基于工業(yè)CT掃描的巖芯裂縫結(jié)構(gòu)表征

苑京文，賈東*，魏東濤，陳竹新，崔鍵，吳曉俊.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京00 .中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，中國石油天然氣集團(tuán)公司油藏描述重點實驗室，蘭州7000 .中國石油勘探開發(fā)研究院，北京0008

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基于工業(yè)CT掃描的巖芯裂縫結(jié)構(gòu)表征

苑京文1，賈東1*，魏東濤2，陳竹新3，崔鍵1，吳曉俊1
1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023 2.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，中國石油天然氣集團(tuán)公司油藏描述重點實驗室，蘭州730020 3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083

摘要：為了研究泥頁巖中裂縫的發(fā)育特征，利用工業(yè)CT技術(shù)對句容盆地的頁巖巖芯進(jìn)行掃描，并使用數(shù)字處理技術(shù)對頁巖的CT掃描圖像進(jìn)行分析，通過VGStudio MAX對CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行重建體模型及裂縫提取，更好的在三維尺度上研究不同礦物組成成分的頁巖中裂縫的結(jié)構(gòu)和發(fā)育情況及工業(yè)CT掃描圖的區(qū)別。結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖芯中主要存在兩組不同走向及傾角的裂縫，一組高角度裂縫，傾角約為70°～90°；一組低角度裂縫，傾角約為30°～40°。依此推測句容盆地在志留紀(jì)魯?shù)るA以后至少經(jīng)歷兩次構(gòu)造運(yùn)動。對比不同的礦物組成成分的頁巖研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖石樣品的礦物組成密度差別越大時，工業(yè)CT掃描就會越清晰；當(dāng)巖石樣品顆粒度越大時，掃描的效果就會越明顯。

關(guān)鍵詞：CT掃描；無損檢測；巖芯裂縫提取；頁巖裂縫特征

頁巖氣作為非常規(guī)油氣的接替資源日益受到國內(nèi)外的重視（董大忠等，2012；姜福杰等，2012；Hill et al，2000）。頁巖的裂縫發(fā)育特征對頁巖儲層可壓裂性和頁巖氣的開采是重要影響因素（唐穎等，2012），而且還決定著頁巖氣藏的品質(zhì)和產(chǎn)量高低（Montgomery et al.,2005）。因為頁巖層中游離態(tài)氣主要存在于裂縫中，所以天然裂縫決定著游離氣的體積和吸附氣的解吸（Curtis et al.,2002；丁文龍等，2012）。因此，頁巖裂縫的研究是頁巖氣開采中的重要內(nèi)容。

句容盆地已經(jīng)有很好的油氣顯示（劉東鷹等，2004；劉東鷹，2003；劉子滿等，2006），其中志留系下統(tǒng)及奧陶系上統(tǒng)的黑色頁巖為重要的烴源巖，也是下?lián)P子頁巖氣的重要儲集層（李海濱等，2013），頁巖的裂縫發(fā)育對油氣的儲存和水力壓裂有很大的影響（Julia et al.，2007）。本次實驗所用的樣品為句容盆地志留系下統(tǒng)高家邊組及其下伏的奧陶系五峰組的黑色頁巖及灰?guī)r，對巖芯中的裂縫及礦物的富集程度進(jìn)行觀察。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掃描來研究巖石內(nèi)部的組構(gòu)及成分（Raynaud et al.，2008；馬文國等，2011），所以本次實驗主要采用工業(yè)CT技術(shù)，通過對CT掃描圖像和VGStudio MAX軟件的CT數(shù)據(jù)重建體模型對巖芯裂縫進(jìn)行研究。

描述裂縫是一項非常困難的工作，前人（Song et al.，1998；汪必峰，2007）曾經(jīng)采用幾十個參數(shù)來描述裂縫，并在分形幾何技術(shù)應(yīng)用裂縫研究方面得到發(fā)展（曾聯(lián)波等，2001；付曉飛等，2007）。分形理論認(rèn)為裂縫系統(tǒng)和斷裂系統(tǒng)一樣具有結(jié)構(gòu)的自相似性，用斷裂和巖芯裂縫的分維數(shù)值可以定量地描述儲層中裂縫的空間發(fā)育程度。通過裂縫的分形維數(shù)值反映裂縫的聚集程度和發(fā)育程度，使得描述裂縫變得相對有可能（李瑋，2009）。但無論怎樣描述，都必須建立在物理模型的基礎(chǔ)上。常規(guī)試驗方法僅能描述裂縫在巖體外表面上的分布，無法描述構(gòu)造裂縫在立體空間內(nèi)的展布。而通過處理體模型數(shù)據(jù)對巖芯裂縫進(jìn)行提取，可以在三維空間內(nèi)直觀獲得裂縫的寬度、方位等參數(shù)。

