趙新偉，許 紅

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.國(guó)土資源部青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071)

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基于微焦X-CT的碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)表征

趙新偉1，許 紅2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.國(guó)土資源部青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071)

利用微焦X-CT射線層析掃描技術(shù)，從精細(xì)化、定量化和無損化角度，對(duì)西沙海域中新統(tǒng)碳酸鹽巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)和微觀非均質(zhì)性進(jìn)行了精細(xì)表征。碳酸鹽巖樣品的三元組構(gòu)中，孔隙、基質(zhì)和礦物分別具有不同的CT值分布范圍，通?？紫兜腃T值均小于-700 HU。閾值分割提取二值化圖像確定了各切片的平均孔隙度變化，定量表征了巖石微觀非均質(zhì)性特征，其中處于同一沉積相的XY-1、XY-2和XY-3樣品的平均孔隙度大小和變化趨勢(shì)各不相同，表明3塊樣品的非均質(zhì)性較其他樣品更嚴(yán)重。三維重構(gòu)后計(jì)算的孔隙度略大于傳統(tǒng)壓汞法測(cè)得的結(jié)果，兩者之間具有很好的相關(guān)性。建立了三維表面模型和立體模型，清晰地識(shí)別出碳酸鹽巖樣品中孔隙、基質(zhì)和礦物的空間分布形態(tài)及其相互連通性。該技術(shù)為評(píng)估樣品非均質(zhì)性提供了新的方法，也為估算滲透率和儲(chǔ)層潛力提供了新思路。

微焦X-CT；微觀非均質(zhì)性；孔隙結(jié)構(gòu)；三維重構(gòu)；碳酸鹽巖；南海西沙海域

0 引 言

碳酸鹽巖是全球最重要的油氣儲(chǔ)層，其油氣儲(chǔ)量約占世界油氣儲(chǔ)量的60%[1]。目前對(duì)碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)描述方法主要包括2類：一類是光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，用來分析孔隙特征；另一類是傳統(tǒng)的壓汞法和氮?dú)馕椒?，主要測(cè)試孔隙度等參數(shù)[2-3]。這些方法已經(jīng)為人們熟悉并長(zhǎng)期使用，但都有一定的局限性，如顯微鏡僅能觀察孔隙的二維信息，無法展示孔隙的空間三維分布特征；壓汞法可測(cè)量孔隙度、孔徑等參數(shù)，但僅適用于相互連通孔隙，對(duì)孔隙尺寸范圍也有限制[4]。此外，傳統(tǒng)方法都有一個(gè)共同缺點(diǎn)，即在制備樣品過程中會(huì)破壞巖石的原生孔隙，產(chǎn)生一些人為孔隙，帶來較大誤差。微焦X-CT射線層析掃描技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種利用X射線對(duì)巖石進(jìn)行掃描成像，進(jìn)而三維重構(gòu)出孔隙空間展布特征的分析技術(shù)，其以快速、無損和三維顯示為特征，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足[5]。應(yīng)用微焦X-CT射線層析掃描技術(shù)對(duì)南海西沙海域部分碳酸鹽巖樣品進(jìn)行了掃描成像，獲得了大量分辨率較高的三維圖像和數(shù)據(jù)，基于閾值分割圖像處理方法實(shí)現(xiàn)了孔隙大小和孔徑分布的定量分析。樣品各組分的三維可視化為精確表征碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)提供了一種新思路和新方法。

1 材料和方法

1.1 樣品特征

研究樣品均取自西沙海域中新統(tǒng)宣德組鉆井巖心，普遍發(fā)生了白云化作用，原生孔隙的形態(tài)和結(jié)構(gòu)經(jīng)歷較大改造，形成大量次生孔隙，包括溶蝕孔、鑄模孔和晶間孔。主要對(duì)5塊樣品進(jìn)行了掃描測(cè)試，樣品直徑為5～50 mm，深度為400～546 m，形成環(huán)境主要有礁格架相、礁坪和潟湖相等。此外，對(duì)樣品進(jìn)行壓汞測(cè)試獲得了樣品的孔滲性數(shù)據(jù)，其中孔隙度大小為15.50%～26.80%，平均為19.24%，滲透率為36×10-3～658×10-3μm2，孔滲性較好，易形成良好的儲(chǔ)層。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與原理

