一种应用CT测量多孔介质内CO2‑盐水界面面积变化的方法与流程

本发明属于多孔介质内多相流体流动测量技术领域，涉及一种应用ct测量多孔介质内co2-盐水界面面积变化的方法。

背景技术：

二氧化碳盐水层封存技术将百万吨co2注入到盐水层中，导致复杂的多相流体运移过程。在地层环境中，移动的co2羽会在羽后及其周围产生大量的索状气泡簇。随着被co2占据的孔隙周围的盐水逐渐吸渗入孔隙当中，co2气泡簇将慢慢溶解在侵入的盐水中，该过程的时间尺度与两相间的传质速率有关。当co2与未饱和co2的盐水接触时，两相间的传质主要发生在co2-盐水界面处。co2逐渐溶解于盐水中并在两相界面处形成浓度梯度层，同时co2与盐水的运移过程，如对流、弥散与吸附等，将影响co2-盐水界面的面积，进而影响两相间的传质速率。并且由于地下储层多为复杂孔隙结构，co2-盐水间的传质会受到多孔介质非均质性的影响，展现出不同的co2-盐水界面形貌。定量化描述多孔介质内co2-盐水间的界面面积将增加对于地下co2羽在盐水层中运移和传质的理解和认识。两相界面处的传质速率是驱动力与两相之间界面面积的函数，因此对两相界面面积进行测量和归纳，得到一系列的co2-盐水界面面积变化特性参数，将提高对于co2-盐水间传质速率的预测精度，拓展对传质和渗流现象的认识。

现有的技术手段主要集中在对于非水相液体与水相间的界面面积测量中，通过直接或者间接手段缩小测量误差。常用的非水相液体-水相界面测量方法包括界面分配示踪法、光学探针法、二维摄像法与同步x射线ct成像法等。

界面分配示踪法是一种基于示踪剂在两相交界面处吸附造成迁移延迟的测定方法，目前应用于界面分配示踪法的保守示踪剂主要有十二烷基苯磺酸钠(sdbs)、五氟苯甲酸(pfba)和其他卤化物(如cabr2、nacl)等。由于多孔介质的微表面结构具有表面粗糙度的非均质性，诸如凹坑，缝隙和微孔等特征将影响这些示踪剂的迁移，使其产生不同程度的吸附作用。当同时采用多种示踪剂时，介质吸附作用将会增大，使示踪剂产生滞留或降解，进而影响实验结果。光学探针法根据光纤在不同流体中的端面反射率不同，利用光通过光纤端面反射光强不同来判断探针在两相中的深度位置，实现对界面面积的测量。其需要其他方法预先设定基准，且在多孔介质内设置探头会严重干扰流体在探头周围的流动状况，导致界面面积测量误差较大。二维摄像法通过摄像机拍摄并记录两相在二维砂箱等多孔介质内的界面变化，其所获得的图像只是靠近壁面处的界面分布情况。当其应用于多孔介质内的界面观测时，由于多孔介质与壁面间的孔隙将大于其内部孔隙，会导致较为严重的壁面效应进而影响对两相界面的有效测定。同步x射线成像法对多孔介质进行三维扫描并成像。通过基于ct图像测量到的界面区域直接且明确地展示出关于界面面积分类的相关知识。其测量过程大多是采用预先混合非水相液体、水和多孔介质，或者通过向多孔介质内持续注入非水相液体和水，来设定非水相液体相在水中的残余饱和态，并没有考虑到真实环境中两相间的传质对于界面变化的影响。且大多采用单一注入方向进行，未能考虑流场受到重力影响而产生的界面变化。

考虑到co2-盐水在实际地层环境中的特性，其传质过程将受到非均质性、温度压力、流速与重力等因素的影响，上述技术手段对于co2-盐水传质过程中的界面面积变化的测定均有一定的不足。

实际地层环境中如40℃、8mpa时co2在盐水中溶解度为1.19mol/l。因此随着盐水的持续注入，两相间的非稳态传质将导致两相间界面逐渐变化。少量界面随着co2气泡的重新运移和融合而增大，同时大部分界面将随着co2气泡溶解于盐水中而缩小。当两相达到相平衡态时，部分界面将会随着co2气泡彻底溶解于盐水中而消失。在实际地层环境中，非均质性会极大地影响盐水的流态发展与co2-盐水间的非稳态传质，导致不同区域的界面面积变化出现较大差异，因此在界面面积变化测量时必须总结非均质性对于co2-盐水间界面的影响。考虑到重力的影响，当盐水流动方向不同时co2与盐水的较大密度差将使得盐水的流动路径发生变化，且在不同的盐水流速下流动路径将受到毛细管力、粘性力和重力等作用力的不同程度的影响，进而影响流动路径周围的co2-盐水界面，产生一定的界面分化现象。对多孔介质内co2-盐水界面面积在不同条件下的变化差异，需要测量和归纳得到不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化特性参数，才能真实可信地表征co2-盐水的传质和渗流特性。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述现有技术中存在的问题，开发一种应用ct测量多孔介质内co2-盐水界面面积变化的方法，用于动态测量多孔介质内co2-盐水间传质过程中的界面面积变化，并归纳得到不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化特性参数。其应用ct获得连续变化的co2-盐水界面图像，并由co2-盐水界面在空间上的连续性分布实现对互不相连的co2-盐水界面面积的直接测量，消除了方法相关的系统误差的潜在来源。通过对不同注入条件下的co2-盐水间传质过程的持续拍摄，探究了不同因素对于co2-盐水界面特性参数的各种影响，完善了传质和渗流理论体系。

