數字圖像重建技術在巖石滲流類課程教學中的應用

宋睿+崔夢夢++鄭玲靜

摘 要：提升高校巖石滲流類課程的教學效果對保障國家建設和能源開采的人才供應具有重要意義。針對傳統教學中存在的不足，本文提出了一種結合巖石微觀數字圖像及其重建模型的新型課堂教學方法。以某砂巖微CT圖像為例，本文詳細介紹了在巖石多孔介質特性、單相-兩相流體輸運特征教學中的課程案例，詳細論述了該方法在各關鍵知識點講解中的應用。分析表明，本文提出的授課方法有助于改善空洞、乏味的授課方式，從而提升了該類課程的教學效果。

關鍵詞：巖石 數字圖像 重建模型

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0238-04

Abstract： It is of significant importance to ensure the demands of technical talents for national construction and energy extraction of China by promoting the teaching efficiency of high education courses related to seepage mechanism in rock and soil. Regarding to the existing shortage of traditional teaching method， this paper presents an improved teaching case using the digital images and reconstructed models of rock. The detailed teaching cases including the nonhomogeneous porous media characteristics of rock and single-/two- phase flow are designed using the sandstone micro-CT images. Then the key knowledge points are analysed. It is indicated that the proposed teaching methods have been proved to enrich the teaching mode and improve the teaching efficiency.

Key Words： Courses related to seepage； Digital images； Reconstructed rock models

隨著我國經濟建設的高速發展，大規模的土木工程建設（如建筑、交通、水利水電等）、資源礦產開采（如煤炭、石油、天然氣及地熱等資源的開采）、地下儲庫建設（如地下儲氣庫，核廢料、化學廢棄物及CO2地質封存）等一系列國計民生工程急需大批有相關專業知識背景的人才[1-2]。作為這些大型工程的共同施工對象，巖石類材料是高校相關工程專業的重點研究對象。巖石是由不同種類的固體礦物組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小孔隙構成，孔隙中往往存在著液相、氣相系統，是一種典型的非均質多孔介質材料。相關專業的高等教育課程開設有巖土力學（屬于固體力學）及滲流力學（屬于流體力學）兩大類課程，包括土力學、巖石力學、滲流力學、水文地質、水力學、地下水動力學等專業基礎理論課程，涵蓋了工程類高等教育的教學難點和重點[3]。因此，提升巖石相關課程的教學效果，對保障我國經濟建設和能源開采的人才供應具有重要的意義。

然而，此類課程公式較多，推導過程復雜，課堂計算練習多局限于一維或規則二維模型[4]。由于巖石孔隙尺寸狹小，傳統教學中常通過展示示意圖或巖石薄片的形式向學生講解巖石的多孔介質特征，這類二維圖形往往難以讓學生對巖石空間特征產生直觀、立體的印象，甚至產生理解誤區。如部分學生看到巖石切片會誤認為巖石孔隙并未連通，是孤立的，在看到連通的二維孔隙時又誤以為孔隙如同連接的水管一樣等。此外，作為一種不透明、孔隙狹小、嚴重非均質的多孔介質，巖石的微觀孔隙特征及其中流體的輸運過程往往難以觀測，限制了高校滲流類課程的教學效果。

近年來，隨著以微觀-CT為代表的巖石微成像技術的發展，研究人員可獲取微納米級別的三維巖石微觀圖像，這為相關課程的教學提供了新的手段。本文以巖石微觀CT數字圖像及其重建模型為例，合理利用新興研究成果，與實際緊密結合，避免空洞的課堂教學方式，以達到提升巖石滲流類課程教學效果的目的。

1 巖石數字圖像及模型重建技術簡介

巖石數字圖像技術是指通過一系列先進成像手段，例如光學顯微鏡-攝像機成像、電子掃描顯微鏡、原子力顯微鏡等二維成像手段，或共聚焦離子顯微鏡、微觀CT等三維成像手段，獲得微-納米級別的巖石微觀圖像。通過對巖石微觀圖像的觀察，可以直觀獲得巖石固體顆粒尺寸、形態，礦物類型及分布特征，和孔隙尺寸、形態、連結性等。特別是三維巖石數字圖像，更能加深初學者對巖石多孔介質特性和非均質性的感性認識和空間想象力。同時，利用對巖石骨架和孔隙面積/體積的統計計算，可以進一步獲取巖石孔隙度、粒徑分布和孔徑分布數據。

巖石模型重建是以巖石的數字化圖像為基礎，通過降噪、閾值分割等圖像處理技術，結合模型重建算法將數字圖像轉換為拓撲結構相似或相同的、可用于數值模擬研究的計算模型，常見的有網格模型和等效孔隙網絡模型兩類。在滲流力學課程方面，可以開展單相、兩相及三相滲流數值模擬，除了獲取傳統實驗得到的壓力-出口流量曲線、相對滲透率曲線，還可清晰觀測到流體在孔隙內的主要流動通道、兩/三相驅替過程、殘余液體（如殘余油、污染物等）分布位置及形成過程，加深學生對這些抽象機理現象的認知程度，提升教學效果。endprint

