馬天壽，陳平

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)））

0 引言

頁巖氣是一種以游離或吸附狀態(tài)存在于頁巖層或泥巖層中的非常規(guī)天然氣[1-2]，存在于幾乎所有的盆地中，由于埋藏深度、含氣飽和度等差異較大，分別具有不同的工業(yè)價(jià)值。頁巖氣高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要是水平井鉆井技術(shù)和分段壓裂改造技術(shù)[3-4]。井壁失穩(wěn)問題是鉆井工程中經(jīng)常遇到的復(fù)雜問題之一[5]，在硬脆性頁巖地層鉆水平井使井壁失穩(wěn)問題更加突出，容易導(dǎo)致卡鉆、埋鉆等井下復(fù)雜事故，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

考慮泥頁巖水化的井壁穩(wěn)定相關(guān)研究，主要經(jīng)歷了純力學(xué)研究→鉆井液化學(xué)研究→力學(xué)-化學(xué)（M-C）耦合研究→熱-水-力-化學(xué)（T-H-M-C）多場耦合研究等幾個(gè)階段[6]。井壁穩(wěn)定通常需要具備3個(gè)要素[7]：合理的鉆井液密度、足夠的鉆井液抑制性和足夠的鉆井液封堵能力。這 3個(gè)要素的合理范圍難以確定，其主要原因在于缺乏準(zhǔn)確測量和評價(jià)鉆井液性能的方法，無法建立坍塌壓力與M-C耦合間的定量關(guān)系。因此，泥頁巖井壁穩(wěn)定研究難點(diǎn)仍集中于M-C耦合，頁巖水化問題是關(guān)鍵。過去幾十年已有大量針對井壁穩(wěn)定 M-C耦合的研究，研究重點(diǎn)是定量描述化學(xué)作用引起的力學(xué)效應(yīng)的理論方法，目前能夠用于定量計(jì)算的理論方法有兩種：熱彈性比擬法和水分子自由能熱動(dòng)力學(xué)理論法[7-8]。但這兩種方法仍然不能有效解決M-C耦合問題，因?yàn)榻⒍棵枋龇椒ǖ幕A(chǔ)是先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法，而盡管國內(nèi)外已有多種評價(jià)M-C耦合的實(shí)驗(yàn)方法，但并不能完全滿足需求，且對硬脆性頁巖地層M-C耦合井壁穩(wěn)定的研究還比較少。

根據(jù)巖土損傷力學(xué)基本原理[9]，深部地層中頁巖的破壞也是一種累積損傷過程，通過巖石三軸實(shí)驗(yàn)可以對其進(jìn)行評價(jià)，但并不能有效評價(jià)頁巖損傷的細(xì)觀過程，宏觀與細(xì)觀研究相結(jié)合的方法已成為巖石力學(xué)研究的重要手段[10]。由于 CT技術(shù)能在無損傷條件下以二維斷面圖像或三維立體圖像的形式展示被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺損狀況，越來越多的研究者利用 CT技術(shù)對巖土材料在不同荷載作用下的細(xì)觀力學(xué)行為進(jìn)行研究[11-12]。此外，水化作用下頁巖宏觀破壞實(shí)驗(yàn)不具備重復(fù)性，采用CT技術(shù)分析水化對頁巖損傷的影響，可以為定量描述化學(xué)作用提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。石秉忠等[13]采用 CT技術(shù)研究了頁巖水化裂縫的拓展，賈利春等[14]采用 CT技術(shù)研究了火山巖水力裂縫的延伸規(guī)律，但在石油天然氣開發(fā)領(lǐng)域，研究者主要采用 CT技術(shù)表征巖石的微觀孔隙特征并建立數(shù)字巖心[15-17]。另外，劉向君、盧運(yùn)虎等對頁巖水化的巖石力學(xué)特性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究[18-19]，但仍然只是宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，還未見采用CT技術(shù)定量研究頁巖水化細(xì)觀損傷特性。

本文采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，充分利用CT圖像中的信息，研究頁巖水化過程中的細(xì)觀損傷特性，并分析損傷變量與水化的關(guān)系，為定量研究頁巖水化問題提供新的思路和方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

