CT掃描技術(shù)在石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

陳蒲禮 汪霞 張曉宇 馬冬晨 趙瑞明 陳國(guó)輝

1 引言

CT 掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、制造業(yè)和地質(zhì)學(xué)等研究領(lǐng)域[1]。各國(guó)學(xué)者用 CT 掃描技術(shù)對(duì)多孔介質(zhì)的研究已超過了30年。隨著技術(shù)的進(jìn)步，CT 圖像的質(zhì)量逐漸提高，目前 CT 掃描儀的空間分辨率可達(dá)到納米級(jí)，可以清晰地探測(cè)實(shí)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生 X 射線的球管、承載樣品的樣品臺(tái)、探測(cè) X 射線并產(chǎn)生投影的監(jiān)測(cè)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(tái)可以 360°旋轉(zhuǎn)，探測(cè)器可以檢測(cè)經(jīng)樣品衰減后的 X 射線。

圖1 CT 掃描儀基本結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 CT 掃描儀的實(shí)驗(yàn)方法和工作原理

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

第一步，打開主控計(jì)算機(jī)的界面操作平臺(tái)，將樣品放在樣品臺(tái)上固定好，開啟射線源，設(shè)置分辯率的大小，調(diào)節(jié)電壓強(qiáng)度及樣品臺(tái)的高度，這些步驟操作完畢后進(jìn)行樣品掃描。

第二步，用主控計(jì)算機(jī)對(duì)得到的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)及各類分析工作。

2.2.2 工作原理

當(dāng) X 射線穿過樣品時(shí)，它與物質(zhì)中的原子相互作用而引起能量的衰減，不同的原子對(duì) X 射線具有不同的吸收強(qiáng)度（衰減系數(shù)）[3]，基于這些物質(zhì)的原子對(duì) X 射線的吸收強(qiáng)度可以展現(xiàn)物質(zhì)的組成成分及物體結(jié)構(gòu)。當(dāng) X 射線穿過樣品時(shí)，對(duì)X 射線吸收程度的測(cè)試結(jié)果為此束射線路徑上所有物質(zhì)對(duì)其衰減系數(shù)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(qiáng)度，IO表示入射射線強(qiáng)度，i表示射線路徑上物質(zhì)中的某一組分，μi表示第i組分對(duì)X 射線的衰減系數(shù)，Xi表示X 射線路徑長(zhǎng)度。

CT 掃描成像正是基于這一原理，對(duì)穿過物體的X 射線進(jìn)行測(cè)量，然后通過FDK 算法對(duì)掃描后的投影圖像進(jìn)行重構(gòu)，最終得到物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[4-7]。

3 CT 掃描技術(shù)在石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

CT 掃描儀能對(duì)巖心樣品進(jìn)行無(wú)損掃描，重構(gòu)的數(shù)字巖心幾乎反映了真實(shí)巖心的結(jié)構(gòu)形態(tài)特征，可以用來(lái)觀察儲(chǔ)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(gòu)后得到的灰度圖像，利用圖像分析軟件對(duì)重構(gòu)圖像每個(gè)截面進(jìn)行二值化處理，可以計(jì)算出每個(gè)截面的面孔率（如圖2所示）和整個(gè)圖像的孔隙度及孔隙大小等物性參數(shù)（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(nèi)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(nèi)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(lán)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(nèi)部不同直徑孔隙的分布

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

圖5 氣測(cè)孔隙度值與CT 測(cè)試孔隙度值相比較

3.2 裂縫評(píng)價(jià)及其空間展布分析

對(duì)重構(gòu)后的巖心3D 圖像，可以通過軟件分析裂縫的數(shù)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(píng)價(jià)及空間展布

3.3 化石鑒定

對(duì)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(jìn)行鑒定。CT 掃描技術(shù)出現(xiàn)后，可以對(duì)生屑灰?guī)r進(jìn)行無(wú)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(zhǔn)確性。

圖7 巖石內(nèi)部古生物的CT 圖像

3.4 剩余油評(píng)價(jià)分析

油、水在密度上的差異，用灰度值將二者分割，可對(duì)巖石中孔隙內(nèi)部的流體分布情況進(jìn)行宏觀顯現(xiàn)。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(qū)前原始的油水分布圖，右圖是水驅(qū) 20PV 后的油水分布圖。運(yùn)用CT 分析軟件對(duì)水驅(qū)后的剩余油情況進(jìn)行計(jì)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(jìn)行分割，并利用專業(yè) 3D 建模軟件對(duì)油水進(jìn)行模型建立，更加直觀地顯示了水驅(qū)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(qū)前后油占巖心的體積百分比

圖9 水驅(qū)前后油的賦存狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）CT 技術(shù)將實(shí)際巖心轉(zhuǎn)化為數(shù)字巖心以后，可以通過分析軟件對(duì)重構(gòu)圖像二值化，計(jì)算巖心的面孔率、孔隙的直徑、孔隙體積等各種物性參數(shù)。

（2）CT 技術(shù)能無(wú)損掃描巖石樣品，并且能提供三維立體圖像，可以真實(shí)反映巖石內(nèi)部信息。對(duì)重構(gòu)后的數(shù)字圖像，可分析裂縫的數(shù)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(huì)對(duì)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(xué)顯微鏡下，對(duì)其鑒定。除此之外，薄片上的古生物信息只展現(xiàn)出一個(gè)面，而 CT 掃描重構(gòu)后的數(shù)字圖像能展示生物的立體信息，這無(wú)疑增加了古生物鑒定的準(zhǔn)確性。

（3）CT 技術(shù)可以對(duì)不同驅(qū)替階段的巖心進(jìn)行掃描，可以將巖心內(nèi)部的剩余油分布以圖像的形式清晰的呈現(xiàn)出來(lái)，加之輔助圖像分析處理軟件，可以定量的計(jì)算出各個(gè)階段的含油飽和度。