基于X 射線微米CT 掃描技術(shù)的煤巖孔裂隙多尺度精細表征
——以沁水盆地南部馬必東區(qū)塊為例

陳彥君 ，蘇雪峰 ，王鈞劍 ，宋 洋 ，汪明豐 ，郎云峰

（1.中國石油集團公司煤層氣開采先導試驗基地，河北任丘062552；2.中國石油華北油田分公司，河北任丘062552；3.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京100083）

煤層氣是賦存在煤層的烴類氣體，是優(yōu)質(zhì)清潔能源。中國煤層氣資源潛力巨大，加快煤層氣有效動用，有助于保障煤礦安全生產(chǎn)、增加清潔能源供應、減少溫室氣體排放［1］。生產(chǎn)過程中，吸附在煤巖基質(zhì)微納米孔裂隙中的煤層氣通過排水降壓、解吸、擴散至儲層的大中孔、割理和天然微裂隙中，在壓差的作用下從天然微裂縫滲流到人工裂縫或者井筒［2］。因此，精確表征和刻畫煤巖的孔裂隙系統(tǒng)對指導煤層氣的有效排采和開發(fā)具有重要的意義［3］。

表征煤巖孔裂隙的常規(guī)方法主要包括壓汞和液氮等實驗方法［4-5］，該類方法主要通過注入流體測量樣品的連通孔裂隙，測試過程中可能對樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞，影響實驗的準確性［6-7］。近年來，基于圖像處理和分析技術(shù)測量煤巖的孔裂隙結(jié)構(gòu)方法得到了廣泛的應用［8］。其中評價煤巖平面微觀特征的技術(shù)手段主要包括：高分辨率場發(fā)射掃描電鏡法［9］、原子力顯微鏡法［10］、小角度X射線散射法［11］和透射電子顯微鏡法［12］等。表征煤巖結(jié)構(gòu)及孔裂隙空間的三維展布主要依靠聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）和X射線微米CT掃描技術(shù)，通過圖像處理、分割等技術(shù)手段構(gòu)建煤巖的三維孔裂隙網(wǎng)格模型，分析孔裂隙的結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)學參數(shù)。FIB-SEM圖像精度高，但剝蝕巖石區(qū)域較小、視野有限，常用于分析煤巖微米至納米尺度儲滲空間的結(jié)構(gòu)與物性顯現(xiàn)［13］；X射線CT掃描技術(shù)利用X射線對巖石進行全方位、大范圍快速且無損掃描并重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)特征，其圖像精度可達十幾個微米至幾個微米，相比于傳統(tǒng)實驗方法如壓汞法和氣體吸附法，X射線CT掃描技術(shù)具有不僅能呈現(xiàn)樣品中孔裂隙空間分布與連通性，還能夠精細定量表征煤巖孔裂隙形態(tài)、分布以及礦物分布的特點，因此該方法被廣泛應用于精確表征煤巖微米-毫米級連通微裂隙特征［14-15］。

目前，諸多學者應用X射線CT掃描技術(shù)從單一尺度對煤巖的精細結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)評價。研究主要包括：評價特定煤巖的三維孔裂隙空間分布特征［7，16］；剖析不同煤巖類型或煤體結(jié)構(gòu)煤巖的孔裂隙差異［17-18］；動態(tài)監(jiān)測煤巖的孔裂隙系統(tǒng)隨外界條件的變化趨勢［19-20］及探究不同圖像處理技術(shù)在煤巖評價上的優(yōu)缺點等［21-22］。盡管CT掃描技術(shù)對前人探究煤巖微觀結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，但利用該技術(shù)對煤巖多尺度孔裂隙評價的研究相對較少［23］。為此，以沁水盆地南部馬必東區(qū)塊煤層氣開發(fā)評價井取心樣品為對象，運用X射線微米CT掃描技術(shù)，借助三維可視化軟件Avizo將CT圖片進行處理和重建，建立研究區(qū)煤巖多尺度三維孔裂隙模型，并對煤巖的孔裂隙結(jié)構(gòu)和礦物分布進行定量精細表征，以期為進一步認識研究區(qū)煤巖物性特征及后續(xù)氣井的開發(fā)和改造提供借鑒。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗儀器采用天津三英精密儀器股份有限公司生產(chǎn)的Nanovoxe l3502E型3D計算機斷層掃描系統(tǒng)，儀器體素分辨率最高可達0.5 μm，掃描最大電壓為190 kV，最大功率為25 W。