CT掃描實(shí)驗(yàn)采用MicroXCT-400型CT機(jī)，該CT機(jī)是采用X射線的高分辨率3D成像系統(tǒng)，最大射線源電壓120 kV，焦點(diǎn)尺寸5 μm，空間分辨率1.5 μm，要求巖樣直徑小于200 mm且質(zhì)量小于15 kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)巖樣

CT掃描實(shí)驗(yàn)巖樣取自威遠(yuǎn)氣田龍馬溪組露頭頁巖，沿著頁巖層理方向鉆取，為巖石力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)測試巖樣（25 mm×50 mm）。對龍馬溪組頁巖進(jìn)行了全巖礦物和黏土礦物的X-衍射分析，結(jié)果表明：龍馬溪組頁巖石英含量40.19%，碳酸鹽含量26.24%，黏土礦物含量37.33%，其中黏土礦物以伊利石發(fā)育為特點(diǎn)，伊利石相對含量達(dá)75.40%左右，其次是綠泥石、伊蒙混層、綠蒙混層和高嶺石，相對含量分別為15.67%、8.43%、4.00%和3.67%，說明龍馬溪組頁巖屬于中硬—硬脆性頁巖，即頁巖水化膨脹作用相對較弱。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究頁巖水化過程中的細(xì)觀損傷特性，將巖樣在常溫、常壓環(huán)境中浸泡，浸泡液體為清水，并在不同的水化階段（初始、5 d后、10 d后和15 d后）沿垂直方向?qū)r樣進(jìn)行上、中、下 3個(gè)斷面的掃描?？紤]到需要提取同一掃描斷面的CT圖像，為了保證掃描斷面定位的準(zhǔn)確性，將巖樣放置在一個(gè)不影響X射線能量衰減的透明容器中，并固定巖樣的位置，防止拆卸、安裝過程中巖樣在容器中位置發(fā)生改變，通過容器上的位置標(biāo)示確定安裝位置。浸泡巖樣時(shí)，沿容器壁加入浸泡液體。掃描時(shí)通過容器底部的排液閥排出容器內(nèi)液體再進(jìn)行掃描。

2 頁巖水化細(xì)觀損傷特性分析

2.1 CT掃描灰度圖像

圖1為不同水化階段巖樣下部的CT掃描二維斷面圖像，密度越大表現(xiàn)為圖像越亮，密度越小表現(xiàn)為圖像越暗，裂縫、孔隙的密度最小，在圖中表現(xiàn)為黑色。由圖 1可知：未浸泡時(shí)，巖樣內(nèi)部基本不存在裂隙，巖樣內(nèi)部顏色較暗的條紋呈定向排列，其方向大致為北東—南西偏東方向，根據(jù)CT掃描原理可知，這些定向排列的暗色條紋為頁巖的層理面；從CT圖像中可以比較清晰地分辨出不同水化階段巖樣內(nèi)部的損傷裂隙及其拓展情況，隨著頁巖水化時(shí)間的增加，頁巖巖樣出現(xiàn)微裂隙形成→擴(kuò)展→宏觀破壞的演化過程，而且?guī)r樣在浸泡5 d內(nèi)微裂隙快速發(fā)育，之后微裂隙發(fā)育相對緩慢。

圖1 不同水化階段巖樣下部斷面CT掃描圖

2.2 CT圖像偽彩色增強(qiáng)

由于肉眼對灰度圖像的分辨能力較弱，研究者不能直觀地觀察CT圖像，必須借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)才能進(jìn)行識別。因此，采用灰度級-彩色變換法對 CT圖像進(jìn)行偽彩色增強(qiáng)，即將灰度圖像送入紅、綠、藍(lán)3個(gè)變換器合成為彩色圖像（見圖 2），該過程可以理解為紅、綠、藍(lán)三原色傳遞函數(shù)IR(x,y)、IG(x,y)、IB(x,y)與灰度值g(x,y)間的映射變換[20]，變換得到的彩色圖像可增強(qiáng)CT圖像的視覺分辨率，便于判斷微裂隙的演變情況。

圖2 灰度級-彩色變換流程[20]

圖 3是采用灰度級-彩色變換法得到的頁巖巖樣CT掃描圖像的偽彩色增強(qiáng)圖，圖中橙色部分為細(xì)觀損傷區(qū)域，紅色部分為未損傷區(qū)域。由圖 3可以更加清晰地辨別頁巖巖樣內(nèi)部的微裂隙特征，視覺分辨率比CT掃描灰度圖像更好。