1　實驗設(shè)計

1.1實驗儀器

由我們團(tuán)隊研發(fā)的一種高能量的工業(yè)CT檢測裝置，在中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院進(jìn)行實驗，系統(tǒng)由巖芯掃描臺架、探測器、X射線源、數(shù)據(jù)采集與圖像處理等部分組成。探測器型號為SEZW3-800，射線管型號為MXR-45HP/11；功率1500 W，焦點0.4 mm/1.0 mm；探測器長度800 mm，探測器精度83 μm。密度分辨率5%，空間分辨率3.1 Lp/mm?？稍诤銣睾銐簵l件下掃描體積較大的沙箱實驗和鉆井巖芯。

1.2實驗巖樣

CT掃描實驗樣品取自下?lián)P子句容盆地志留系下統(tǒng)高家邊組的泥頁巖及奧陶系上統(tǒng)五峰組的灰?guī)r，在鉆井的不同部位均勻取芯（圖1），選取7塊巖芯，四種（N1～N4）不同的巖性進(jìn)行研究。為CT掃描實驗準(zhǔn)備測試樣品（100 mm×65 mm），巖芯樣品在25℃恒溫的條件下進(jìn)行測試。工業(yè)CT掃描過程中，對電壓電流進(jìn)行調(diào)試，觀察巖芯的掃描現(xiàn)象。本次實驗使用工業(yè)CT對巖芯進(jìn)行掃描，實現(xiàn)對巖芯裂縫的三維重建和對裂縫特征的分析。在立體空間中對頁巖巖心裂縫的發(fā)育，展布狀態(tài)進(jìn)行研究（圖1）。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1頁巖CT掃描灰度圖像

工業(yè)CT掃描對不同礦物成分組成的巖芯，掃描效果不同，現(xiàn)在對巖芯掃描特征及裂縫在巖芯中的展布狀態(tài)進(jìn)行分析。工業(yè)CT掃描的基本原理是：用X射線穿透頁巖樣品，然后收集由于頁巖中礦物的吸收而衰減了的射線強(qiáng)度，大小可以用CT值來表示，其大小可以反映頁巖巖芯結(jié)構(gòu)內(nèi)部組分的詳細(xì)信息。在巖芯的CT掃描灰度圖中，不同密度的巖石組構(gòu)具有不同的CT值，不同的灰度值代表了不同的物質(zhì)類型（徐祖新等，2014；楊更社等，1996）。

2.2灰黑色粉砂質(zhì)頁巖

對于CT掃描圖像，圖2中黑色的點表示物質(zhì)密度較低，白色的點表示物質(zhì)密度較高，由黑色到白色表示物質(zhì)密度由低到高的變化。所以由圖可見當(dāng)巖芯中礦物組分密度較大時，在圖像上顯示為白色或灰白色；而裂縫和頁巖中有機(jī)組分密度較低時，在圖像中顯示為黑色或深灰色，故在CT圖像上可以清晰的辨別裂縫及充填物質(zhì)與巖芯主要組分密度的區(qū)別。

圖1　句容盆地巖芯柱狀圖及巖芯重建體模型Fig.1 Coregraph and data model of core of Jurong basin

經(jīng)過多次的測量條件的測試，最終確定以300 kv，1.5mA，焦點尺寸1mm，積分時間0.1s，旋轉(zhuǎn)速度0.7°/s的測試條件對N1砂質(zhì)泥巖進(jìn)行測量，如圖2，在CT的掃描圖像上可以清楚的看到一條未被填充的裂縫a21，表現(xiàn)為黑色的條帶；一組被填充的礦脈，在CT掃描圖上變現(xiàn)為灰白色的條帶a22。而在N1體模型的截面和裂縫的提取圖L1中，可以清楚看到裂縫的延伸和發(fā)育情況，體模型截面中裂縫主要呈現(xiàn)形式：白色的條帶，表示裂縫被礦物質(zhì)充填。黑色的條帶，表示裂縫未被充填。呈虛線分布的條帶，表示裂縫的半充填狀態(tài)。在L1中可以在三維尺度上清楚地觀察到裂縫的發(fā)育及分布情況。