實驗用煤巖樣品取自沁水盆地南部馬必東區(qū)塊某開發(fā)評價井3#煤層，取心深度為1 130.1～1 134.9 m。宏觀煤巖類型為半亮型，煤巖結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)。實驗樣品包括母樣和子樣，母樣為直接采集的取心樣品（圖1a），子樣取自母樣，經(jīng)人工鉆取并打磨成高度約為0.08 cm、直徑約為0.13 cm的圓柱形煤樣（圖1b），其主要參數(shù)如表1所示。母樣為CT粗掃的煤巖，子樣為CT精掃的煤巖，其掃描方式均為步進式掃描，每次旋轉(zhuǎn)0.25°，曝光時間為1 500 ms，其參數(shù)參見表2。

圖1 實驗樣品照片F(xiàn)ig.1 Experimental samples photos

表1 實驗樣品的基本參數(shù)Table1 Basic parameters of samples

表2 掃描煤巖樣品所使用的參數(shù)Table2 Parameters for CT scanning

1.2 實驗方法

圖像處理 在樣品的制備過程中，煤樣邊緣孔裂隙易在切割或研磨過程中被破壞，影響對煤樣真實孔裂隙的觀察和分析，另外，圖片過多還會加重建模分析過程中的計算負擔。因此在圖像處理和分析過程中，從CT掃描實驗得到的母樣數(shù)據(jù)中選取700張連續(xù)的CT切片，將其從中心位置裁剪成1 200×700 pixel大小的圖片；從子樣數(shù)據(jù)中選取500張連續(xù)的CT切片，將其從中心位置裁剪成800×800 pixel大小的圖片。

在選取合適的分析區(qū)域以后，為縮小生成的CT圖像與實際圖像之間的偏差，采用中值濾波的方法對圖像進行降噪。該方法將周圍像素灰度值相差較大的像素改為與周圍像素值相近的像素值來消除孤立噪聲點，具有在消除圖像噪聲的同時能夠保護圖像邊緣的特點。分析降噪前后的CT圖片（圖2）能清楚地看出，通過中值濾波法降噪后，噪聲點明顯減少。

圖像分割 圖像處理后，采用分水嶺算法對煤巖的孔裂隙結(jié)構(gòu)進行三維重建，考慮分水嶺算法對圖像中噪聲及細微的灰度變化產(chǎn)生過渡分割的現(xiàn)象，在CT掃描之前通過壓汞實驗對樣品進行孔裂隙度的測定，進而通過高分辨率CT灰度圖像以及Avi?zo軟件反復調(diào)整閾值，確保對應的孔裂隙率與實測孔裂隙率更接近。由閾值分割前后的圖像對比（圖3）可以看出，在圖像分割后煤巖中孔裂隙、煤巖基質(zhì)以及高密度礦物的分布更加明顯。

圖2 CT圖片降噪前后對比Fig.2 Noise reduction of CT image

圖3 閾值分割前后圖像對比Fig.3 Thresholding segmentation image

CT三維煤巖結(jié)構(gòu)重建 閾值分割后，為充分了解煤巖樣品內(nèi)部整體孔裂隙結(jié)構(gòu)和礦物分布特征，利用Avizo圖像處理軟件，采用快速分水嶺算法捕獲連通孔裂隙分水嶺線，以區(qū)分和提取不同的孔裂隙結(jié)構(gòu)進行定量分析，建立三維孔裂隙結(jié)構(gòu)。由圖4a可以看出1號母樣的孔裂隙規(guī)模、不同孔徑孔裂隙的分布情況及連通情況（紅色為連通孔裂隙，彩色為孤立孔裂隙），由圖4b可以看出1號母樣煤巖基質(zhì)和裂隙的空間分布及接觸關(guān)系，清晰顯示了孔裂隙在煤巖中的分布情況（紫色為微裂隙，綠色為煤巖基質(zhì)）。