圖3 CT圖像偽彩色增強(qiáng)結(jié)果

2.3 CT圖像完整度與破損度

盡管將 CT圖像進(jìn)行偽彩色增強(qiáng)可以增加視覺分辨率，但CT圖像中CT數(shù)分布范圍廣、不利于定量分析，因此，可采用完整度和破損度進(jìn)行定量分析[9]。定義 CT圖像為全域，全域中任意部位都可看作是完整的，只是完整程度不同，則圖像中某點(diǎn)完整度為[9]：

與完整度相對應(yīng)（對偶），定義破損度為[9]：

完整度是對空間各點(diǎn)完整程度的描述，而破損度是對空間各點(diǎn)破損（損傷）程度的描述。若空間點(diǎn)完全斷裂開或?yàn)榭諝?，則完整度為0，破損度為1，若空間點(diǎn)是密度最高點(diǎn)，則完整度為1，破損度為0，即完整度和破壞度是 0～1的數(shù)值。因此，完整度和破損度是對CT數(shù)的歸一化處理，使CT圖像的定量分析更便捷。

圖4和圖5是根據(jù)CT圖像計(jì)算得到的完整度和破損度表面圖，可以看出：下部掃描斷面各點(diǎn)的完整程度和破損程度均存在較大差異，頁巖基巖所在的區(qū)域完整度較大、破損度較小，微裂隙、孔隙所在的區(qū)域完整度較小、破損度較大。

圖4 完整度表面圖

圖5 破損度表面圖

2.4 CT圖像灰度值及灰度直方圖

巖石內(nèi)部不同物質(zhì)、孔隙、裂隙的分布情況可由CT圖像的灰度值體現(xiàn)[11]。因此，裁剪出圖1b所示的CT圖像的局部（見圖6a），并在局部視圖中繪制3條橫線（Line1、Line2、Line3），取出3條橫線上各點(diǎn)的灰度值，繪制出沿這3條橫線的灰度值變化情況圖（見圖 6b）。

由圖 6可知：①同一條橫線的不同位置灰度值不同，不同橫線處灰度值差異也較大：Line1灰度值在78～129變化，最小值78出現(xiàn)在Line1所穿過的裂隙處；Line2灰度值在85～120變化，總體分布比較均勻，最小值出現(xiàn)在微裂隙附近；Line3灰度值在73～134變化，最小值出現(xiàn)在Line3所穿過的裂隙處。②頁巖巖樣基質(zhì)、孔隙、微裂隙、層理面各處的灰度值不同，頁巖巖樣基質(zhì)的灰度值在113左右，裂隙的灰度值在73～83，而肉眼難以分辨的層理面的灰度值在90～100；灰度值變化與頁巖巖性和內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化一致。

圖6 CT圖像灰度值分布情況

頁巖水化過程中，細(xì)觀損傷的演化會(huì)引起巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，而這些改變在CT圖像上表現(xiàn)為灰度值的變化[11]。因此，可以根據(jù) CT圖像灰度直方圖的變化情況研究頁巖水化引起的細(xì)觀損傷及其演化過程。采用MATLAB繪制了不同水化階段的頁巖巖樣CT圖像灰度直方圖（見圖7）。

由圖7可知：不同水化階段頁巖巖樣CT圖像灰度分布規(guī)律各不相同；未浸泡時(shí)，CT圖像灰度值主要在90～130變化，灰度值105的像素?cái)?shù)最多（6 552個(gè)）；隨著水化時(shí)間的增加，CT圖像灰度直方圖由單峰型演變?yōu)殡p峰型，灰度值主要在70～130變化，灰度值105的像素?cái)?shù)仍然最多，在灰度值81處出現(xiàn)新的像素?cái)?shù)峰值；隨著水化時(shí)間的增加，灰度值 105的像素?cái)?shù)逐漸減少，而灰度值81的像素?cái)?shù)逐漸增加，但像素?cái)?shù)變化幅度逐漸減小。這說明浸泡 5 d內(nèi)微裂隙已經(jīng)快速形成，是產(chǎn)生水化損傷的主要時(shí)期，隨著水化時(shí)間的增加，主要發(fā)生微裂隙的拓展，但拓展過程十分緩慢，這與CT掃描灰度圖像顯示的結(jié)果基本一致。因此，利用CT圖像灰度直方圖可以動(dòng)態(tài)、定量地分析頁巖水化損傷的演化過程，CT圖像灰度直方圖由單峰型變?yōu)殡p峰型是頁巖內(nèi)部損傷急劇增加的標(biāo)志。

