基于三維CT掃描圖像的致密砂巖孔隙數(shù)據(jù)提取方法

孫 澤

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

近年來，隨著三維重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，研究的不斷深。致密砂巖作為一種非均勻性的多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究對于深入理解致密砂巖巖石內(nèi)部流體的儲存和運移機制具有重要意義，也是決定其孔滲特征的重要因素[1]?；诂F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對致密砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究技術(shù)，比如鑄體薄片、掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞法(MICP)、核磁共振(NMR)、物性測試分析等，這些技術(shù)或方法都只能反映出微觀孔隙的二維結(jié)構(gòu)信息，難以獲取三維分布及孔隙間連通性等信息[1]，為了得到測試結(jié)果，部分方法會破壞砂巖樣品本身結(jié)構(gòu)，如磨制鑄體薄片，掃描電子顯微鏡(SEM)要噴金，壓汞測試后巖樣中會殘留重金屬有害物質(zhì)等等，使采集的巖樣無法進行其他實驗。三維CT優(yōu)點在于，它不僅能夠在不損壞巖樣的條件下，對復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)進行360°檢測掃描，而且掃描過后的巖樣仍可進行其他試驗。美國學(xué)者Rosenberg等利用CT掃描技術(shù)建立了楓丹白露砂巖的三維數(shù)字巖心，Arns也通過三維CT掃描得到了孔隙度分別為8%、13%、15%和22%四塊楓丹白露砂巖的三維數(shù)字巖心，掃描分辨率為5.68μm/像素[7-9]。Coenen等通過CT技術(shù)成功建立了分辨率小于1μm的三維數(shù)字巖心模型[10，11]，可見用CT掃描獲取的巖心二維切片及三維立體圖像是當(dāng)前建立數(shù)字巖心三維重構(gòu)可視化最精確最直接的辦法，實現(xiàn)針對被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度分布和尺寸等信息的定性和定量分析，而不受被測對象內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度影響等特點[2-4]，本文利用Avizo數(shù)據(jù)可視化軟件對CT掃描重建數(shù)據(jù)分析，可以形象生動地展現(xiàn)所研究問題的實質(zhì)。

本次研究采用的是天津三英科技公司生產(chǎn)的nanoVoxel 3000 高分辨率CT掃描掃描儀，首先通過NanovoxelScan軟件控制CT掃描儀對巖石樣本進行三維透視掃描，再采用VoxelStudio Recon三維重構(gòu)軟件還原巖石樣本，將重構(gòu)的數(shù)字巖心添加入Dragenfly軟件中進行數(shù)據(jù)的修整、裁切，以及相關(guān)信息的提取?；谏鲜鰷?zhǔn)備工作完畢且保證數(shù)據(jù)體正確的前提下，利用Avizo計算和提取巖石樣本的孔隙度、孔喉大小及連通方式、孔隙占比、骨架結(jié)構(gòu)可視化等信息。實現(xiàn)微米級別孔隙的數(shù)據(jù)可視化，有助于對地下氣液流動機理的認(rèn)識。

1 實驗樣品

本文研究實驗樣品采自于山西省境內(nèi)華晉吉寧礦區(qū)的石炭二疊紀(jì)太原組致密砂巖含水層組，巖樣埋深450.18 m，平均厚度14.33 m。以淺灰色，灰色細(xì)粒砂巖為主，巨厚層狀，含巖屑及少量云母，分選中等，次圓-棱角狀，黏土膠結(jié)，堅硬，下部夾粉砂巖薄層。實驗樣品的物性分析及核磁共振測試的孔隙度、滲透率結(jié)果，見表1。

表1 巖樣的孔隙度和滲透率實測結(jié)果

從表1中可以看出，兩種方法在孔隙度的測試結(jié)果上，具有較大的差異(即物性孔隙度1.16%小于核磁孔隙度5.01%)，這是由于物性分析法(氣測法)的特殊性導(dǎo)致，其結(jié)果僅能反映連通孔隙部分，而核磁共振則能反映出總孔隙(連通孔隙和孤立孔隙)的數(shù)據(jù)。因此，總孔隙為5.01%，連通孔隙為1.16%，推導(dǎo)出孤立孔隙為3.85%，滲透率范圍在0.00183 mD～0.00210 mD之間。

