数字图像重建技术在岩石渗流类课程教学中的应用

摘 要：提升高校岩石渗流类课程的教学效果对保障国家建设和能源开采的人才供应具有重要意义。针对传统教学中存在的不足，本文提出了一种结合岩石微观数字图像及其重建模型的新型课堂教学方法。以某砂岩微CT图像为例，本文详细介绍了在岩石多孔介质特性、单相-两相流体输运特征教学中的课程案例，详细论述了该方法在各关键知识点讲解中的应用。分析表明，本文提出的授课方法有助于改善空洞、乏味的授课方式，从而提升了该类课程的教学效果。

关键词：岩石 数字图像 重建模型

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：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 eich the teaching mode and improve the teaching efficiency.

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

随着我国经济建设的高速发展，大规模的土木工程建设（如建筑、交通、水利水电等）、资源矿产开采（如煤炭、石油、天然气及地热等资源的开采）、地下储库建设（如地下储气库，核废料、化学废弃物及CO2地质封存）等一系列国计民生工程急需大批有相关专业知识背景的人才[1-2]。作为这些大型工程的共同施工对象，岩石类材料是高校相关工程专业的重点研究对象。岩石是由不同种类的固体矿物组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小孔隙构成，孔隙中往往存在着液相、气相系统，是一种典型的非均质多孔介质材料。相关专业的高等教育课程开设有岩土力学（属于固体力学）及渗流力学（属于流体力学）两大类课程，包括土力学、岩石力学、渗流力学、水文地质、水力学、地下水动力学等专业基础理论课程，涵盖了工程类高等教育的教学难点和重点[3]。因此，提升岩石相关课程的教学效果，对保障我国经济建设和能源开采的人才供应具有重要的意义。

然而，此类课程公式较多，推导过程复杂，课堂计算练习多局限于一维或规则二维模型[4]。由于岩石孔隙尺寸狭小，传统教学中常通过展示示意图或岩石薄片的形式向学生讲解岩石的多孔介质特征，这类二维图形往往难以让学生对岩石空间特征产生直观、立体的印象，甚至产生理解误区。如部分学生看到岩石切片会误认为岩石孔隙并未连通，是孤立的，在看到连通的二维孔隙时又误以为孔隙如同连接的水管一样等。此外，作为一种不透明、孔隙狭小、严重非均质的多孔介质，岩石的微观孔隙特征及其中流体的输运过程往往难以观测，限制了高校渗流类课程的教学效果。

近年来，随着以微观-CT为代表的岩石微成像技术的发展，研究人员可获取微纳米级别的三维岩石微观图像，这为相关课程的教学提供了新的手段。本文以岩石微观CT数字图像及其重建模型为例，合理利用新兴研究成果，与实际紧密结合，避免空洞的课堂教学方式，以达到提升岩石渗流类课程教学效果的目的。

1 岩石数字图像及模型重建技术简介

岩石数字图像技术是指通过一系列先进成像手段，例如光学显微镜-摄像机成像、电子扫描显微镜、原子力显微镜等二维成像手段，或共聚焦离子显微镜、微观CT等三维成像手段，获得微-纳米级别的岩石微观图像。通过对岩石微观图像的观察，可以直观获得岩石固体颗粒尺寸、形态，矿物类型及分布特征，和孔隙尺寸、形态、连结性等。特别是三维岩石数字图像，更能加深初学者对岩石多孔介质特性和非均质性的感性认识和空间想象力。同时，利用对岩石骨架和孔隙面积/体积的统计计算，可以进一步获取岩石孔隙度、粒径分布和孔径分布数据。

巖石模型重建是以岩石的数字化图像为基础，通过降噪、阈值分割等图像处理技术，结合模型重建算法将数字图像转换为拓扑结构相似或相同的、可用于数值模拟研究的计算模型，常见的有网格模型和等效孔隙网络模型两类。在渗流力学课程方面，可以开展单相、两相及三相渗流数值模拟，除了获取传统实验得到的压力-出口流量曲线、相对渗透率曲线，还可清晰观测到流体在孔隙内的主要流动通道、两/三相驱替过程、残余液体（如残余油、污染物等）分布位置及形成过程，加深学生对这些抽象机理现象的认知程度，提升教学效果。

2 课程设计

本节将以教学设计实例具体分析岩石数字图像和重建模型在相关课程中的应用，及其可行性、优越性。

2.1 岩石孔隙结构及矿物分布三维观测

在岩石类课程中，岩石所具有的多孔介质特性是其他相关课程的基础。结合岩石三维数字图像（图1，分辨率2.51um/像素，980×1006×960像素），可以更为有效地开展教学。通过展示图1（a）和图1（b），能直观看到岩石矿物类型的非均质性及空间分布，在图1（b）中表现为图像灰度值的差异；通过展示图1（c），可以加强学生对岩石骨架微结构特征的认识，为后续岩石力学和破裂力学的学习奠定基础；通过展示图1（d），可以开展岩石孔隙特征教学，加深学生对岩石孔隙形状、连通性、空间分布的认识；通过局部放大图像1（d），可展示岩石有效孔隙、盲端孔隙、孤立孔隙的分布及结构特征；通过对比岩石骨架像素体积和孔隙像素体积，可开展岩石孔隙度求解，强化学生对孔隙度的理解和认识。