圖7 CT圖像灰度直方圖

2.5 CT圖像分割

利用CT圖像進(jìn)行頁巖水化損傷的定量分析，需要從CT灰度圖像中提取出水化引起損傷的部分區(qū)域（微裂隙、孔隙等），這些區(qū)域通常被稱為目標(biāo)區(qū)域，提取目標(biāo)區(qū)域的過程就是圖像分割[11]。只要提取到目標(biāo)區(qū)域，就可以計(jì)算頁巖巖樣CT圖像中基巖骨架與損傷區(qū)域的比例，從而達(dá)到定量分析的目的。

圖像分割方法有多種，如閾值分割方法、區(qū)域提取方法、邊界分割方法等。閾值分割方法又包括圖像二值化方法、雙峰分割方法和最大方差自動(dòng)取閾值方法（又稱自適應(yīng)二值化方法）。本文采用最大方差自動(dòng)取閾值方法進(jìn)行CT圖像分割，其基本原理如下[11]。

設(shè)灰度值i的像素?cái)?shù)為ni，則CT圖像總像素?cái)?shù)為：

CT圖像的灰度概率分布規(guī)律為：

若取t為分割CT圖像的閾值，則可將CT圖像分割為區(qū)域1和區(qū)域2，區(qū)域1代表灰度值小于等于閾值t的區(qū)域，區(qū)域2代表灰度值大于閾值t的區(qū)域?？筛鶕?jù)灰度直方圖統(tǒng)計(jì)出區(qū)域1和區(qū)域2的像素?cái)?shù)占整幅CT圖像總像素?cái)?shù)的比例以及兩個(gè)區(qū)域的平均灰度值：

而整幅CT圖像的平均灰度值為：

整幅CT圖像平均灰度值與區(qū)域1、區(qū)域2平均灰度值之間的關(guān)系為：

圖像分割后各區(qū)域內(nèi)部的灰度值比較接近，兩個(gè)區(qū)域間的灰度值差異較大，兩個(gè)區(qū)域的平均灰度值與整幅CT圖像平均灰度值間差異也較大，可以采用區(qū)域間方差對這種差異進(jìn)行描述：

經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，（11）式可改寫為：

最大方差自動(dòng)取閾值方法認(rèn)為，被分割的兩個(gè)區(qū)域間方差最大時(shí)兩個(gè)區(qū)域處于最佳分割狀態(tài)[11]，因此σ2(t)取最大值時(shí)的t值即為最佳分割閾值。

分割后CT圖像被處理成二值化圖像，即圖像中只有純黑色（灰度值為 0）和純白色（灰度值為 1），其中純黑色代表頁巖基質(zhì)，純白色代表頁巖孔隙、微裂隙等細(xì)觀損傷。基于上述最大方差自動(dòng)取閾值方法，采用MATLAB軟件編程，對不同水化階段的頁巖巖樣CT圖像進(jìn)行分割得到二值化圖像（見圖8）?？梢钥闯觯煌A段頁巖巖樣二值化圖像中，損傷區(qū)域分布呈現(xiàn)出一定差異，且這種差異比在灰度圖像中更加清晰。通過統(tǒng)計(jì)二值化圖像中純白色區(qū)域的像素?cái)?shù)，可以得到損傷區(qū)域的大小，將水化后與水化前損傷區(qū)域大小相減，即可得到頁巖水化引起的損傷區(qū)域大小，從而達(dá)到定量描述頁巖水化細(xì)觀損傷的目的。

2.6 頁巖水化細(xì)觀損傷定量描述

圖8 分割后的CT圖像

為了定量描述頁巖水化引起的損傷，需要選擇合適的損傷變量。損傷變量是一種內(nèi)部狀態(tài)變量，它可以是標(biāo)量、矢量或張量，需要根據(jù)研究對象的特點(diǎn)，選擇空隙的數(shù)目、長度、面積、體積、彈性模量、電阻率、密度等作為定義損傷變量的基準(zhǔn)[10]。楊更社等[11]在研究偏應(yīng)力與巖石損傷特性的關(guān)系時(shí)，定義了一種以空隙面積為基準(zhǔn)的損傷變量：