本发明的技术方案是：

该方法首先制备含有碘化钾的盐水，以增强co2-盐水的图像对比度。再用ct连续扫描获得饱和co2和不同注入条件下非稳态的多孔介质的图像。使用滤波器去除噪点，并进行阈值处理，生成只含有0和1的饱和co2和不同注入条件下的二值化图像。并将两种图像堆栈做差，获得盐水在二值化图像中的分布区域。提取co2和盐水的分布区域的边缘并求并集，生成co2-盐水界面的二值化图像片层堆栈。通过确定并测量互不相连的co2-盐水界面面积，得到多孔介质内不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化。再计算每一图像片层堆栈中的盐水饱和度，归纳得到不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化特性参数。

具体步骤如下：

第一步，制备含有碘化钾的盐水；

向盐水中加入碘化钾，使盐水溶液密度不小于多孔介质密度的80％，以增强co2-盐水的图像对比度；

第二步，用ct连续扫描获得饱和co2和不同注入条件下非稳态的多孔介质的图像；

在注入盐水前，利用ct扫描获得饱和co2的多孔介质的图像片层堆栈；再以不同注入条件注入盐水，同时利用ct连续扫描，获得不同注入条件下多孔介质内气泡随盐水注入体积变化的非稳态图像片层堆栈，直至达到稳态时停止扫描；

第三步，生成饱和co2和不同注入条件下的二值化图像；

根据第二步所得的图像片层堆栈，采用滤波器去除图像噪点，然后利用co2与盐水或者多孔介质的密度相差较大的原理，进行阈值处理，生成0/1二值化数据图像片层堆栈，其中0代表盐水或多孔介质，1代表co2；

第四步，生成不同注入条件下的co2-盐水界面的二值化图像；

根据第三步生成的图像片层堆栈，将不同注入条件下与饱和co2的二值化图像片层堆栈做差，获得盐水在二值化图像中的分布区域；再提取co2和盐水的分布区域的边缘求并集，生成不同注入条件下的co2-盐水界面的二值化图像片层堆栈，并由co2-盐水界面在空间上的连续性分布确定互不相连的co2-盐水界面；

第五步，测量co2-盐水界面面积，得到多孔介质内不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化；

根据第四步生成的图像片层堆栈，测量互不相连的co2-盐水界面面积，得到多孔介质内不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化，再计算每一图像片层堆栈中的盐水饱和度，归纳得到不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化特性参数，其中包括界面面积频率分布、最大界面面积、界面面积方差、平均界面面积、界面面积-盐水饱和度关系和相对界面面积-盐水饱和度关系性质参数，即为了能更加精确的描述多孔介质内co2-盐水界面面积变化，由特性参数得到不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化模型。

进一步地，所述的注入条件包括注入速度、注入方向、注入温度和注入压力中的一种或几种。

进一步地，第三步所述的滤波器为非本地平均滤波器。

本发明的有益效果是：

上述技术方案利用x射线ct对co2-盐水界面面积直接进行测量，可以避免对co2-盐水在多孔介质中的流动产生干扰，真实可信地展现出co2-盐水界面面积实时变化。通过对co2-盐水传质过程中界面面积随着盐水的注入而逐渐变化这一过程进行动态测量，有效表征了非稳态下两相界面面积与注入盐水体积的非线性关系。同时测量每个单独的co2-盐水界面面积有助于对两相界面进行聚类分析，通过频率分布统计了不同尺寸界面的各方面特性随着传质过程的进行而发生的变化。通过分析多孔介质中局部非均质性与该区域内界面面积变化的关系，总结了各类非均质结构对于co2-盐水界面面积变化的促进或者抑制作用。在不同流速和重力条件下多孔介质内的盐水具有不同流态，本方法揭示了流动机制和重力效应对于co2-盐水界面面积变化的不同程度影响。通过归纳不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化特性参数，阐明了界面面积的频率分布等特征的理论意义与应用价值，验证了界面面积与盐水饱和度之间的线性关系。提出了不同流速和重力条件及多孔介质的非均质性对界面面积-盐水饱和度线性关系的影响，完善了传质和渗流理论体系。