圖4 1號母樣孔裂隙結(jié)構(gòu)三維示意Fig.4 Three-dimensional pores and fractures structure sketch map in the No.1 parent sample

2 煤巖多尺度孔裂隙空間分布特征

2.1 母樣孔裂隙空間分布特征

煤巖的宏觀孔裂隙系統(tǒng)及礦物的充填情況對煤層氣的運移和產(chǎn)出起決定作用，二者的分布狀態(tài)直接反映了煤巖的滲透性及可改造特征。1號煤巖母樣的原生割理被后期構(gòu)造作用改造完全，導致相互垂直的原生割理完全不可見。母樣發(fā)育3條較為明顯的宏觀孔裂隙，呈片狀分布、延伸較遠順層展布，此外還發(fā)育大量的孤立宏觀孔裂隙（圖5a，藍色為連通孔裂隙，彩色為孤立孔裂隙）。母樣大部分孔裂隙均被礦物充填，連通孔裂隙主要分布在順層方向，垂直層理方向上的孔裂隙連通較差（圖5b，藍色為連通孔裂隙，彩色為孤立孔裂隙）。

2.2 子樣孔裂隙空間分布特征

煤層氣儲層作為雙孔裂隙介質(zhì)，除宏觀孔裂隙以外，基質(zhì)中還存在大量的微觀孔裂隙。其中煤巖基質(zhì)中的納米級孔裂隙為煤層氣的儲集提供了場所，而微米級孔裂隙則作為溝通納米級孔裂隙和宏觀孔裂隙的通道，其連通程度控制了煤層氣的產(chǎn)出。由圖6可以看出，在分辨率為0.8 μm的條件下，1號子樣發(fā)育大量的微米級孔裂隙，整體上呈均勻分布的分散孔或礦物充填孔，除1條呈片狀分布的孔裂隙以外，其余孔裂隙均不連通。

分析母樣和子樣的礦物分布和孔裂隙空間分布特征，認為研究區(qū)煤巖樣品微觀過渡孔發(fā)育較差，采取針對性的改造措施有效地釋放微觀孔裂隙，是進一步提高研究區(qū)產(chǎn)能的方向。

圖5 母樣宏觀孔裂隙以及礦物分布Fig.5 Pores，fractures and mineral distribution in parent sample

圖6 子樣孔裂隙空間與礦物Fig.6 Pores，fractures and mineral distribution in child sample

3 煤巖多尺度孔裂隙結(jié)構(gòu)的定量表征

觀察重建煤樣的多尺度孔裂隙結(jié)構(gòu)，定性分析其孔裂隙空間分布和礦物分布特征，是了解煤巖微觀結(jié)構(gòu)的直觀手段，但要對孔裂隙結(jié)構(gòu)進一步研究，需對孔裂隙結(jié)構(gòu)微觀參數(shù)進行定量計算和剖析。

3.1 母樣孔裂隙結(jié)構(gòu)的定量表征

為定量分析煤巖母樣的孔裂隙結(jié)構(gòu)特征，通過CT粗掃，結(jié)合Avizo圖像處理對煤巖母樣的孔裂隙結(jié)構(gòu)和礦物分布進行單獨提取和刻畫，根據(jù)孔裂隙所占空間將煤巖母樣的孔裂隙系統(tǒng)分為A—C共3種類型。A型孔裂隙為CT粗掃能夠識別出的最小孔裂隙系統(tǒng)，單個孔裂隙體積小于107μm3；B型孔裂隙為CT粗掃識別出的過渡孔裂隙，單個孔裂隙體積為107～109μm3；C型孔裂隙為CT粗掃識別出的最大孔裂隙系統(tǒng)，單個孔裂隙體積均大于109μm3。

分析結(jié)果（表3，表4）表明，3塊母樣的總孔裂隙體積百分比為2.46%～4.90%，裂縫平均寬度和分形維數(shù)較接近，與煤巖埋深相關(guān)性不大?？偪琢严兜闹饕M成為C型，A型和B型占比較低。由于3塊樣品的礦物含量較高，除去孤立孔裂隙后，僅有部分C型孔裂隙相連通，母樣的連通孔裂隙體積百分比為1.81%～4.11%。由此可知，3塊樣品雖然宏觀孔裂隙連通性均較好，但過渡性孔裂隙較不發(fā)育，不利于溝通次一級孔裂隙使煤層氣發(fā)生擴散和運移。

