基于砂岩﹢CT﹢图像的渗透系数数值模拟研究.pdf

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1、２０１５年第１３期（总第１６６期）江西建材应用研究基于砂岩ＣＴ图像的渗透系数数值模拟研究■包孟碟，何翔■武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉４３００２３摘要：基于数字图像处理技术，运用ＭＡＴＬＡＢ软件中的图像处理工具箱，获取ｓｕｂｐｌｏｔ（２２１），ｉｍｓｈｏｗ（Ｉ）；砂岩的细观结构；通过ＢＭＰ２ＡＮＳ软件把获得的细观结构图像转换为ｘｌａｂｅｌ（‘（ａ）原始图像’）；ＩＮＰ文件并导入ＡＢＡＱＵＳ软件中，建立砂岩有限元模型；运用ＡＢＡＱＵＳＲ＝ｒｇｂ２ｇｒａｙ（Ｉ）；渗流分析功能模拟砂岩在渗流场作用下且服从达西定律的稳态渗流特ｓｕｂｐｌｏｔ（２２２），ｉｍｓｈｏｗ（Ｒ）；性，计

2、算不同孔隙率的等效渗透系数，研究等效渗透系数与岩土孔隙率ｘｌａｂｅｌ（‘（ｂ）灰度图像’）之间的关系。计算结果表明：砂岩的等效渗透系数与孔隙率呈指数规Ｓ＝ｈｉｓｔｅｑ（Ｒ）；律。ｓｕｂｐｌｏｔ（２２３），ｉｍｓｈｏｗ（Ｓ）；关键词：等效渗透系数孔隙率ＡＢＡＱＵＳＣＴ图像细观结构ｘｌａｂｅｌ（‘（ｃ）均衡化图像’）ｌｅｖｅｌ＝ｇｒａｙｔｈｒｅｓｈ（Ｓ）；１引言ＢＷ＝ｉｍ２ｂｗ（Ｓ，ｌｅｖｅｌ）；石油勘探开发的实践表明，我国相当数量油藏的主力储油层均以ｓｕｂｐｌｏｔ（２２４），ｉｍｓｈｏｗ（ＢＷ）；砂岩油藏为主。在砂岩油藏的开采过程中，渗透性能对石油出采率有ｘｌａｂｅｌ（‘细观结构图

3、像’）着直接的影响，因此砂岩渗透特性的研究就显得非常重要。国内外的学者对岩土材料的渗透性进行了相关研究：贺瑶瑶、刘建军等以理论模型为基础研究了压力梯度、孔隙度、裂隙宽度和裂隙倾角等四个因素对裂隙—孔隙介质渗透性能的影响，孔隙度对等效渗透率的影响最为显著。冯增朝、赵阳升等研究了煤岩体的逾渗概率与渗透系数的关系分析了裂隙孔隙及二者共同作用对煤岩体逾渗概率的影响，表明煤岩体的逾渗概率与其渗透系数呈指数规律。刘阳和李守巨等分别利用ＡＮＳＹＳ建立二维理想多孔介质模型和三维随机有限元模型分析了孔隙率对渗透系数的影响，发现等效渗透系数与孔隙率呈线性关系。庄心善等研究了饱和粘性土孔隙特性对渗透系

4、数的影响，表明非饱和粘土渗透系数随孔隙比增加而增加。以上研究多是以随机或理想角度分析多孔介质孔隙率对渗透性的影响，或者是研究其它多孔介质（土）渗透特性，针对砂岩细观结构特征的渗流特性数值研究还鲜见报道。本文以砂岩的ＣＴ图像为基础，利用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件，研究等效渗透系数与砂岩孔隙率之间的关系，通过数值模拟和回归分析建立等效渗透系数与孔隙率的定量关系。图１砂岩ＣＴ图像处理过程２基于砂岩ＣＴ图像的细观结构提取与渗流场有限元模拟２．１２基于ＢＭＰ２ＡＮＳ的砂岩几何模型生成通过对砂岩的ＣＴ图像进行处理获取其细观结构图像，通过随机截取２００１００（像素）砂岩ＣＴ图像的细观结构图，并

5、导入到ＢＭＰ２ＡＮＳ软件生成ＡＢＡＱＵＳ接受的几何模型ＩＮＰ文件，导入到ＢＭＰ２ＡＮＳ中生成ＡＢＡＱＵＳ可接受的ＩＮＰ文件。然后再把ＩＮＰ文件通ＡＢＡＱＵＳ有限元建模，并进行渗流场有限元模拟。过ｉｍｐｏｒｔ功能导入到ＡＢＡＱＵＳ中，生成有限元模型，实现砂岩细观结构２．１砂岩ＣＴ图像处理与建模的有限元建模。ＢＭＰ２ＡＮＳ界面，砂岩细观有限元模型如下图：２．１１基于ｍａｔｌａｂ的砂岩ＣＴ图像处理ＭＡＴＬＡＢ是以矩阵为基本数据单元的可视化科学计算软件，ＣＴ图像是将像素以矩阵的形式进行排列的数字化图像，因此，运用ＭＡＴＬＡＢ对砂岩ＣＴ图像进行图像处理非常有利。为获取砂岩的细观结构，本文

6、利用ＭＡＴＬＡＢ强大的图像处理工具箱对砂岩ＣＴ图像进行了以下三步处理：（１）图像的读取和显示。ＭＡＴＬＡＢ提供ｉｍｒｅａｄ（）函数读入图像，ｉｍｓｈｏｗ（）函数显示图像。由于涉及的图像处理函数多针对灰度图，因此还应通过ｒｇｂ２ｇｒａｙ（）函数把砂岩ＣＴ图像转换为灰度图像。（２）图像的增强。采用直方图均衡化的方法对砂岩ＣＴ图像进行增强处理，，直方图的均衡化可以使原图像灰度集中的区域拉开或使灰度分布均匀，增大反差，从而使图像的细节清晰，达到增强目的。直方图２ＢＭＰ２ＡＮＳ界面图均衡化可用ｈｉｓｔｅｑ（）函数实现。其中，红色部分为孔隙，青色部分岩石固体颗粒（３）图像的二值化分割。ＭＡＴ

7、ＬＡＢ通过ｇｒａｙｔｈｒｅｓｈ（）函数实现用大２．１３渗流场有限元模型津法计算全局图像的最佳阈值，从而根据最佳阀值用ｉｍ２ｂｗ（）函数实本文数值模拟重点研究孔隙率对渗流影响，应选择含有不同孔隙现砂岩图像的二值化，进而实现对砂岩的细观结构的提取。率图像（２００１００像素），建立一组包含不同孔隙率的有限元模型，从具体代码为：而模拟二维砂岩真实细观结构模型不同孔隙率下的稳态渗流。本文选Ｉ＝ｉｍｒｅａｄ（‘０３０．ｊｐｇ’）；取了一组模型，其孔隙率分别为９％，１４％，２２％，３２％，