摘要:实际取样的岩心，实验耗时长，且由于很多岩石实验对岩心有一定损害，必然给下一个实验带来困难和误差。由于数字岩心是对实际岩样的数值模拟，所以数字岩心模型可以替代实际岩心用于研究储层的微观因素。这不仅克服了实际取心困难、样本少的难题，更解决了同一岩心数据多样性的问题。随着计算机的发展，数字岩心技术也在不断进步完善，数字岩心模型的建立也有了更多的方法与应用。各种方法有其优缺点，在针对不同的问题需要选取合适的方法获取模型。综合国内外的发展提出今后数字岩心技术发展趋势。

关键词:数字核心；重构方法；岩石物理学；数字模拟；X-CT扫描

0简介

岩石物理实验产生的数据是宏观和微观之间的桥梁，在油气行业的勘探开发中发挥着不可或缺的作用。随着油气的开发，油气藏大多是非常规的，这给岩石物理实验的开展带来了很大的困难，如页岩和裂缝性碳酸盐岩岩心的获取、岩心驱替等。要解决这些问题，单纯依靠传统的实验技术是不可能的，结合计算机技术发展起来的数字仿真给出了新的思路。

数字岩心技术是基于实际岩心数字化或模拟的技术。根据数字岩心技术，数字岩心模型具有与真实岩心相似的孔隙特征和组分特征。因此，可以在计算机中模拟岩石物理实验条件，在数字岩心模型上进行类似的实验方法，并获得相应的模拟数据。与传统的岩石物理实验相比，数字岩心技术具有速度快、成本低、精度高、可重复性好等优点，可以在微观尺度上定量考察各种因素对宏观物性参数的影响。本文主要介绍数字岩心重构的几种方法及其在油气行业的应用[1-2]。

1数字岩心建模方法

数字岩心建模方法[3-9]根据建模数据来源可分为两种:物理重建和数值重建。物理重建就是完全用外部数据重建数字岩心，而不是用计算机模拟岩心的结构元素。数值重建部分依赖于外部数据，然后用计算机模拟整个数字岩心。

有几种常见的物理重建方法:序列成像、MRI、X射线计算机断层扫描(X-CT)扫描和聚焦离子束电子显微镜(FIB-SEM)扫描[10-12]。数值重建可以分为两类:随机法和过程法。随机方法包括:完全随机法、高斯场法、序贯指示模拟法、模拟退火算法、多点统计法和马尔可夫链& mdash蒙特卡罗方法(MCMC方法)。

1.1X X射线计算机断层扫描(X-CT)

基本原理是从大量投影数据中重建图像。CT设备将X射线投射到实验样品上，根据投射射线的衰减确定被测物体的密度分布图像，从而获得核心内部结构的详细信息。其核心是利用采集的数据求解图像矩阵中每个像素的吸收系数，进而重构图像。

X-CT扫描法建立数字岩心主要包括三个步骤:①预处理岩石样品，然后进行CT实验(图1)获得投影数据；②选择图像重建方法从投影数据中重建岩心灰度图像；③采用图像二值分割方法，将灰度图像中的孔隙空和岩石骨架分离，建立数字岩心(图2)。

1.2X射线计算机断层摄影随机方法

随机方法有很多种，这里只简单介绍一下MCMC方法。MCMC方法源于马尔可夫随机场在图像处理中的广泛应用。这个链描述了一个状态序列，序列中每个位置的状态值依赖于前面有限个位置的状态，这个状态的概率称为转移概率。MCMC方法重建图像的关键点是利用转移概率给每个像素分配一个值，然后进行重建[13-17]。

二维图像可以看作一个矩阵，矩阵中的元素代表图像中的像素。第一行从左到右蜿蜒，然后从上到下，按照一定的规则得到转移概率。比如第一个元素的值由孔隙度赋值，第二个元素的值根据第一个元素得到，第三个元素由前两个元素得到& hellip& hellip第二行从右到左，从第一行最右边两个元素的联合概率得到第一个元素，从上面三个元素和第一个元素得到第二个元素，以此类推，从而得到整个矩阵的元素(图3)。在平面上，原则上采用两点相关和四点相关。虽然相关元素越多，数字核心越精确，但这必然会使模型更加复杂。