實(shí)驗(yàn)用CT掃描系統(tǒng)是中科院高能物理所與自動(dòng)化所聯(lián)合自主研發(fā)的225微焦顯微CT，其主要由射線源、樣品臺(tái)架、檢測(cè)器系統(tǒng)以及圖像處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。加速電壓變化范圍為0～225 kV，空間分辨率隨樣品直徑的變化而變化，對(duì)直徑為8 mm的樣品分辨率可達(dá)到5 μm，采集速度為12片/min，掃描圖像像素為1 024×1 024，圖像處理軟件為MimicsTM。微焦X-CT技術(shù)的基本原理是當(dāng)X射線照射并穿過巖心時(shí)，由于巖心樣品中各組分密度不同，入射方向的射線因樣品密度差會(huì)發(fā)生衰減，衰減量以線性衰減系數(shù)表示，其符合Beer定律：

I=I0e-μh

(1)

式中：I為原始X射線強(qiáng)度，ci；I0為透過物體后的X射線強(qiáng)度，ci；μ為線性衰減系數(shù)；h為被測(cè)物體厚度，mm。

CT值表征線性衰減系數(shù)，單位為HU，隨著物質(zhì)密度的增大而增大[6]?？蓪⑺p系數(shù)或CT值轉(zhuǎn)換成具有一定灰度值的CT圖像，但由于樣品中礦物組分和結(jié)構(gòu)分布不均，在CT圖像上便顯示出不同的灰度值，由黑到白表示了物質(zhì)密度的變化[7]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔隙形態(tài)特征

為研究方便，將碳酸鹽巖看成是由孔隙、基質(zhì)和礦物組成的三元介質(zhì)。由于3種介質(zhì)的密度和原子序數(shù)方面有較大差異，其對(duì)應(yīng)的CT值也截然不同，因此，可根據(jù)CT值的大小來識(shí)別碳酸鹽巖的三元介質(zhì)。對(duì)5塊樣品進(jìn)行了等間距掃描，掃描間距為2 mm，操作電壓為160 kV，隨后對(duì)灰度圖像進(jìn)行了重構(gòu)分析。圖1是XY-1樣品的部分重構(gòu)結(jié)果，其中圖1a—c為樣品重構(gòu)后在3個(gè)方向上的切片圖像，圖1d為樣品內(nèi)部沿某一徑向上各組分CT值的變化曲線。通常情況下，孔隙的CT值較低，在圖像上呈深黑色，礦物的CT值較高，呈亮白色(圖1b中A位置)，而基質(zhì)則介于孔隙和礦物之間，表現(xiàn)為灰色(圖1b中B位置)。

圖1 樣品XY-1中孔隙與礦物的三維視圖及其CT值分布特征

研究發(fā)現(xiàn)，孔隙、基質(zhì)和礦物各組分的CT值通常具有固定的分布區(qū)間。以XY-1樣品為例，受大氣淡水溶蝕和白云化作用影響，樣品中發(fā)育溶蝕孔和裂縫。由圖1d可知：①在孔隙較發(fā)育的地方，CT值急劇下降，呈現(xiàn)出大小不同的波谷，孔隙越大波谷越低，波谷處的CT值多小于-700 HU(圖b中C、D位置)；②當(dāng)剖面線經(jīng)過礦物充填部分時(shí)，CT值快速升高，多呈波峰形態(tài)，CT值常大于1 500 HU，較易識(shí)別；③碳酸鹽巖中的基質(zhì)部分的CT值大都為-200～600 HU。由圖1a—c可知，礦物顆粒含量較低，零星狀分布，孔隙含量較高，多呈橢球狀和長(zhǎng)條狀分布。分析掃描圖像發(fā)現(xiàn)孔隙主要包括4種類型：①溶蝕縫，縫寬為0.1～1.0 mm，其對(duì)于流體運(yùn)移和其他類型孔隙的連通最為重要；②鑄?？祝虎哿?nèi)孔，多發(fā)育在鈣藻顆粒內(nèi)；④粒間溶孔，常呈多邊形和不規(guī)則形狀，大小為100～800 μm。整體來說孔隙連通性較好，最大的孔隙長(zhǎng)為7.88 mm(圖1a)，與實(shí)測(cè)的高孔隙度和高滲透率一致。通過微焦X-CT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)碳酸鹽巖孔隙和礦物的發(fā)育形態(tài)、大小及空間分布特征進(jìn)行精細(xì)描述。