本文采用損傷變量D定量描述頁巖水化細(xì)觀損傷特性。根據(jù)CT圖像分割處理后得到的二值化圖像，可以直接統(tǒng)計(jì)計(jì)算出頁巖水化過程中出現(xiàn)的微裂隙、孔隙等純白色區(qū)域的像素?cái)?shù)N1，從而得出損傷變量D的演變規(guī)律。對頁巖巖樣水化過程中的損傷變量進(jìn)行了計(jì)算，并繪制了損傷變量與浸泡時(shí)間的關(guān)系曲線（見圖9）。

圖9 頁巖巖樣水化過程中損傷變量與浸泡時(shí)間關(guān)系

由圖 9可知：①初始損傷變量并不等于零，這是由于頁巖巖樣本身存在一些層理、微裂隙、孔隙等。巖樣與水接觸后，水沿著頁巖自身發(fā)育的層理、微裂隙等迅速侵入。②隨著浸泡時(shí)間的增加，損傷變量增大，且損傷變量在浸泡前期（前5 d內(nèi)）增幅較大，隨后增幅較小。浸泡的前5 d是頁巖水化細(xì)觀損傷的起始階段和快速演化階段，浸泡5 d后頁巖水化細(xì)觀損傷進(jìn)入穩(wěn)定演化期，損傷變量會(huì)持續(xù)而緩慢地增加，直至頁巖巖樣發(fā)生破壞。③3個(gè)掃描斷面上的損傷變量存在一定的差異，這種差異源自于兩方面：下層的初始損傷變量本身比較高，受到水化影響后，損傷演化較快，更易形成宏觀裂縫；頁巖巖樣存在各向異性，實(shí)驗(yàn)取樣角度幾乎平行于層理，因此所產(chǎn)生的裂縫主要是貫穿頁巖橫截面的垂直縫，且損傷裂縫與層理方向幾乎一致，均為北東—南西偏東方向，部分巖樣受頁巖礦物組成和細(xì)觀組構(gòu)影響裂縫出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、分叉。

2.7 討論

①頁巖自身發(fā)育大量的層理（也稱為頁理）和微裂隙，這些層理和微裂隙是頁巖水化前已經(jīng)存在的細(xì)觀損傷。根據(jù)損傷力學(xué)原理，對于存在初始損傷的巖土材料，在受到外界影響時(shí)，初始損傷部位是比較容易演化發(fā)展的區(qū)域，容易在這些部位產(chǎn)生新的細(xì)觀損傷，并隨著細(xì)觀損傷的積累逐漸演變成宏觀裂縫。

②對于滲透率極低的頁巖儲集層，頁巖的初始含水飽和度經(jīng)常低于束縛水飽和度，且頁巖中孔隙尺寸非常小，往往為納米級孔隙，其毛管壓力極大，而且指向頁巖孔隙內(nèi)部，加之頁巖通常親水，使得頁巖自身吸水能力非常強(qiáng)，這種現(xiàn)象在儲集層保護(hù)中被稱為水鎖。頁巖水化實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)頁巖巖樣與清水接觸后，在毛管壓力、頁巖親水性的驅(qū)動(dòng)下，水容易進(jìn)入頁巖中，從而促使膨脹性黏土礦物水化膨脹，產(chǎn)生新的細(xì)觀損傷。