經(jīng)測量裂縫的角度主要分為兩組，一組傾角為30°左右，一組傾角為20°左右。根據(jù)裂縫的填充情況可以將裂縫分為兩種。半填充裂縫的寬度為0.5 mm，完全填充的裂縫寬度明顯大于半填充裂縫，其寬度為1.2 mm。

圖2　灰黑色粉砂質(zhì)頁巖巖芯N1的CT掃描圖像及重建體模型Fig.2 Scanning image and data model of core N1 of grey blacksilt shale

J1～J2: N2體模型不同方向的切面；L2～L3:體模型的裂縫提取圖J1～J2: the different profile of N2 data model；L2～L3: the extracted figure of data model

圖3　含黃鐵礦黑色泥巖巖芯N2的CT掃描圖像及重建體模型Fig.3 Scanning image and data model of core N2 of black mudstone containing pyrite

2.3含黃鐵礦的黑色泥巖

以300 kv，1.5 mA，焦點尺寸1 mm，積分時間0.1 s，旋轉(zhuǎn)速度0.7°/s的測試條件對N2黑色泥巖進(jìn)行測量，巖芯測量長度為70 mm。如圖3所示，在CT的掃描圖像中，可以清楚的看到三組不同方向的裂縫發(fā)育，如圖3a中可看到一組白色的條帶，一組黑色的條帶，但是這組裂縫的延伸方向是相同的。在體模型中，經(jīng)測量這兩組裂縫的傾角是大致相同的，均為30°左右。在圖3c、d中，可以清楚的觀察到一組與原來方向不同的裂縫b31，其在裂縫提取圖L2中可以觀察到，裂縫長度發(fā)育較短。在圖3d中，還可以看到兩組相互垂直的裂縫，一組呈灰白色、為填充裂縫，一組呈黑色、為未填充裂縫。但未填充裂縫并未在體模型中觀察到，這是由于裂縫處于掃描巖芯的最下部，裂縫的掃描長度有限，在建模中并未完全表現(xiàn)出來。

經(jīng)測量，圖3a中裂縫a31傾角大約為30°左右，在體模型截面J1、J2可以觀察到這組裂縫的灰度值并不均一，有完全偏白色的，也有白色和黑色相間分布的，所以裂縫a31分為完全填充裂縫和未完全填充裂縫。其中填充裂縫的裂縫寬度為1.5 mm，未完全填充裂縫的裂縫寬度為0.6 mm。圖3b、c所顯示的裂縫b31的傾角大約為70°，該組裂縫寬度較大，為2 mm。圖3d中未被填充的裂縫則無法測得其傾角。但是可以確定有三組不同方向的裂縫發(fā)育。在裂縫填充物提取圖3L2和3L3中，可以清楚地觀察到裂縫彼此之間的切割關(guān)系。

2.4黑色碳質(zhì)泥巖

圖4　黑色碳質(zhì)泥巖巖芯N3的CT掃描圖像及重建體模型Fig.4 Scanning image and data model of core N3 of blackcarbonaceous mudstone

以300 kv，1.3 mA，焦點尺寸1 mm，積分時間0.08 s，旋轉(zhuǎn)速度1°/s的測試條件對N3黑色碳質(zhì)泥巖進(jìn)行測量，巖芯測量長度為101 mm。如圖4所示，按照巖芯由上到下的順序選取掃描圖像a、b、c。圖4a中可以清楚的看到一組裂縫，在灰度圖像中顯示黑色的條帶，在黑色條帶中間夾雜著一些灰黑色的條紋，這是裂縫的礦物填充物。在N3體模型截面中可以清楚的觀察到這組裂縫a41的發(fā)育情況，即在圖4J1、4J2、4J3截面中傾角大約為70°左右的白色條帶。圖4b中裂縫b41與裂縫a41相交，在體模型截面圖中可以看到裂縫b41近乎直立并與a41相交。在體模型截面中可以觀察到這兩組裂縫的灰度值均呈現(xiàn)黑白相間的現(xiàn)象，所以a41 與b41均為未完全填充的裂縫。圖4c中，白色的條帶被a41和b41所截斷，這是另一條不同的裂縫c41，這條裂縫可以在體截面圖4J2中看到，是一條傾角大約為48°的完全填充的裂縫。在裂縫填充物提取圖4L4中可以看出因為一些細(xì)小的裂縫填充物的存在，裂縫中礦物填充分布顯得比較復(fù)雜，但也可以根據(jù)其在體模型中的分部，將其分為三組。

