页岩中孔喉连通性的三维重建：一种SAXS-MICP集成框架

《Marine and Petroleum Geology》：3D Reconstruction of Pore Throat Connectivity in Shale: An SAXS-MICP Integrated Framework

数字岩石技术通过耦合多物理场模拟优化储层开发方案，但传统CT技术难以处理孔隙率<5%的低渗样本，导致纳米级喉道识别不足和重建孔隙网络不真实。本研究创新性引入小角X射线散射（SAXS）技术，结合汞入射毛细管孔隙度测量（MICP）和快速高斯随机场方法，优化了Delaunay三角剖分和最小生成树算法，成功构建了低孔隙率页岩多尺度孔隙网络模型，为储层表征和流体迁移机制研究提供了新方法。

　　数字岩技术是近年来地质科学与能源工程领域的重要研究方向，它通过模拟储层在多种物理场耦合作用下的动态响应，为开发方案的优化提供了科学依据。该技术借助虚拟实验手段，能够深入分析储层内部的复杂结构，揭示流体在其中的运移机制，从而为油气田开发和地质能源应用提供强有力的支持。然而，传统的X射线计算机断层扫描（CT）技术在处理低孔隙度样本（孔隙度低于5%）时存在明显局限，其在识别纳米级喉道结构方面的能力不足，导致重建的孤立孔隙网络与实际情况存在较大偏差。此外，CT技术在分辨率与视野范围之间也难以达到平衡，同时实验成本和效率问题也制约了其广泛应用。

为了解决这些问题，本研究创新性地引入了小角X射线散射（SAXS）技术。该技术具有广泛的测试范围、良好的样品代表性以及快速的测试能力，能够在短时间内完成对复杂岩样的分析。与传统的CT技术相比，SAXS技术能够更准确地捕捉岩石内部的微观结构信息，特别是对于孔隙和基质之间的散射长度密度（SLD）进行量化测量，从而提供更为客观和精确的参数。这些参数对于构建具有真实连通性的数字岩模型至关重要。

本研究采用了一种快速的高斯随机场方法（GRF）进行三维重建，结合了Delaunay三角剖分和最小生成树算法，对孔隙网络结构进行了优化。同时，研究还整合了通过汞渗透毛细管压力数据获得的喉道参数，以提升模型的准确性。最终，成功构建了一个具有真实连通性的低孔隙度多孔介质模型，为详细储层表征和流体运移机制研究奠定了坚实的基础。

在实际应用中，数字岩技术不仅限于油气田开发，还广泛应用于地质能源领域，如页岩气开采、二氧化碳封存、氢气储存、地热开发以及天然气水合物开采等。这些应用均需要对岩石的微观结构进行深入理解，以评估其对流体运移能力的影响。此外，数字岩技术还能够为新型储层刺激技术的开发提供技术支持，例如二氧化碳驱替和微波辅助生产增强等。这些技术的发展对于提高储层开发效率和资源利用率具有重要意义。

然而，当前的数字岩建模技术仍面临诸多挑战。一方面，高精度的成像方法，如扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）以及微/纳米CT扫描，虽然能够捕捉岩石内部的详细结构，但这些方法在规模、成本和耗时方面存在限制，使得其难以在大规模测试中广泛应用。另一方面，传统的二维-三维重建方法往往过于依赖图像质量和经验性分割参数，导致重建结果不够理想。因此，如何在保证重建精度的同时，降低实验成本和提高效率，成为当前研究的热点问题。

为应对这些挑战，本研究提出了一种创新的混合重建模型，称为SAXS-MICP-HRM。该模型结合了SAXS和汞渗透毛细管压力（MICP）技术的优势，能够更准确地捕捉岩石内部的微观结构特征和喉道连通性。具体而言，研究首先利用SAXS技术获取孔隙结构的总体信息，再通过Delaunay三角剖分和孤立孔隙过滤方法，对这些数据进行优化处理，构建出更加精确的最小生成树网络。随后，研究整合了通过MICP获得的关键参数，如喉道曲折度和孔隙与喉道的比例，以进一步提高模型的几何和拓扑精度。最终，通过这一混合方法，成功构建了一个具有真实连通性的低孔隙度多孔介质模型，为后续的热力学和质量传输研究提供了可靠的几何和拓扑基础。

在实际应用中，该混合模型不仅能够提升多尺度孔隙网络模型（PNM）的精度，还能够为研究复杂岩样中的流体运移机制提供更加精确的框架。此外，该模型在评估岩石微观结构对宏观变形特性的影响方面也具有重要意义。例如，研究发现，页岩中的纳米级结构和矿物分布对岩石的宏观变形特性产生显著影响，这为理解页岩在开采过程中的行为提供了新的视角。因此，该模型的应用不仅有助于提高储层开发效率，还能够为优化开发方案提供科学依据。

本研究的成果对于推动数字岩技术的发展具有重要意义。首先，通过引入SAXS技术，弥补了传统CT技术在处理低孔隙度样本时的不足，使得研究人员能够更全面地了解岩石的微观结构特征。其次，通过结合GRF方法和最小生成树算法，实现了对孔隙网络结构的优化，提高了模型的准确性。此外，通过整合MICP获得的喉道参数，使得模型能够更真实地反映岩石的几何和拓扑特性，从而为后续的流体运移模拟和储层表征研究提供可靠的基础。

在实验过程中，研究人员对来自中国南方海相长maxi组的页岩样本进行了系统性的多尺度表征。为了获取更全面的数据，研究团队采取了多种样本制备方法。首先，从完整的岩芯中切割出立方体样本（1 cm3），用于汞渗透毛细管压力测量。其次，采用金属显微镜抛光技术制备薄片样本（5 mm × 5 mm × 0.2 mm），用于同步辐射SAXS分析。同时，利用高精度金属切割技术提取出微芯柱样本（直径1 mm），用于CT成像。这些样本制备方法为研究提供了丰富的数据支持，使得研究人员能够从不同角度分析岩石的微观结构特征。

在CT扫描分析方面，研究团队采用了高分辨率亚微米CT扫描技术，结合数值重建和灰度差分分析，成功识别出页岩中的孔隙、裂缝、矿物基质和高密度成分。初步的灰度核心重建结果显示，页岩中存在发育良好的裂缝，贯穿岩芯的整个XY平面。然而，这些裂缝的孔隙度偏高，影响了其在流体运移过程中的有效性。进一步的流体模拟研究表明，尽管在微观尺度上这些裂缝能够提供一定的流体通道，但在宏观尺度上，其对流体运移能力的影响仍然有限。

此外，研究还对SAXS和MICP技术的结合进行了统计分析。研究团队利用二点相关函数分析了岩石内部的结构特征，结果显示，CT测试、SAXS测量和基于SAXS的重建结果在总体趋势上相似，但在小尺度观测下，SAXS-MICP-HRM模型的值略高于实验数据。这主要是由于喉道结构的尺度过于微小，难以在实验中完全捕捉。因此，如何在保持重建精度的同时，提升模型对小尺度结构的识别能力，成为研究的重要方向。

综上所述，本研究通过引入SAXS技术，结合GRF方法和最小生成树算法，构建了一个具有真实连通性的低孔隙度多孔介质模型。这一模型不仅提高了数字岩技术的精度，还为后续的热力学和质量传输研究提供了可靠的基础。研究团队的成果对于推动数字岩技术的发展具有重要意义，同时也为地质能源领域的实际应用提供了新的思路和方法。未来，随着技术的不断进步，数字岩建模将在更多领域发挥重要作用，为提高资源利用率和开发效率提供科学支持。