三维的情况是二维的扩展，选取的相关元素更复杂。

1.3过程方法

方法是模拟岩石的成岩过程，包括沉积、压实、成岩三个过程，获得数字岩心(图4)。

沉积过程模拟的原理是颗粒的堆积。堆叠颗粒的颗粒尺寸通过使用岩心颗粒尺寸和岩心数据如压汞来确定。一般情况下，粒子被设置为规则体& mdash& mdash& mdash球体。然后按照一定的规则排列粒子。压实过程的模拟是模拟沉积过程中产生的上覆压力。根据实际岩心的孔隙度控制模拟过程的强度。成岩作用是将未固结的松散沉积物变成岩石的过程。在颗粒表面会发生岩石溶解和矿物沉淀，使单个松散颗粒胶结在一起，形成多孔固体岩石。模拟过程是模拟应时水泥在颗粒表面的生长。

数字核心技术的应用

数字可以显示核心的全貌，甚至其内部结构[18-20]。这为研究者研究微观因素对宏观因素的影响创造了条件，因此数字岩心的应用大多集中在微观因素的研究上。

2.1岩石结构勘探

寻找岩石结构是数字岩心最基础的应用研究。岩心研究，无论是固体岩心还是数字岩心，本质上都是寻找储层，固体能源如煤，其流体储存在孔隙中，也是岩石成分。由于流体储存在孔隙中，所以有必要研究孔隙。岩石结构的研究有助于流体渗流和岩石性质等更深层次问题的研究。孔隙的研究仅限于当时的手段，孔隙模拟只能用简单的管束代替。然后随着理论的进步和完善，孔隙的模拟向更精确的方向发展，比如腐蚀和拓扑学的应用。到目前为止，已经使用数字岩心建立了孔隙网络模型(图5)，可以更细致、更精细地反映岩石结构的复杂程度。

2.2流体渗漏

流体在岩石中的流动一直备受关注，因为流体渗流的研究关系到油气的开采。

渗流一直是流体力学中的一个复杂问题。在岩石孔隙中更为复杂，尤其是当孔隙中含有多相流体时。在虚拟岩心上，润湿性可控，流体的流动过程可控，实验可重复，实验周期短，有利于研究人员清晰地认识和研究岩石的渗流过程。

2.3岩石的各种特性

根据不同的方向，岩石的性质是不同的，但总的来说，是为了孔隙度、渗透率和饱和度。之前的两个应用也是基于此。孔隙结构与孔隙度有关，渗流特征与渗透率有关。然而，这里所研究的岩石的性质是从上述三个参数中间接获得的。例如，岩石的电学和声学研究。

无论是电学研究还是声学研究，最基本的都是把磁芯当作一种复合材料来对待。核心研究是研究这种复合材料的性质，电学研究是电导率研究，声学是电导率研究。

在电学性质方面，研究最多的是电学参数A、B、M、N。电参数是与饱和度计算相关的重要参数。过去由于取心成本高，电性实验岩心数量少，给岩心研究带来困难。现在的数字岩心技术可以模拟大量的岩心数据，从而可以基于大量的数据研究岩石的电性特征，提高结论的准确性。

3数字核心的发展

与国外相比，国内对数字岩心的研究起步较晚，但发展很快。一些研究机构在数字岩心的某些方面甚至超过了国外水平。虽然对数字岩心已经做了大量的研究，但仍有许多问题有待解决。这就决定了未来数字核心的发展方向[11，17-18，20]。

(1)对于物理重建的数字岩心，一方面由于分辨率的限制，精度不够，真实岩心的许多微小结构丢失，但提高分辨率必然会使数字岩心的尺寸变大。要解决这个问题，需要平衡分辨率和尺寸，使数字核心达到稳定状态；另一方面，由于实际岩心的异质性，在数字岩心上的反映可能不完全。毕竟数字核心的每个像素都是像素面积的平均值，会造成构图计算的误差。对于数字重建的数字岩心，它反映在计算速率中。大规模数字岩心对模型的成熟度要求更高。

(2)数字岩心实际上是像素的集合，必然需要图像分割。不同的分量由不同的像素值表示。由于数字核心的异构性，一些组件是相似的。如何合理设置像素值，有效区分不同分量成为一大难题。

(3)针对以上两个问题，有以下解决方案:开发多尺度数字岩心，用不同的尺度表示不同的重要区域；对数字岩心进行粗化处理，通过拓扑精确标记孔隙结构，从而减少数字岩心模型计算中对计算机资源的占用。根据图像学的内容，我们可以探索新的成像技术，优化现有的成像技术，找到更准确的矿物成分与像素值的关系。

4结论

数字岩心技术是一种研究岩石微观结构的方法。创建3D数字岩心的方法有很多种，各有利弊。需要根据实际要求和标准来选择方法。岩石微观结构复杂，内部流体力学难以用方程或图像直观描述，给研究带来很大困难。随着计算机技术的不断进步，多学科的综合应用在帮助科研人员解决困难方面有很大的前景。