2 三維CT掃描圖像中巖心目標(biāo)提取及重建

在傳統(tǒng)的二維CT掃描圖像中，選取樣本時盡量選擇形狀規(guī)則的，表面平整度較高的樣本，其目的是為了降低巖心周邊的噪聲點，便于后期降噪處理，而三英精密三維CT掃描儀，可以做到在不規(guī)則形狀的巖心上進行三維CT掃描，其掃描后的數(shù)據(jù)，隨即可運用三維重構(gòu)軟件將邊緣噪聲點以及硬化校正，實現(xiàn)巖心樣本的三維可視化，如圖1所示。

三維CT掃描是建立三維數(shù)字巖心最常用的方法，但在實際應(yīng)用過程中，也存在一些問題[5,6]：同一塊巖樣，由于分辨率的選定不同，會導(dǎo)致建立的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型存在明顯差異，若選取的過低，就難以辨識巖樣中的微細(xì)孔隙連通通道，計算機會自動忽略這部分孔隙通道，進而得到的孔隙度數(shù)據(jù)會遠(yuǎn)小于實際的孔隙度；若反之，分辨率過高，掃描出的數(shù)據(jù)體較大，這對計算機的硬件要求較高[1]。因此本次致密砂巖巖樣，根據(jù)其實測孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)，如表1所示。選取分辨率為2.98μm/像素，進行三維數(shù)字巖心模型的重建工作。在制作巖樣及掃描巖樣的過程中，應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：

圖1 巖心樣本及其CT圖像分析

圖2 三英精密CT掃描儀內(nèi)部掃描裝置工作原理(射線源、樣品臺及探測器)

(1) X射線源：射線源的位置應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)適中，在沒有觸碰到樣品的前提下，盡量將射線源靠近樣品臺，以求最大限度的提升目標(biāo)掃描區(qū)的分辨率，為后續(xù)的數(shù)字巖心的三維建模提供一個較好的載體。若掃描過程中未能做到這一點，掃描結(jié)果極有可能由于分辨率過低而導(dǎo)致重建數(shù)據(jù)不可用。

(2) 樣品臺：樣品需要制作成多大的體積，是根據(jù)研究目標(biāo)體的致密程度來決定的，若樣品過于致密(即孔隙度極低或射線源極不易穿透)的情況下，樣品體積需要磨制的盡可能小，與此同時，樣品臺距X射線源的距離應(yīng)當(dāng)盡可能靠近。在固定樣品時，應(yīng)當(dāng)盡可能地避免巖石樣品在掃描過程中出現(xiàn)偏移、滑動等現(xiàn)象的發(fā)生，因為偏移和滑動會導(dǎo)致三維重建數(shù)據(jù)體出現(xiàn)圖層間的不對接，最終成像模糊，孔隙反映呈“塊狀”分布，失去了三維成像可視化的意義。

(3) 探測器：探測器的位置關(guān)系到樣品在計算機屏幕中的成像，當(dāng)X射線源距離樣品臺足夠近時，需將探測器的位置進行左右調(diào)整，直至樣品整體出現(xiàn)在電腦屏幕的視域正中央，且樣品整體占視域面積的三分之二時，為最佳狀態(tài)。

(4) 電壓和電流：在調(diào)節(jié)電壓和電流的過程中，應(yīng)當(dāng)時刻關(guān)注樣品區(qū)及非樣品區(qū)的灰度值，切忌過高和過低。一般而言，樣品區(qū)與無樣品區(qū)灰度的比值在30%～50%為最佳，如圖3、4所示。