③頁巖自身發(fā)育的層理和微裂隙是一種常見的儲集空間，也是頁巖氣滲流通道，頁巖氣開采過程中，這些層理和微裂隙是頁巖氣從基質(zhì)孔隙流入井筒的必要途徑。一般認(rèn)為頁巖的膨脹性很弱，但是當(dāng)用清水浸泡頁巖巖樣時(shí)，水與黏土礦物發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致膨脹性黏土礦物產(chǎn)生體積膨脹，黏土礦物膨脹后會(huì)導(dǎo)致巖樣內(nèi)部產(chǎn)生新的細(xì)觀損傷，這些細(xì)觀損傷的產(chǎn)生與頁巖中膨脹性黏土礦物和脆性礦物的含量關(guān)系密切。另外，由于層理和微裂隙的存在，頁巖層理面和斷面的細(xì)觀組構(gòu)和特征對頁巖水化損傷特性也有重要影響，水沿著這些層理和微裂隙侵入頁巖內(nèi)部，使得水的侵入能力增加，且使頁巖與水的有效作用面積大幅增加，容易產(chǎn)生細(xì)觀損傷，并逐漸演化為裂隙。這在Li Yufei等[3]得到的頁巖掃描電鏡結(jié)果中得到了體現(xiàn)：頁巖層理面平整光滑，發(fā)育有平行于層理的微裂縫；頁巖斷面粗糙、凹凸不平，微孔隙、微裂隙十分發(fā)育。這些微裂隙和微孔隙可作為頁巖氣的儲集空間及頁巖氣開采的滲流通道，也可以作為鉆井液濾液侵入的通道，并加劇頁巖水化后的細(xì)觀損傷。因此，盡管龍馬溪組頁巖的膨脹性較弱，但其層理、微裂隙十分發(fā)育，脆性也比較高，導(dǎo)致水化后容易產(chǎn)生新的細(xì)觀損傷，這也是井壁失穩(wěn)的重要原因。

④在頁巖鉆井過程中，井壁容易發(fā)生坍塌失穩(wěn)，通常采用高密度的鉆井液鉆進(jìn)頁巖地層，而頁巖地層壓力一般比較低，因此鉆井液濾液比實(shí)驗(yàn)條件下更容易侵入地層。實(shí)際頁巖鉆井時(shí)，鉆井液濾液在正壓差、毛管壓力、頁巖親水性的作用下，沿著頁巖自身發(fā)育的層理和微裂隙快速進(jìn)入頁巖。濾液與頁巖接觸后，膨脹性黏土礦物將發(fā)生膨脹，使頁巖內(nèi)部產(chǎn)生新的細(xì)觀損傷，當(dāng)損傷發(fā)展到一定程度時(shí)會(huì)演化成裂縫，裂縫繼續(xù)發(fā)育可能形成裂縫網(wǎng)，這將大幅度降低井壁圍巖的強(qiáng)度并導(dǎo)致井壁坍塌失穩(wěn)。

3 結(jié)論

在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合井壁穩(wěn)定研究中的頁巖水化問題，提出采用CT掃描技術(shù)研究頁巖水化過程中的細(xì)觀損傷特性，并結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立了定量評價(jià)頁巖水化細(xì)觀損傷特性的方法。

對不同水化階段的頁巖巖樣開展CT掃描實(shí)驗(yàn)，結(jié)合CT掃描圖像及其灰度直方圖，分析了水化過程中頁巖細(xì)觀損傷特性。結(jié)果表明：浸泡前期巖樣內(nèi)部微裂隙快速形成，是產(chǎn)生水化損傷的主要時(shí)期，隨著浸泡時(shí)間的增加，主要發(fā)生微裂隙的拓展，但拓展過程十分緩慢；CT灰度圖像可以比較直觀地顯示頁巖巖樣內(nèi)部的細(xì)觀損傷及其拓展情況，通過CT圖像灰度直方圖可以動(dòng)態(tài)、定量地分析頁巖水化損傷的演化過程，灰度直方圖由單峰型變?yōu)殡p峰型是頁巖內(nèi)部損傷急劇增加的標(biāo)志。

采用CT圖像偽彩色增強(qiáng)技術(shù)和CT圖像完整度與破損度分析技術(shù)，可以提高肉眼對CT掃描結(jié)果的視覺分辨力，且CT圖像完整度和破損度是對CT數(shù)的歸一化處理，便于定量分析頁巖水化細(xì)觀損傷。

采用最大方差自動(dòng)取閾值方法對不同水化階段頁巖巖樣的CT圖像進(jìn)行了分割，得到二值化圖像。在此基礎(chǔ)上，選擇以空隙面積為基準(zhǔn)的損傷變量，根據(jù)損傷變量的定義，對二值化圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了水化過程中損傷變量與浸泡時(shí)間的關(guān)系，形成了定量描述頁巖水化損傷特性的新方法。頁巖巖樣在清水中浸泡后，損傷變量逐漸增加，增加幅度隨浸泡時(shí)間的增加而變緩。頁巖水化后的細(xì)觀損傷主要發(fā)生在浸泡前期，這一階段是細(xì)觀損傷的起始階段和快速演化階段，此后，隨著損傷變量持續(xù)而緩慢的增加，頁巖巖樣最終將發(fā)生宏觀破壞。