因此在該巖芯中至少存在三組裂縫，裂縫a41傾角大約為70°，即72.4°與69.5°的為一同一組裂縫，經(jīng)測量裂縫寬度為1.5 mm，為未完全填充裂縫。裂縫c41傾角為85°左右，經(jīng)測量裂縫的寬度約為1.9 mm，為未完全填充裂縫。裂縫c41為一組較小的裂縫，傾角約為44°。裂縫寬度為0.5 mm。因為完全填充的裂縫c41被裂縫a41和b41所截斷，所以發(fā)育時間在a41和b41之前，即這三組裂縫至少存在兩次構(gòu)造運(yùn)動才會產(chǎn)生。

2.5灰白色灰?guī)r

以300 kv，1.5 mA，焦點尺寸1 mm，積分時間0.1 s，旋轉(zhuǎn)速度1°/s的測試條件對N4灰白色灰?guī)r進(jìn)行測量，巖芯測量長度為80 mm。在CT掃描圖5a中可以很清晰的看到一組白色條帶，該組裂縫a52可以在體模型截面圖5J1中觀察到，其灰度值表現(xiàn)為白色與灰色斷續(xù)排列，且傾角有一定的變化。但總體的延伸方向可以確定，經(jīng)測量其傾角大約為45°，在圖5b中，可根據(jù)灰度值為白色條帶的延伸判斷，存在一組b52與a52相互截切裂縫，但在N4體模型截面中未能很好的展示出來，以至不能很好地觀察兩條裂縫的相互關(guān)系。而在裂縫填充物提取圖5L5中，可以看出填充物的大體的分布方向。在CT掃描圖像和建立的體模型截面（圖5）中，很難觀察到有其他裂縫的分布，但有很明顯的白色斑點在巖芯中分布，這點也可以在圖5L5中看出來。根據(jù)不同CT值在掃描圖像中所表現(xiàn)的灰度值不同，可以推斷，白色斑點為礦物富集的地方，但是沒有呈明顯的帶狀分布。在巖芯觀察中可以看到在該巖芯中是有裂縫發(fā)育的，所以這些礦物的聚集與裂縫的發(fā)育有一定的關(guān)系。

圖5　灰?guī)r巖芯N4的CT掃描圖像及重建體模型Fig.5 Scanning image and data model of core N4 of limestone

3　討論

根據(jù)句容盆地所獲取的七塊巖芯的CT掃描實驗，筆者對志留系下統(tǒng)的泥頁巖中裂縫發(fā)育研究。發(fā)現(xiàn)在該地層主要發(fā)育兩組不同的裂縫體系。一組為高角度裂縫體系，其傾角為70°左右；另一組為低角度裂縫體系，其傾角為30°～40°左右。在巖芯N3的CT掃描圖和體模型中可以看到高角度裂縫明顯切割低角度裂縫，所以高角度裂縫的發(fā)育時間要晚于低角度裂縫的發(fā)育時間。

通過工業(yè)CT技術(shù)及數(shù)據(jù)重建技術(shù)，可在巖芯中清楚的觀察到裂縫的發(fā)育及截切情況，并可以根據(jù)灰度值的不同，將裂縫或裂縫填充物提取在三維空間內(nèi)、立體的研究裂縫的發(fā)育狀況，將裂縫或孔隙以最直觀的方式展現(xiàn)出來。CT技術(shù)對巖性差異及密度差異比較大的巖石具有很好的裂縫識別。但在密度差別小的巖石中掃描識別的效果相應(yīng)的差了一些，比如對于N4灰白色灰?guī)r的識別，在作者調(diào)試很多次之后仍不能很好的識別其中的裂縫，尤其一些細(xì)小的裂縫暫時還不能清晰的識別。這與掃描的樣品也有關(guān)，當(dāng)樣品的掃描截面面積越小時，掃描的效果就會越好。相反，當(dāng)巖芯的掃描截面越大時掃描的效果越不明顯。本次實驗所用巖芯截面面積比較大，也是使CT掃描圖像不清晰的一個原因。對比N1與N4掃描圖像及其重建體模型?？梢钥闯觯?dāng)組成巖石的顆粒度越大，掃描的效果就會越明顯。