2.2 孔隙度

目前利用CT圖像計(jì)算樣品孔隙度常用的2種方法是雙向掃描和圖像分割[8-9]，主要利用圖像分割技術(shù)來計(jì)算孔隙度，圖像分割的關(guān)鍵是確定CT圖像中孔隙的CT值分布范圍，即合適的閾值。選定閾值進(jìn)行圖像分割后可提取出描述孔隙結(jié)構(gòu)的二值化圖像，進(jìn)而計(jì)算出各切片上孔隙和基質(zhì)所占的像素?cái)?shù)，孔隙和基質(zhì)占像素?cái)?shù)的面積比即為切片的平均孔隙度(表1)。根據(jù)各組分CT值(閾值)的不同，對(duì)所有切片進(jìn)行三維重構(gòu)，統(tǒng)計(jì)出基質(zhì)和孔隙占像素?cái)?shù)對(duì)應(yīng)的體積，得到5塊樣品的平均孔隙度約為20.15%，比傳統(tǒng)壓汞法測(cè)得的值(19.24%)要略大些，其主要原因?yàn)椋孩貱T掃描測(cè)得的孔隙度較傳統(tǒng)壓汞法不僅包含了樣品的連通孔隙，也計(jì)算了“死”孔隙(非連通孔隙)；②由于分辨率的限制，閾值分割過程中會(huì)誤將圖像中較低密度的物質(zhì)識(shí)別成孔隙，導(dǎo)致計(jì)算出的孔隙度偏大。此外，由于受掃描設(shè)備分辨率的影響，CT掃描計(jì)算出的孔隙度也會(huì)略偏離實(shí)際的孔隙度。

表1 樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的CT測(cè)量結(jié)果

2.3 巖石微觀非均質(zhì)性

X-CT掃描獲得了沿樣品某一方向的一系列連續(xù)切片，通過這些二維切片可定量表征樣品的微觀非均質(zhì)性。此外，在掃描后獲得的圖像上可清晰的分辨顆粒邊界，直接觀察到孔隙和顆粒的大小、形狀及分布特征。圖2為樣品XY-1沿Z軸方向的一系列連續(xù)切片，相鄰2張切片的距離約為2 mm。

圖2 展示XY-1樣品內(nèi)部非均質(zhì)性的CT切片(d為距第一張切片的距離)

分析發(fā)現(xiàn)即使在單張切面或2張切片之間的2 mm內(nèi)，巖心中孔隙大小、形狀、類型及礦物質(zhì)都會(huì)發(fā)生顯著變化，表明沿該方向樣品非均質(zhì)性較強(qiáng)，其他樣品中也有類似變化。此外，利用沿某一軸向的切片平均孔隙度也可量化樣品中孔隙的非均質(zhì)性。一般來說，平均孔隙度越高，非均質(zhì)性越強(qiáng)[10]。圖3為5塊樣品沿某一軸向的切片平均孔隙度的變化特征。各樣品曲線均有一定幅度的波動(dòng)，其中，樣品XY-1、XY-2和XK-1較其他樣品平均孔隙度及變化幅度均偏大，非均質(zhì)性嚴(yán)重，且該3塊樣品內(nèi)部的平均孔隙度變化幅度較其兩端的變化更劇烈。另2塊樣品每個(gè)切片的平均孔隙度均較低，切片之間的孔隙度變化曲線比較平穩(wěn)，孔隙變化不大，均質(zhì)性好。結(jié)合測(cè)井資料發(fā)現(xiàn)樣品XY-1、XY-2和XK-1主要形成于相對(duì)高能的潮坪相環(huán)境中，多發(fā)育準(zhǔn)同生白云化作用和大氣淡水淋濾作用，非均質(zhì)性嚴(yán)重，另外2塊樣品指示低能的瀉湖相，水體穩(wěn)定，僅有部分滲透回流白云化作用，成巖作用相對(duì)較弱，均質(zhì)性好。此外，XY-1、XY-2和XK-1樣品雖處于同一沉積相，但其孔隙度也有較大變化(表1、圖3)。