符號注釋：

p——完整度；d——破損度；Hrm——CT數(shù)；G——灰度級數(shù)；i——圖像中某點(diǎn)灰度值；ni——灰度值i的像素?cái)?shù)；N——總像素?cái)?shù)；Pi——灰度值i的像素?cái)?shù)占總像素?cái)?shù)的比例；t——圖像分割閾值；μ——整幅圖像的平均灰度值；A1(t) ——灰度值小于等于閾值t的區(qū)域的像素?cái)?shù)占總像素?cái)?shù)的比例，%；A2(t) ——灰度值大于閾值t的區(qū)域的像素?cái)?shù)占總像素?cái)?shù)的比例，%；μ1(t) ——灰度值小于等于閾值t的區(qū)域的平均灰度值；μ2(t) ——灰度值大于閾值t的區(qū)域的平均灰度值；σ2——圖像分割后兩個(gè)區(qū)域間的方差；D——以空隙面積為基準(zhǔn)的損傷變量；A*——圖像中損傷區(qū)域面積，m2；A——圖像總面積，m2；N1——分割后圖像中純白色區(qū)域的像素?cái)?shù)。

[1]黃金亮, 鄒才能, 李建忠, 等.川南下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣形成條件及資源潛力[J].石油勘探與開發(fā), 2012, 39(1): 69-75.Huang Jinliang, Zou Caineng, Li Jianzhong, et al.Shale gas generation and potential of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Southern Sichuan Basin, China[J].Petroleum Exploration and Development, 2012,39(1): 69-75.

[2]陳文玲, 周文, 羅平, 等.四川盆地長芯1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層特征研究[J].巖石學(xué)報(bào), 2013, 29(3): 1073-1086.Chen Wenling, Zhou Wen, Luo Ping, et al.Analysis of the shale gas reservoir in the Lower Silurian Longmaxi Formation, Changxin 1 well, Southeast Sichuan Basin, China[J].Acta Petrologica Sinica,2013, 29(3): 1073-1086.

[3]Li Yufei, Fu Yongqiang, Tang Geng, et al.Effect of weak bedding planes on wellbore stability for shale gas wells[R].SPE 155666, 2012.

[4]崔思華, 班凡生, 袁光杰.頁巖氣鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析[J].天然氣工業(yè), 2011, 31(4): 72-75.Cui Sihua, Ban Fansheng, Yuan Guangjie.Status quo and challenges of global shale gas drilling and completion[J].Natural Gas Industry,2011, 31(4): 72-75.

[5]陳勉, 金衍, 張廣清.石油工程巖石力學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2008.Chen Mian, Jin Yan, Zhang Guangqing.Petroleum related rock mechanics[M].Beijing: Science Press, 2008.

[6]Zhou X, Ghassemi A.Finite element analysis of coupled chemo-poro-thermo-mechanical effects around a wellbore in swelling shale[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2009, 46(4): 769-778.

[7]唐林, 羅平亞.泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學(xué)與力學(xué)耦合研究現(xiàn)狀[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào), 1997, 19(2): 85-88.Tang Lin, Luo Pingya.Research status on wellbore stability of shale coupling with mechanics and chemistry[J].Journal of Southwest Petroleum Institute, 1997, 19(2): 85-88.

[8]王倩, 周英操, 王剛, 等.泥頁巖井壁穩(wěn)定流固化耦合模型[J].石油勘探與開發(fā), 2012, 39(4): 475-480.Wang Qian, Zhou Yingcao, Wang Gang, et al.A fluid-solid-chemistry coupling model for shale wellbore stability[J].Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(4): 475-480.

[9]黨發(fā)寧, 劉彥文, 丁衛(wèi)華, 等.基于破損演化理論的混凝土CT圖像定量分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 26(8): 1588-1593.Dang Faning, Liu Yanwen, Ding Weihua, et al.Quantitative analysis of concrete CT images based on damage-fracture evolution theory[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(8):1588-1593.