表3 母樣的孔裂隙體積百分比和礦物含量分析結(jié)果Table3 Pore volume and mineral content of parent sample

表4 母樣的連通孔裂隙體積百分比分析結(jié)果Table4 Total connected pore volume of parent sample %

為深入分析母樣孔裂隙結(jié)構(gòu)與分布，在對孔裂隙進行整體刻畫后，從單孔孔裂隙體積的角度對母樣的孔裂隙數(shù)目和體積百分比進行統(tǒng)計分類。由圖7可知，3塊母樣不同孔裂隙體積的孔裂隙數(shù)目隨孔裂隙體積的逐漸增大而降低，而孔裂隙體積所占百分比卻在孔裂隙體積達到1010μm3以后顯著增加。這說明母樣宏觀裂隙數(shù)目雖少，但其總孔裂隙體積占比最大。以1號母樣為例，該樣品僅發(fā)育4條宏觀孔裂隙，但總孔裂隙體積占比達86%。

3.2 子樣孔裂隙結(jié)構(gòu)的定量表征

為定量表征煤巖子樣孔裂隙結(jié)構(gòu)，采用與母樣類似的分析方法，利用CT掃描技術(shù)，結(jié)合Avizo圖像處理對子樣的孔裂隙結(jié)構(gòu)和礦物分布進行單獨提取和刻畫，并根據(jù)孔裂隙所占空間將煤巖子樣的孔裂隙系統(tǒng)分為D—F型共3種類型（表5）。D型孔裂隙為CT精掃能夠識別出的最小孔裂隙系統(tǒng)，單個孔裂隙體積小于10 μm3；E型孔裂隙為CT精掃識別出的過渡孔裂隙，單個孔裂隙體積為10～1 000 μm3；F型孔裂隙為CT精掃識別出的最大孔裂隙系統(tǒng)，單個孔裂隙體積均大于1 000 μm3。

圖7 母樣孔裂隙體積與孔裂隙數(shù)目及體積百分比的關(guān)系Fig.7 Pore number and pore volume percentage under different pore volume of parent sample

分析結(jié)果（表5）表明，3塊子樣與母樣總孔裂隙體積相關(guān)性不大，總體為1.83%～4.64%。與母樣相比，子樣礦物含量均偏低，進一步說明研究區(qū)礦物主要充填了樣品中較大規(guī)模的宏觀孔裂隙。3塊子樣孔裂隙以E型為主，D型和F型較少。與母樣不同，子樣孔裂隙除1號樣品的Z方向以外均不連通。

由子樣不同孔裂隙體積的孔裂隙數(shù)目及對應體積百分比關(guān)系（圖8）可知，子樣與母樣孔裂隙體積分布模式有很大區(qū)別。由于子樣缺少大規(guī)?？琢严?，隨孔裂隙體積的增大，孔裂隙數(shù)目與孔裂隙體積百分比均呈先增大后減小的趨勢。子樣孔裂隙體積為10～100 μm3的孔裂隙數(shù)目最多，孔裂隙體積為100～1 000 μm3的孔裂隙體積百分比最大。

表5 子樣的孔裂隙體積百分比和礦物含量分析結(jié)果Table5 Pore volume and mineral content of child sample

圖8 子樣孔裂隙體積與孔裂隙數(shù)目及體積百分比的關(guān)系Fig.8 Pore number and pore volume percentage under different pore volume of child sample

4 結(jié)論

沁水盆地馬必東區(qū)塊3#煤層發(fā)育多尺度孔裂隙結(jié)構(gòu)，孔裂隙總體積分布比較分散，在局部區(qū)域形成連片狀裂隙。煤巖孔裂隙宏觀上以C型為主，微觀上以E型為主。根據(jù)子樣和母樣礦物含量的相關(guān)性可知，樣品較大規(guī)模的孔裂隙多被礦物充填，限制了煤層氣的滲流和產(chǎn)出。認為消除孔裂隙中充填礦物的影響，進一步釋放煤層氣的滲流通道，是提高研究區(qū)煤層氣產(chǎn)量的有效方式。