2.2 岩石单相渗流三维可视化数值实验

岩石孔隙流体的输运特征是渗流类课程的重难点，本节给出了岩石单相渗流三维可视化数值实验的课程设计，具体流程为：以砂岩S1为例，在岩石三维图像的基础上，利用MIMICS软件对重建得到的岩石孔隙几何模型进行网格划分，得到如图2（a）所示的岩样网格模型；将网格导入CFD模拟软件Fluent，流体输运方程采用NS方程组，沿图中所示Z方向施加进出口压力，以模拟岩石孔隙中的水在压力梯度驱动下的渗流过程。模拟得到水在孔隙中的速度场及压力场分布如图2b所示，从速度场和压力场云图中能够让学生直观地观察到由于孔隙结构的非均质性，流体主要沿着尺寸较大、连通性较好的孔隙向前推进（以减小流动过程中的阻力），从而使学生加深孔隙中流体的主要流动通道这一概念；同时利用模拟软件得到的模型出口水流量，结合达西渗流定律可以计算出模型的渗透率，从而加强学生对达西定律的理解与认识；通过改变进出口压力梯度，再次重复计算模型的渗透率，来验证渗透率是岩石固有物性参数而并不会随出口压力不同而改变，从而强化该知识点的教学效果；通过改变进出口边界条件，如将进出口压力转换为速度边界条件，强化学生对流体静压和动压的概念及其相互转换。

2.3 岩石两相渗流三维可视化数值实验

两相渗流主要以油水两相渗流过程为例，具体流程为：以S1为例，将孔隙的网格模型导入Fluent软件，选择软件中多相流模型中的VOF（volume of fraction）模型，模型初始假定为饱和油状态，沿图中所示Z方向施加进出口压力，以模拟岩石孔隙中水驱替油的过程。模拟得到不同计算时间步模型油水饱和度分布云图如图3所示，在课程教学中将多幅图像组合为动图的形式在教学中展示，可清晰观察到两相驱替过程中的流动特征：水沿阻力最小的流动通道驱替油相，呈现出不均匀推进的油水交界面，该现象称为指进现象。在本模型中表现为注入水从进口沿某几条主要孔喉链率先突破至出口处；在实际地层中具体表现为注入水沿注水井进入流动阻力最小的通道到达采油井，是开发过程中影响采收率的主要因素。结合该云图还可以对残余油的主要形成与分布规律进行分析，例如：因注入水未波及而滞留于模型边角处的残余油，指进现象导致的水率先突破而造成的卡断残余油，残留于孔隙死角或盲端的残余油。通过软件输出的不同时间步长的出口油水两相流量，结合达西定律和相对渗透率公式，可绘制出该过程的油水相对渗透率曲线，从而强化学生对油水相对渗透率曲线的物理意义和计算过程的理解和记忆。同时，通过改变模型进出口边界、物性参数、润湿性等可模拟不同条件下的开发效果。例如，改变进出口压力以模拟不同的注水压力或速度对注水开发效果的影响，改变注入水物性参数以模拟不同毛细管数条件下的开发效果，改变模型的润湿性以模拟亲水、亲油、中间润湿性和混合润湿性岩石中的油水流动规律。以类比的方法，用动图的形式强化学生对相关概念、公式和物理参数的理解和认识，从而达到提升教学效果的目的。

3 结语

本文利用岩石微观CT成像这一新兴技术，结合岩石数字图像及其重建模型，详细论证了该课程资源在讲解岩石非均质多孔介质特性的优越性；并结合CFD数值模拟软件，论述了重建模型在岩石单相渗流和两相渗流教学中的应用。结果表明，岩石数字图像及其重建模型能够加深学生对岩石孔隙度、孔径分布、矿物组分分布、固体颗粒和孔隙形状、尺寸等材料参数的认识，强化其对岩石孔隙的空间分布及连通性、单相-两相流体输运特征的理解，弥补了传统教学过程中空洞说教的不足，从而提升了课程的教学效果。同时，该课程案例对其他多孔介质类教学也具有较强的借鉴意义。

参考文献

[1]姚仰平，罗汀，朱建明，等.创建岩土工程学科特色课程体系培养创新人才[J].北京航空航天大学学报：社會科学版，2009，22（s1）：62-65.

[2]林彤，唐辉明，程祖依.岩土工程专业人才产学合作教育研究[J].工程地质学报，2000（S1）：628-630.

[3]王骁.数字岩心分析资料数据库的应用研究[J].科技创新导报，2014（2）：23.

[4]张娅，张亚军，王维民，等.理论力学教学质量提高措施探索[J].科技创新导报，2017，14（1）：167-168.

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