为组合图像和CA