圖3 電腦控制CT掃描儀參數(shù)界面

圖4 電腦控制CT掃描儀參數(shù)界面

(5) 重建：結(jié)束掃描后，將數(shù)據(jù)體完整地加載到重建軟件中，在加載過程中，需要準(zhǔn)確無誤地記錄下數(shù)據(jù)體X軸、Y軸、Z軸方向以及數(shù)據(jù)體分辨率的大小等相關(guān)信息，該信息也將在孔隙度分析軟件Avizo中應(yīng)用。

(6) 圖像裁切：在重建好的數(shù)據(jù)體中進行裁切時，應(yīng)確保非樣品區(qū)完全裁切，保留下的樣品成像部分需完整且符合研究要求。

(7) 閾值范圍：在對裁切完成的巖心樣本進行閾值分割時，切記時刻關(guān)注巖樣每一層的孔隙度是否選中，確保最大限度的降低人為干預(yù)的影響。

3 基于三維CT圖像的孔隙提取方法

通過上述操作，得到巖心的重建模型后，將重建數(shù)據(jù)導(dǎo)入Avizo圖像處理軟件中，根據(jù)所要完成或達到的效果，點選相應(yīng)的命令。主要操作步驟如下：

(1) 提取總孔隙；

① 將原數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括裁切和過濾(如圖5、6所示)；

② 再進行閾值分割，即將孔隙和骨架提取為兩種顏色以示區(qū)分(如圖7所示)；

③ 導(dǎo)出的孔隙部分，計算孔隙體積占總體積的百分比；

(2) 提取連通孔隙，展示連通孔隙與孤立孔隙的位置關(guān)系(如圖8所示)。

提取連通孔隙及孤立孔隙，是為了后期可以更好地將兩類孔隙分類量化分析。提取連通孔隙，可以得到連通孔隙的球棒模型，即最大球算法模型如圖9所示。其意義在于可更為直觀的反映兩個孔隙間的相互位置關(guān)系及連通情況，球狀圖形為孔隙，管狀圖形為連通通道(在儲層的研究中，該部分被稱為喉道；在水害及瓦斯防治研究中，該部分被稱為滲流通道)，若球狀圖形連接的管狀圖形越多，則說明其配位數(shù)越高，即連通程度越強，滲透率就會越大；而提取出的孤立孔隙部分，可以在進行孔隙量化分析后，找出孤立孔隙中直徑較大的孔隙，該部分孔隙，對孔隙研究者而言，其意義和價值并不高，而對裂隙研究者而言，應(yīng)當(dāng)高度重視，因為后續(xù)在巖樣做壓力—滲透試驗時，該部分孤立孔隙會先于其他小孔隙發(fā)生破碎而產(chǎn)生裂隙或裂理，對巖樣滲透率的貢獻也遠(yuǎn)大于巖樣本身連通孔隙的滲透數(shù)值。

由于微米CT三維重建模型數(shù)據(jù)體較大，運用Avizo進行最大球算法(即球棒模型)，會使計算機運算變得緩慢甚至出現(xiàn)無法應(yīng)用的現(xiàn)象，因此可采用SypiCore軟件對建模數(shù)據(jù)體進行快速的最大球算法計算，其結(jié)果如下圖10所示。連通孔隙呈現(xiàn)出局部層狀分布，上下層之間處于弱連通或不連通狀態(tài)，且沒有兩端貫通孔的出現(xiàn)，判斷整體滲透率較弱。

圖5 三維CT掃描巖心重建模型

圖6 圖像裁切及過濾后的骨架結(jié)構(gòu)

圖7 二維圖像閾值分割

(3) 提取孤立孔隙；

① 利用總孔隙及連通孔隙，導(dǎo)出孤立孔隙部分，并對孤立孔隙進行量化分析，將孤立孔隙按照不同孔徑大小劃分出來。

② 篩選目標(biāo)孔徑的孤立孔隙部分，篩選目標(biāo)為直徑大于30μm的孤立孔隙。

圖8 提取出的連通孔隙及連通孔隙-孤立孔隙的位置關(guān)系

圖9 連通孔隙及最大球算法(球棒模型)

