陳蒲禮 汪霞 張曉宇 馬冬晨 趙瑞明 陳國輝

1 引言

CT 掃描技術被廣泛應用在醫(yī)學、材料學、制造業(yè)和地質學等研究領域[1]。各國學者用 CT 掃描技術對多孔介質的研究已超過了30年。隨著技術的進步，CT 圖像的質量逐漸提高，目前 CT 掃描儀的空間分辨率可達到納米級，可以清晰地探測實體內部的結構信息[2]。

2 CT 掃描儀的組成和工作原理

2.1 CT 掃描儀基本組成

CT 掃描儀共有三大部分組成：產生 X 射線的球管、承載樣品的樣品臺、探測 X 射線并產生投影的監(jiān)測器（如圖1所示）。X 射線球管提供掃描所需的錐形光束X 射線，樣品臺可以 360°旋轉，探測器可以檢測經樣品衰減后的 X 射線。

圖1 CT 掃描儀基本結構示意圖

2.2 CT 掃描儀的實驗方法和工作原理

2.2.1 實驗方法

第一步，打開主控計算機的界面操作平臺，將樣品放在樣品臺上固定好，開啟射線源，設置分辯率的大小，調節(jié)電壓強度及樣品臺的高度，這些步驟操作完畢后進行樣品掃描。

第二步，用主控計算機對得到的投影數據進行數據重構及各類分析工作。

2.2.2 工作原理

當 X 射線穿過樣品時，它與物質中的原子相互作用而引起能量的衰減，不同的原子對 X 射線具有不同的吸收強度（衰減系數）[3]，基于這些物質的原子對 X 射線的吸收強度可以展現物質的組成成分及物體結構。當 X 射線穿過樣品時，對X 射線吸收程度的測試結果為此束射線路徑上所有物質對其衰減系數的總和[3]。如公式（1）所示：

式中，I 表示X 射線穿過物體后的強度，IO表示入射射線強度，i表示射線路徑上物質中的某一組分，μi表示第i組分對X 射線的衰減系數，Xi表示X 射線路徑長度。

CT 掃描成像正是基于這一原理，對穿過物體的X 射線進行測量，然后通過FDK 算法對掃描后的投影圖像進行重構，最終得到物體的內部結構[4-7]。

3 CT 掃描技術在石油地質實驗中的應用

CT 掃描儀能對巖心樣品進行無損掃描，重構的數字巖心幾乎反映了真實巖心的結構形態(tài)特征，可以用來觀察儲層巖石的微觀特性。

3.1 巖石孔隙特征分析

CT 投影圖像重構后得到的灰度圖像，利用圖像分析軟件對重構圖像每個截面進行二值化處理，可以計算出每個截面的面孔率（如圖2所示）和整個圖像的孔隙度及孔隙大小等物性參數（如圖3所示）。

圖2 截面面孔率變化圖

圖3 孔隙直徑的分布圖

除此之外，還能通過建模軟件模擬各種不同直徑的空隙在巖心內部的展布。圖4表示一塊巖心樣品不同直徑的空隙在該巖心內部的分布情況。紅色區(qū)域代表直徑為13.13～39.38μm 的孔隙，綠色區(qū)域代表直徑為 39.38～118.14μm的孔隙，藍色區(qū)域代表直徑為 118.14～196.9μm 的孔隙，黃色區(qū)域代表直徑為 196.9～511.94μm 的孔隙，紫色區(qū)域代表直徑為 511.94～1220.8μm 的孔隙。

圖4 巖心內部不同直徑孔隙的分布

對68 塊巖心樣品分別做CT 測試孔隙度和氣測孔隙度，結果表明這兩種測試方式的孔隙度測量值比較吻合（如圖5所示）。平均相差2.7%，CT 測試孔隙度值略為高一些。

圖5 氣測孔隙度值與CT 測試孔隙度值相比較

3.2 裂縫評價及其空間展布分析

對重構后的巖心3D 圖像，可以通過軟件分析裂縫的數量、形態(tài)特征及裂縫的平均寬度。如圖6所示某巖心樣品發(fā)育5 條明顯裂縫，主裂縫的平均寬度為 14.75μm。

圖6 裂縫評價及空間展布

3.3 化石鑒定

對于埋藏在生屑灰?guī)r中的古生物化石，古生物研究者以前只能通過制作薄片的方式進行鑒定。CT 掃描技術出現后，可以對生屑灰?guī)r進行無損掃描，這樣保持了巖石及化石的完整性。由于獲取的是立體的古生物圖像（如圖7所示），能增加古生物鑒定的準確性。

圖7 巖石內部古生物的CT 圖像

3.4 剩余油評價分析

油、水在密度上的差異，用灰度值將二者分割，可對巖石中孔隙內部的流體分布情況進行宏觀顯現。如圖8所示，灰色表示巖石骨架，青色表示水，紅色表示油，左圖是水驅前原始的油水分布圖，右圖是水驅 20PV 后的油水分布圖。運用CT 分析軟件對水驅后的剩余油情況進行計算，可以定量的獲得剩余油的含量（如表1 所示）。利用灰度差異將油水進行分割，并利用專業(yè) 3D 建模軟件對油水進行模型建立，更加直觀地顯示了水驅前后剩余油的賦存狀態(tài)（如圖9所示）。

圖8 巖石孔隙中的油水分布

表1 水驅前后油占巖心的體積百分比

圖9 水驅前后油的賦存狀態(tài)

4 結語

（1）CT 技術將實際巖心轉化為數字巖心以后，可以通過分析軟件對重構圖像二值化，計算巖心的面孔率、孔隙的直徑、孔隙體積等各種物性參數。

（2）CT 技術能無損掃描巖石樣品，并且能提供三維立體圖像，可以真實反映巖石內部信息。對重構后的數字圖像，可分析裂縫的數量、形態(tài)特征及裂縫的寬度。傳統(tǒng)的巖心分析方法常常會對樣品造成破壞。例如，古生物薄片鑒定，需要將巖石樣品磨制成 0.03mm 厚粘在載玻片上，然后再把載玻片放在光學顯微鏡下，對其鑒定。除此之外，薄片上的古生物信息只展現出一個面，而 CT 掃描重構后的數字圖像能展示生物的立體信息，這無疑增加了古生物鑒定的準確性。

（3）CT 技術可以對不同驅替階段的巖心進行掃描，可以將巖心內部的剩余油分布以圖像的形式清晰的呈現出來，加之輔助圖像分析處理軟件，可以定量的計算出各個階段的含油飽和度。