[10]葛修潤, 任建喜, 蒲毅彬, 等.巖石細(xì)觀損傷擴(kuò)展規(guī)律的 CT實(shí)時(shí)試驗(yàn)[J].中國科學(xué): E輯, 2000, 30(2): 104-111.Ge Xiurun, Ren Jianxi, Pu Yibin, et al.Real-time CT testing for the meso-damage propagation characteristics of rock[J].Science in China: Series E, 2000, 30(2): 104-111.

[11]楊更社, 劉慧.基于CT圖像處理技術(shù)的巖石損傷特性研究[J].煤炭學(xué)報(bào), 2007, 32(5): 463-468.Yang Gengshe, Liu Hui.Study on the rock damage characteristics based on the technique of CT image processing[J].Journal of China Coal Society, 2007, 32(5): 463-468.

[12]康志勤, 趙陽升, 孟巧榮, 等.油頁巖熱破裂規(guī)律顯微 CT實(shí)驗(yàn)研究[J].地球物理學(xué)報(bào), 2009, 52(3): 842-848.Kang Zhiqin, Zhao Yangsheng, Meng Qiaorong, et al.Micro-CT experimental research of oil shale thermal cracking laws[J].Chinese Journal of Geophysics, 2009, 52(3): 842-848.

[13]石秉忠, 夏柏如, 林永學(xué), 等.硬脆性泥頁巖水化裂縫發(fā)展的 CT成像與機(jī)理[J].石油學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 137-142.Shi Bingzhong, Xia Bairu, Lin Yongxue, et al.CT imaging and mechanism analysis of crack development by hydration in hardbrittle shale formations[J].Acta Petrolei Sinica, 2012, 33(1): 137-142.

[14]賈利春, 陳勉, 孫良田, 等.結(jié)合CT技術(shù)的火山巖水力裂縫延伸實(shí)驗(yàn)[J].石油勘探與開發(fā), 2013, 40(3): 377-380.Jia Lichun, Chen Mian, Sun Liangtian, et al.Experimental study on propagation of hydraulic fracture in volcanic rocks using industrial CT technology[J].Petroleum Exploration and Development, 2013,40(3): 377-380.

[15]白斌, 朱如凱, 吳松濤, 等.利用多尺度CT成像表征致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)[J].石油勘探與開發(fā), 2013, 40(3): 329-333.Bai Bin, Zhu Rukai, Wu Songtao, et al.Multi-scale method of Nano(Micro)-CT study on microscopic pore structure of tight sandstone of Yanchang Formation, Ordos Basin[J].Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(3): 329-333.

[16]王家祿, 高建, 劉莉.應(yīng)用CT技術(shù)研究巖石孔隙變化特征[J].石油學(xué)報(bào), 2009, 30(6): 887-893.Wang Jialu, Gao Jian, Liu Li.Porosity characteristics of sandstone by X-ray CT scanning system[J].Acta Petrolei Sinica, 2009, 30(6): 887-893.

[17]劉學(xué)鋒, 孫建孟, 王海濤, 等.順序指示模擬重建三維數(shù)字巖心的準(zhǔn)確性評價(jià)[J].石油學(xué)報(bào), 2009, 30(3): 391-395.Liu Xuefeng, Sun Jianmeng, Wang Haitao, et al.The accuracy evaluation on 3D digital cores reconstructed by sequence indicator simulation[J].Acta Petrolei Sinica, 2009, 30(3): 391-395.

[18]劉向君, 劉洪, 羅平亞, 等.鉆井液浸泡對庫車組泥巖強(qiáng)度的影響及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(S2): 3920-3925.Liu Xiangjun, Liu Hong, Luo Pingya, et al.Research on effect of drilling fluid on Kuqa shale strength behavior and its applications[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(S2):3920-3925.

[19]盧運(yùn)虎, 陳勉, 金衍, 等.鉆井液浸泡下深部泥巖強(qiáng)度特征試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(7): 1399-1405.Lu Yunhu, Chen Mian, Jin Yan, et al.Experimental study of strength properties of deep mudstone under drilling fluid soaking[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(7): 1399-1405.

[20]范留明, 李寧, 丁衛(wèi)華.數(shù)字圖像偽彩色增強(qiáng)方法在巖土CT圖像分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(13): 2257-2261.Fan Liuming, Li Ning, Ding Weihua.Application of pseudo color enhancement method to geotechnical CT image analysis[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(13): 2257-2261.