2 課程設計

本節將以教學設計實例具體分析巖石數字圖像和重建模型在相關課程中的應用，及其可行性、優越性。

2.1 巖石孔隙結構及礦物分布三維觀測

在巖石類課程中，巖石所具有的多孔介質特性是其他相關課程的基礎。結合巖石三維數字圖像（圖1，分辨率2.51um/像素，980×1006×960像素），可以更為有效地開展教學。通過展示圖1（a）和圖1（b），能直觀看到巖石礦物類型的非均質性及空間分布，在圖1（b）中表現為圖像灰度值的差異；通過展示圖1（c），可以加強學生對巖石骨架微結構特征的認識，為后續巖石力學和破裂力學的學習奠定基礎；通過展示圖1（d），可以開展巖石孔隙特征教學，加深學生對巖石孔隙形狀、連通性、空間分布的認識；通過局部放大圖像1（d），可展示巖石有效孔隙、盲端孔隙、孤立孔隙的分布及結構特征；通過對比巖石骨架像素體積和孔隙像素體積，可開展巖石孔隙度求解，強化學生對孔隙度的理解和認識。

2.2 巖石單相滲流三維可視化數值實驗

巖石孔隙流體的輸運特征是滲流類課程的重難點，本節給出了巖石單相滲流三維可視化數值實驗的課程設計，具體流程為：以砂巖S1為例，在巖石三維圖像的基礎上，利用MIMICS軟件對重建得到的巖石孔隙幾何模型進行網格劃分，得到如圖2（a）所示的巖樣網格模型；將網格導入CFD模擬軟件Fluent，流體輸運方程采用NS方程組，沿圖中所示Z方向施加進出口壓力，以模擬巖石孔隙中的水在壓力梯度驅動下的滲流過程。模擬得到水在孔隙中的速度場及壓力場分布如圖2b所示，從速度場和壓力場云圖中能夠讓學生直觀地觀察到由于孔隙結構的非均質性，流體主要沿著尺寸較大、連通性較好的孔隙向前推進（以減小流動過程中的阻力），從而使學生加深孔隙中流體的主要流動通道這一概念；同時利用模擬軟件得到的模型出口水流量，結合達西滲流定律可以計算出模型的滲透率，從而加強學生對達西定律的理解與認識；通過改變進出口壓力梯度，再次重復計算模型的滲透率，來驗證滲透率是巖石固有物性參數而并不會隨出口壓力不同而改變，從而強化該知識點的教學效果；通過改變進出口邊界條件，如將進出口壓力轉換為速度邊界條件，強化學生對流體靜壓和動壓的概念及其相互轉換。

2.3 巖石兩相滲流三維可視化數值實驗

兩相滲流主要以油水兩相滲流過程為例，具體流程為：以S1為例，將孔隙的網格模型導入Fluent軟件，選擇軟件中多相流模型中的VOF（volume of fraction）模型，模型初始假定為飽和油狀態，沿圖中所示Z方向施加進出口壓力，以模擬巖石孔隙中水驅替油的過程。模擬得到不同計算時間步模型油水飽和度分布云圖如圖3所示，在課程教學中將多幅圖像組合為動圖的形式在教學中展示，可清晰觀察到兩相驅替過程中的流動特征：水沿阻力最小的流動通道驅替油相，呈現出不均勻推進的油水交界面，該現象稱為指進現象。在本模型中表現為注入水從進口沿某幾條主要孔喉鏈率先突破至出口處；在實際地層中具體表現為注入水沿注水井進入流動阻力最小的通道到達采油井，是開發過程中影響采收率的主要因素。結合該云圖還可以對殘余油的主要形成與分布規律進行分析，例如：因注入水未波及而滯留于模型邊角處的殘余油，指進現象導致的水率先突破而造成的卡斷殘余油，殘留于孔隙死角或盲端的殘余油。通過軟件輸出的不同時間步長的出口油水兩相流量，結合達西定律和相對滲透率公式，可繪制出該過程的油水相對滲透率曲線，從而強化學生對油水相對滲透率曲線的物理意義和計算過程的理解和記憶。同時，通過改變模型進出口邊界、物性參數、潤濕性等可模擬不同條件下的開發效果。例如，改變進出口壓力以模擬不同的注水壓力或速度對注水開發效果的影響，改變注入水物性參數以模擬不同毛細管數條件下的開發效果，改變模型的潤濕性以模擬親水、親油、中間潤濕性和混合潤濕性巖石中的油水流動規律。以類比的方法，用動圖的形式強化學生對相關概念、公式和物理參數的理解和認識，從而達到提升教學效果的目的。

3 結語

本文利用巖石微觀CT成像這一新興技術，結合巖石數字圖像及其重建模型，詳細論證了該課程資源在講解巖石非均質多孔介質特性的優越性；并結合CFD數值模擬軟件，論述了重建模型在巖石單相滲流和兩相滲流教學中的應用。結果表明，巖石數字圖像及其重建模型能夠加深學生對巖石孔隙度、孔徑分布、礦物組分分布、固體顆粒和孔隙形狀、尺寸等材料參數的認識，強化其對巖石孔隙的空間分布及連通性、單相-兩相流體輸運特征的理解，彌補了傳統教學過程中空洞說教的不足，從而提升了課程的教學效果。同時，該課程案例對其他多孔介質類教學也具有較強的借鑒意義。

參考文獻

[1] 姚仰平，羅汀，朱建明，等.創建巖土工程學科特色課程體系培養創新人才[J].北京航空航天大學學報：社會科學版，2009，22（s1）：62-65.

[2] 林彤，唐輝明，程祖依.巖土工程專業人才產學合作教育研究[J].工程地質學報，2000（S1）：628-630.

[3] 王驍.數字巖心分析資料數據庫的應用研究[J].科技創新導報，2014（2）：23.

[4] 張婭，張亞軍，王維民，等.理論力學教學質量提高措施探索[J].科技創新導報，2017，14（1）：167-168.endprint