附图说明

图1是应用ct测量多孔介质内co2-盐水界面面积变化的方法流程图。

图2(a)是40℃、8mpa时饱和co2的多孔介质内部的某一片层图像示意图。

图2(b)是40℃、8mpa时盐水以0.005ml/min速度向上注入过程中多孔介质内部的某一片层图像示意图。

图2(c)是40℃、8mpa时盐水以0.04ml/min速度向下注入过程中多孔介质内部的某一片层图像示意图。

图3(a)是40℃、8mpa时饱和co2的多孔介质内部的某一片层二值化图像示意图。

图3(b)是40℃、8mpa时盐水以0.005ml/min速度向上注入过程中多孔介质内部的某一片层二值化图像示意图。

图3(c)是40℃、8mpa时盐水以0.04ml/min速度向下注入过程中多孔介质内部的某一片层二值化图像示意图。

图4(a)是40℃、8mpa时盐水以0.005ml/min速度向上注入过程中co2-盐水界面的某一片层二值化图像示意图。

图4(b)是40℃、8mpa时盐水以0.04ml/min速度向下注入过程中co2-盐水界面的某一片层二值化图像示意图。

图5(a)是40℃、8mpa时盐水以0.005ml/min速度向上注入过程中不同注入盐水体积下的co2-盐水界面面积频率分布图。

图5(b)是40℃、8mpa时盐水以0.04ml/min速度向下注入过程中不同注入盐水体积下的co2-盐水界面面积频率分布图。

图5(c)是40℃、8mpa时盐水以0.005ml/min速度向上注入过程中co2-盐水的最大界面面积、界面面积方差、平均界面面积与盐水饱和度关系图。

图5(d)是40℃、8mpa时盐水以0.04ml/min速度向下注入过程中co2-盐水的最大界面面积、界面面积方差、平均界面面积与盐水饱和度关系图。

图5(e)是40℃、8mpa时盐水以0.005ml/min速度向上注入过程中不同注入盐水体积下的co2-盐水界面面积与盐水饱和度关系图。

图5(f)是40℃、8mpa时盐水以0.04ml/min速度向下注入过程中不同注入盐水体积下的co2-盐水界面面积与盐水饱和度关系图。

图5(g)是40℃、8mpa时盐水以0.005ml/min速度向上注入过程中co2-盐水相对界面面积与盐水饱和度关系图。

图5(h)是40℃、8mpa时盐水以0.04ml/min速度向下注入过程中co2-盐水相对界面面积与盐水饱和度关系图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例是在40℃、8mpa条件下，应用ct测量不同注入条件下的多孔介质内co2-盐水界面面积变化。

第一步，制备含有碘化钾的盐水；

向100毫升盐水中加入9克碘化钾，使盐水溶液密度约等于多孔介质密度的83.7％，以增强co2-盐水的图像对比度；

第二步，用ct连续扫描获得饱和co2和不同注入条件下非稳态的多孔介质的图像；

设定温度压力为40℃、8mpa；在注入盐水前，将填充多孔介质与co2的高压容器与实验系统连接，利用ct扫描获得饱和co2的多孔介质的图像片层堆栈；再设定盐水注入流速和方向为0.005ml/min速度向上注入和0.04ml/min速度向下注入，向高压容器内持续注入盐水，同时利用ct连续扫描，获得不同注入条件下多孔介质内气泡随盐水注入体积变化的非稳态图像片层堆栈，直至达到稳态时停止扫描。获得饱和co2和不同注入条件下多孔介质内部的某一片层图像如图2所示。

第三步，生成饱和co2和不同注入条件下的二值化图像；

根据第二步所得的图像片层堆栈，采用非本地平均滤波器去除图像噪点，然后利用co2与盐水或者多孔介质的密度相差较大的原理，进行阈值处理，生成0/1二值化数据图像片层堆栈，其中0代表盐水或多孔介质，1代表co2。生成饱和co2和不同注入条件下的某一片层二值化图像如图3所示。

第四步，生成不同注入条件下的co2-盐水界面的二值化图像；

根据第三步生成的图像片层堆栈，将不同注入条件下与饱和co2的二值化图像片层堆栈做差，获得盐水在二值化图像中的分布区域；再提取co2和盐水的分布区域的边缘并求并集，生成不同注入条件下的co2-盐水界面的二值化图像片层堆栈，并由co2-盐水界面在空间上的连续性分布确定互不相连的co2-盐水界面。生成不同注入条件下的co2-盐水界面的某一片层二值化图像如图4所示。

第五步，测量co2-盐水界面面积，得到多孔介质内不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化；

根据第四步生成的图像片层堆栈，测量互不相连的co2-盐水界面面积，得到多孔介质内不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化，再计算每一图像片层堆栈中的盐水饱和度，归纳得到不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化特性参数，其中包括界面面积频率分布、最大界面面积、界面面积方差、平均界面面积、界面面积-盐水饱和度关系和相对界面面积-盐水饱和度关系性质参数，如图5所示。即为了能更加精确的描述多孔介质内co2-盐水界面面积变化，则由这些特性参数得到不同注入条件下的co2-盐水界面面积变化模型。