4　結(jié)論

根據(jù)掃描圖像及重建體模型數(shù)據(jù)體，可從很好的觀察裂縫的發(fā)育，且能夠很好的看到裂縫的截切關(guān)系，因而可以根據(jù)工業(yè)CT掃描圖像，判斷出裂縫發(fā)育的先后順序。為判斷構(gòu)造運(yùn)動對句容盆地的影響提供了很好的依據(jù)。

綜合重建體模型、CT掃描圖像及裂縫提取模型，可以識別研究的巖芯中主要存在兩組不同走向和傾角的裂縫，一組高角度裂縫，傾角約為70° ～90左右；一組低角度裂縫，傾角約為30°～40°左右。所以句容盆地在志留紀(jì)魯?shù)るA以后至少經(jīng)歷兩次及以上的構(gòu)造運(yùn)動。

從掃描圖像可以看出巖心樣品（100mm×65mm）工業(yè)CT掃描的特征，當(dāng)巖石樣品的礦物組成密度差別越大時，工業(yè)CT掃描就會越清晰；當(dāng)巖石樣品顆粒度越大時，掃描的效果就會越明顯。通過對重建體模型數(shù)據(jù)體的觀察發(fā)現(xiàn)，對于裂縫裂開程度大的裂縫建模后顯示比較明顯，對于非常細(xì)小的裂縫清晰度不夠。

致謝：感謝閆兵博士、孫闖博士、張勇博士、崔鍵博士、沈禮博士、沈淑鑫碩士等在論文準(zhǔn)備過程中提供的幫助和寶貴建議！感謝中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院提供實驗條件！本研究受江蘇省科技項目（BE2013115）和國家重大科技專項項目（2011 ZX05009-001和2011 ZX05003-002）資助，特表感謝！

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The Characteristicsofthe Core Fracture Structure Basedon The Industrial CTScanning

YUAN Jingwen1，JIA Dong1*，WEI Dongtao2,CHEN Zhuxin3,CUI Jian1,WU Xiaojun1
1.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023; China 2．Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Northwest (NWGI),PetroChina；Key Laboratory of Reservoir Characterization,China National Petroleum Corporation (CNPC)，Lanzhou 730020；China 3．Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Petrochina，Beijing 100083；China

Abstract:In order to study the characteristics of fractures in the shale，we used the industrial CT to scan the shale core in the Jurong basin，and analyzed the CT scanning data of shale by the digital processing technology.We established the model of CT scanning data and extracted the fracture by VGStudio MAX software.In this way we could study the differences between the structure of fractures in the shale which is composed of different mineral composition and the various CT image.The research results show that there are two groups of fractures with different strike and dip of fracture developed.The dip of one group with high angle was approximately 70°～90°；the other group with low angle was approximately 30°～40°.Jurong basin may have experienced at least two tectonic events after the Rhuddanian.The comparison of the shale composed of different composition indicated that the greater density differences of mineral component，the industrial CT scanning image will be more clear,and that the larger size of mineral grain,the effect of scanning will bemore obvious.

Key words:CT scanning；non-destructive test；the extracting of core fracture；the characteristics of core fracture

Corresponding author:JIA Dong,Professor; E-mail: djia@nju.edu.cn

*通訊作者：賈東，男，1960年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事含油氣盆地構(gòu)造和活動構(gòu)造研究; E-mail: djia@nju.edu.cn

作者簡介：苑京文，男，1990年生，碩士研究生，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè); E-mail: yjwnju@163.com

基金項目：江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013115）；國家重大科技專項項目（2011 ZX05009-001; 2011 ZX05003-002）聯(lián)合資助

收稿日期：2015-12-11；修回日期：2016-01-17

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015241

中圖分類號：P618.13

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7493（2016）01-0200-07