圖3 5塊樣品沿切片方向的平均孔隙度變化

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化

三維可視化的原理是根據(jù)孔隙和基質(zhì)的不同CT值分布區(qū)間，首先建立兩者獨(dú)立的空間模型，之后將兩者綜合到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的重構(gòu)。調(diào)節(jié)不同組分的顯示程度可得到三維透視圖，從不同角度旋轉(zhuǎn)巖心樣品并用不同的顏色標(biāo)記，使整個(gè)圖像更有立體感[11]。通過CT掃描技術(shù)可建立表面蒙皮、三維立體和三維CAD 3種模型，其中表面模型主要分析樣品表面特征，立體模型用于研究分析樣品內(nèi)部的展布特征。

圖4為3塊樣品的表面模型和立體模型結(jié)果。圖4a為樣品XY-1的表面模型，圖4b為樣品XY-1的礦物分布圖，橘黃色為礦物顆粒，最大顆粒長(zhǎng)為1.5 mm，含量較低，呈塊狀，不均勻分布在基質(zhì)中。樣品XY-2的立體模型(圖4c)中孔隙以黃色表示，含量較大，連通性好，基質(zhì)以紅色呈透明狀標(biāo)示。選取XY-3樣品孔隙較為發(fā)育的區(qū)域進(jìn)行了局部孔隙三維重構(gòu)(圖4d)，其中大孔隙較發(fā)育，連通性好，而直徑較小的孔隙不連通，多呈孤立狀分布。

圖4 碳酸鹽巖樣品孔隙和基質(zhì)的三維重構(gòu)圖

3 討 論

通過X-CT掃描所得衰減系數(shù)和灰度圖像的CT值可很好地展示不同沉積環(huán)境中的巖心孔隙結(jié)構(gòu)特征，灰度圖像的CT值可用于識(shí)別孔隙、礦物和基質(zhì)3種物質(zhì)，對(duì)灰度圖像進(jìn)行閾值分割能計(jì)算出切片平均面孔率，分析切片的平均面孔率變化可揭示巖心內(nèi)部的微觀非均質(zhì)性特征，這些都較傳統(tǒng)方法有很大進(jìn)步。但微焦X-CT技術(shù)也具有一定的局限性，首先，在三維重構(gòu)時(shí)，圖像閾值分割是關(guān)鍵，分割結(jié)果會(huì)影響到隨后的處理。例如在利用CT值識(shí)別裂縫時(shí)，如果裂縫后期被水、礦物或者烴類充填，導(dǎo)致裂縫邊界的CT值與充填物的CT值重疊，很難通過CT值分布來確定裂縫；其次，相對(duì)于掃描電鏡，微焦X-CT在量化方面分辨率偏低(研究中為5～70 μm)，且并不能對(duì)孔隙類型特別是晶間孔隙進(jìn)行有效的區(qū)分。因此，結(jié)合掃描電鏡方法可更好的對(duì)樣品中的孔隙、裂縫和礦物質(zhì)進(jìn)行精細(xì)表征。

4 結(jié) 論

(1) 碳酸鹽巖樣品的三元結(jié)構(gòu)中，孔隙、基質(zhì)和礦物顆粒分別具有不同的CT值分布區(qū)間，孔隙的CT值通常小于-700 HU，基質(zhì)的CT值為-200～600 HU，而礦物顆粒的CT值則大于1 500 HU。

(2) 分析各掃描切片的平均孔隙度變化可定量闡釋樣品的微觀非均質(zhì)性，為評(píng)估樣品非均質(zhì)性提供了新的視角，也為估算滲透率和儲(chǔ)層潛力提供了新角度。

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編輯 王 昱

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.029

20150817；改回日期：20151128

國(guó)家自然科學(xué)基金“華北地臺(tái)寒武紀(jì)碳酸鹽巖生物丘的分布成因特征研究”(41472090，40472065)

趙新偉(1987-)，男，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀博士研究生，主要從事碳酸鹽巖沉積學(xué)和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究。

TE135

A

1006-6535(2016)01-0127-05