《Energy》：天然致密砂岩孔隙结构的3D打印与流体输运特性研究

流体在岩石孔隙中的运移规律及其流固耦合效应是地下油气储备与开发的核心科学问题，也是导致不同工程灾害或工程难题的重要因素。精确表征岩石微观孔隙结构，揭示微观孔隙结构与流体输运特性的内在关联，是开展深部岩体相关工程研究的基础。

近期，中国科学院武汉岩土力学研究所的宋睿副研究员、刘建军研究员、杨春和研究员联合西南科技大学的汪尧博士等人提出了一种利用3D打印和微CT成像技术实现致密砂岩复杂孔隙结构定量表征和多相流体输运特性的可视化研究方法。研究团队利用新型的面投影微立体光刻技术（PμSL，nanoArch S130，摩方精密）实现了致密砂岩孔隙模型的原位尺度打印（~2μm光学分辨率），再现了致密砂岩复杂孔隙系统的三维拓扑结构特征与空间连通性。研究人员对比分析了3DP岩心与数字岩心（DRP）模拟得到的孔径分布（PSD）、孔隙度和绝对渗透率的差异；同时结合原位CT成像技术开展了3DP岩心可视化CO2驱油实验，并与实验基准数据进行了比较。研究成果为定量表征岩石复杂孔隙结构特征及其中多相流体输运机制提供了新的工具，具有广阔的应用前景。论文研究工作得到国家自然科学基金，武汉市知识创新专项（基础研究）和四川省自然科学基金等项目的支持。相关研究成果以“3D Printing of natural sandstone at pore scale and comparative analysis on micro-structure and single/two-phase flow properties"为题发表在《Energy》期刊上。

图1. 基于CT图像与面投影微立体光刻技术的致密砂岩微观孔隙结构提取与3D打印制备流程(a)天然致密砂岩的微CT扫描；(b)数字图像处理与岩心重建；(c)面投影微立体光刻3D打印成型

该研究中所采用的天然岩心样本为海相致密砂岩。通过从原始岩心中钻取直径约为5mm的小岩心柱塞样本，利用蔡司Xradia MICROXCT-400三维成像系统进行微CT扫描成像，获取天然岩心孔隙结构的微CT图像（如图1a所示），并将其用于孔隙空间提取、数字岩心重建与模拟（如图1b）；然后，基于数字图像处理转化为3D打印通用的.stl文件，利用BMF公司的面投影微立体光刻成型技术完成孔隙模型的3D打印（如图1c所示）。

图2. 3D打印岩心与天然岩心微观孔隙结构的对比分析(a)基于偏光显微镜和CT成像得3DP岩心孔隙结构表征；(b)基于图像校准的3DP岩心与原始岩心孔隙结构拓扑形态特征的对比分析；(c)孔隙结构特征参数的计算与分析

为表征3D打印岩心在复刻天然岩心孔隙结构特征方面的准确性，该团队分别采用偏光显微镜和微CT成像对3DP岩心的2D/3D微观孔隙结构特征进行了定量表征（如图2a所示）。基于团队自行开发的数字图像处理与模型重建技术，分别研究了3DP岩心孔隙分布特征，并与天然样品的实验室测试结果进行了对比分析，结果表明3DP岩心和原始样品的PSD分布总体上一致（如图2c所示）。在对3DP岩心和原始岩心CT图像手动校准的基础上，团队采用开源图像处理软件（Fijiyama）中的块匹配算法（Block-Matching Algorithm）实现了3DP岩心CT图像与原始样品CT图像的自动配准，并作为后续分析的基准数据（如图2b所示）。结果表明，3DP岩心与原始岩心孔隙特征吻合较好，验证了3DP岩心在微米尺度下再现岩石微观结构的可行性和适用性。

在此基础上，团队以分割的微CT图像为数据蓝本，引入峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio, PSNR）和结构相似性指数度量（structural similarity index measure, SSIM）两个关键参数对3DP岩心孔隙结构特征进行表征，以量化3DP岩心与原始岩心孔隙结构的保真度（如图2c所示）。PSNR用于衡量相同空间位置上孔隙特征参数（大小和坐标位置）的绝对误差。SSIM用于测量两个图像之间的相似性，用于评估相应位置上的孔隙是否由3D打印机识别。计算结果表明：本文中3DP岩心的PSNR值介于[9.010，14.983]之间，其SSIM值介于[0.870，0.925]之间。大多数孔隙特征被打印识别，但一些孔隙并不在原始尺寸或位置上。由于后处理过程中，样品近端部的液体树脂更容易被去除，因此顶/底部结构的打印精度优于其他部分，显示出更高的SSIM值。

图3. 基于原位CT成像的微观可视化多相渗流试验(a)团队自行设计的用于原位CT成像的微观可视化渗流试验系统；(b)3DP岩心饱和油状态（上部）和CO2驱油后（下部）3DP岩心中油相分布的微CT图像；(c)CO2驱油后3DP岩心中CO2分布及对应的孔隙网络模型，以及3DP岩心和原始岩心中残余油相原位润湿角计算结果的对比

在3DP岩心与原始岩心孔隙结构特征对比分析的基础上，团队针对3DP岩心的流体输运特性开展了进一步的研究。利用自行设计的基于原位微CT成像的可视化渗流试验系统分别进行了3DP岩心的饱和油和CO2驱油试验（如图3a所示）。分别采集了饱和油状态与驱替完成时3DP岩心的微CT图像（如图3b所示）。为了消除不同扫描阶段样品放置的人为误差，研究人员对获取的CT图像也进行了手动校准和图像配准操作。分析结果表明：注入CO2气体主要沿孔隙中部流动，导致颗粒表面出现大规模残余油。考虑到制备3DP岩心使用的HTL树脂是强油湿性，残余油相优先附着到固体表面。当注入流体发生突破时，样品中会留下很大部分以油膜形式分布的残余油。在油湿性岩心中，毛细管压力是注入CO2的阻力，导致大量残留油块被毛管力卡断在小孔中。此外，研究团队对3DP岩心和原始岩心的原位接触角进行了计算与对比分析，讨论了微观润湿性在残余流体捕获机制中的影响（如图3c所示），并进一步提取了CO2驱替后3DP岩心的孔隙网络模型，对驱替过程中CO2气体的主要渗流通道以及微观赋存状态进行了讨论与分析。结果表明，注入气体主要沿3DP岩心的左侧分布，注入CO2沿优先通道突破，与剩余油分布一致。考虑到注入CO2的操作压力低于最小混相压力，驱替过程为不混相气-液流，界面张力和注入流体粘度的降低有助于提高波及效率和采收率。（如图3c所示）。