圖10 整個微米CT重建的球棒模型

在提取出來的孤立孔隙中，找到大于30μm的孤立孔隙分布規(guī)律，該部分是對滲透率無貢獻度或貢獻程度極弱的孔隙，除非有外力致使巖樣中心因破碎而產(chǎn)生裂隙，來增加連通程度的可能性，否則，它們是不參與導(dǎo)水、導(dǎo)氣，甚至是儲存油氣任務(wù)的，它們是閉合的孔隙。

③ 將篩選出的孔徑范圍求和，導(dǎo)出目標(biāo)孔徑的孔隙度。

(4) 分析總孔隙、孤立孔隙及連通孔隙的孔隙度規(guī)律。

4 孔隙度計算結(jié)果

1) 孔隙度占比情況

基于上述模型運算操作過程，可以很快得出各類孔隙體積占比情況，見表2。模型切塊大小為300×300×300個像素點，每1格代表1個像素點，即體像素為27000000，表2中的孔隙體積為相應(yīng)單元體像素相加。

表2 模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比表

從表2中的信息不難看出：

① 總孔隙體積占切樣體積比約為5.34%，與核磁共振的實測孔隙度5.01%較吻合，連通孔隙體積占切樣體積比約為0.94%，與物性分析的實測孔隙度1.16%較吻合，說明模型預(yù)測效果較好。

② 總孔隙體積中，孤立孔隙體積處于主導(dǎo)地位，約占總孔隙體積的82.4%，模型計算的滲透率0.00197 mD與實際測量的滲透率0.00183 mD～0.00210 mD吻合度較高。

③ 在孤立孔隙中，直徑大于30 μm的孔隙體積占的份額非常大，約為2.8%，根據(jù)孤立孔隙度約為4.4%，推算出直徑小于30 μm的孔隙體積約占孤立孔隙的1.6%，因此直接大于30 μm的孤立孔隙是裂隙研究者們應(yīng)當(dāng)著重注意的部分，在給巖樣施加壓力時，這部分孔隙是產(chǎn)生裂隙的首要位置。

2) 孔隙度計算與核磁共振測試的數(shù)據(jù)對比

為驗證整個數(shù)據(jù)體模型的有效性及準(zhǔn)確性，將模型運算結(jié)果同核磁共振測試結(jié)果進行比對，如圖11所示。

孔隙度計算結(jié)果與孔隙度測試結(jié)果大體上是接近的。由于X-微米CT掃描儀分辨率的影響，造成模型計算結(jié)果中缺失最小的孔分區(qū)間，而離心核磁共振是從最小的孔分區(qū)間開始記錄的，在這一方面，對模型計算結(jié)果是一種補充和完善。

5 結(jié)論

(1) 圖像處理軟件Avizo可快速地將CT掃描重建后的巖心進行數(shù)字化操作，打破二維圖像計算的局限性，使孔隙的大小、孔喉大小及連通程度、孔隙和基質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)的占比等數(shù)據(jù)信息能夠定量化和可視化，實現(xiàn)有針對性地圍繞目標(biāo)區(qū)域展開研究。如果我們將連通孔隙單獨作為目標(biāo)區(qū)域，它將幫助我們快速地將目標(biāo)孔隙從模型整體中分離出來，排除其他區(qū)域?qū)δ繕?biāo)區(qū)域的影響。該技術(shù)不但縮小了研究區(qū)域，還提高了研究精度。

(2) 三維 CT掃描具有無損化、便捷化、快速化以及可視化等優(yōu)勢。該技術(shù)起初應(yīng)用在生命科學(xué)領(lǐng)域，在巖心數(shù)字化的應(yīng)用中，還處在起步階段。本文的研究對象是吉寧礦石炭二疊紀(jì)太原組致密砂巖，模型計算結(jié)果同巖樣實測數(shù)據(jù)較為吻合，數(shù)字巖心真實地反映了孔隙的結(jié)構(gòu)表征。這將會拓寬煤系地層砂巖在微觀層面上研究的深度與廣度。

圖11 孔隙度計算及測試結(jié)果對比圖