基于鑄體薄片和CT掃描分析灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu)

李海波

(山西華晉吉寧煤業(yè)有限責任公司,山西 臨汾 042100)

0 引言

煤系地層灰?guī)r是煤炭資源中常見的巖石類型。灰?guī)r作為煤炭資源的伴生巖石,成巖作用復(fù)雜,儲層致密、孔隙復(fù)雜程度高,有明顯的非均質(zhì)性和各向異性?；?guī)r結(jié)構(gòu)特征的研究對煤炭資源的勘探和開發(fā)具有重要意義,能提高煤炭開采過程中資源的利用效率,提升礦井安全生產(chǎn)評價指標[1-4]。

在巖石顯微孔隙圖像分析中,巖石鑄體薄片法是最常用的。其方法是將染色樹脂注入抽空的巖心孔隙內(nèi)部,待樹脂凝固后,將巖心按特定的方位切片打磨,再放在顯微鏡下測量。鑄體薄片中樹脂部分能夠展示出巖石在二維空間上的孔隙結(jié)構(gòu)。因此,可以直接觀測巖石薄片的孔隙、喉道、孔喉配位數(shù)及面孔率等。張創(chuàng)[5]利用鑄體薄片資料進行儲層孔隙度演化,推導(dǎo)了壓實、膠結(jié)損失孔隙度與溶蝕增加孔隙度計算公式,建立了考慮各種成巖作用結(jié)果和成巖過程中巖石表觀體積變化情況下的結(jié)果檢驗方法。蔡宇恒[6]基于巖石鑄體薄片采用深度學習的方法自動提取圖像孔隙。李天平[7]利用遷移學習解決鑄體薄片數(shù)據(jù)量少,而影響孔隙分割準確率的問題。鑄體薄片[8-9]已經(jīng)廣泛的用于巖研究石的孔隙性質(zhì)、孔隙連通性、巖石儲層特征等。

近年來,CT掃描技術(shù)在煤炭和石油開采行業(yè)的廣泛應(yīng)用,形成了基于CT成像[10]的三維高精度表征技術(shù),對微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究具有重大意義。CT掃描數(shù)字巖心技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)巖石微觀結(jié)構(gòu)的三維可視化和精細化定量表征。從微觀角度對巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征進行深入研究。王威等[11]總結(jié)了CT技術(shù)對巖石對微觀結(jié)構(gòu)的定量研究與應(yīng)用實例給出了糜棱巖、砂巖和灰?guī)r三個不同樣品的計算分析實例。熊健利用微CT技術(shù),研究了砂礫巖儲集層巖石的二維孔隙結(jié)構(gòu)和三維孔隙結(jié)構(gòu)特征,分析了瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖樣品的空隙特征[12];鄧遠剛運用CT掃描技術(shù)對典型脆性巖樣單軸壓縮破壞后破裂面及全斷面進行掃描,獲取全斷面的細觀形態(tài),分析和總結(jié)了典型脆性巖樣破壞細觀裂紋擴展的發(fā)展規(guī)律[13];查明利用CT掃描技術(shù)從三維角度表征儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)、裂縫分布、微觀流體特征等;定量分析巖石物性參數(shù);動態(tài)地監(jiān)測微觀流體驅(qū)替、巖石裂縫的延伸規(guī)律[14];張?zhí)旄斗治鯟T技術(shù)在儲層地質(zhì)研究中的應(yīng)用發(fā)展歷程,將CT掃描三維數(shù)據(jù)體和數(shù)字巖心組合在一起,可以提取巖石物理屬性參數(shù)[15]。黃宛瑩[16]利用三維動態(tài)CT圖像數(shù)據(jù),通過圖像切割、圖像分割等處理步驟,以團簇為基本表征單位,表征不同形狀、大小孔隙的動態(tài)變化過程,分析對比全部孔隙、大團簇、小團簇和裂隙型小團簇的動態(tài)圖像。Fan Nan等[17]采用高分辨率x射線微CT對沙曲煤礦焦煤樣進行CT掃描。Liu Xuechao等[18]從孔隙角度和孔隙分辨率兩個方面研究了孔隙幾何形態(tài)對孔隙分析的影響。Xie Linglu等[19]利用 x 射線計算機斷層掃描CT技術(shù)建立了數(shù)字巖心模型。邢敏[20]基于CT掃描技術(shù)研究煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)。Wu Jinsui[21]采用CT掃描分析了砂巖的微觀結(jié)構(gòu)與滲透率。

因此,制備鑄體薄片可能需要樣本的切割和磨削,這可能導(dǎo)致樣品損失和結(jié)構(gòu)改變。此外,選擇適當?shù)那懈罘较蚝臀恢每赡軙绊懷芯拷Y(jié)果, 盡管CT掃描可以提供三維圖像,但它們可能難以直觀地可視化或分析。因此結(jié)合非侵入性的CT掃描技術(shù)和鑄體薄片分析方法,可以提供更全面和準確的灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)分析。本文通過CT掃描灰?guī)r巖芯,得到灰?guī)r三維數(shù)字巖心圖像,通過AVIZO軟件提取分析三維數(shù)字巖心內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù),得到所測巖心的孔隙度等一系列參數(shù),結(jié)合鑄體薄片則提供了巖石的顯微鏡下的細節(jié)特征,對灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進行了深入研究。

1 煤系地層灰?guī)r樣本和實驗方法

灰?guī)r樣本取自華北某煤田,打鉆取樣如圖1所示,開采樣品深度為900～1000m。選取10個樣品,采用鑄體薄片觀察研究巖石的顯微鏡下的細節(jié)特征,通過CT掃描圖像獲取了巖石的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

圖1 灰?guī)r樣品

2 鑄體薄片實驗

制備鑄體薄片,并在顯微鏡下觀察樣品的顯微結(jié)構(gòu)。鑄體薄片是通過將流體材料注入巖石樣品的孔隙空間,并在固化后進行切割和拋光得到的,可以直接展示巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和礦物組成(如圖2所示)。鑄體薄片實驗發(fā)現(xiàn)該地區(qū)灰?guī)r主要是泥晶、粉晶、泥-粉晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。巖石成分以粒徑小于0.01mm的泥晶白云石,和粒徑0.01～0.05mm的細粉晶白云石為主,次為方解石,見不均勻重結(jié)晶,粗粉晶、細晶條帶定向分布。泥質(zhì)以粘土礦物為主。見少量塵點狀鐵質(zhì)。巖石構(gòu)造縫發(fā)育,交織成網(wǎng)狀,縫寬0.01～0.35mm,方解石全充填。巖石孔隙以晶間微孔為主,孔徑大多數(shù)都小于0.03mm,孔隙分布不均勻,連通性差。

圖2 鑄體薄片圖

通過鑄體薄片鑒定實驗發(fā)現(xiàn),樣品1#、2#、4#、5#、7#、8#、9#都有構(gòu)造裂縫(如圖2所示)。這是成巖期壓實作用使灰?guī)r孔隙度縮小,其骨架顆粒之間隨著埋深增加,巖層發(fā)生壓溶作用形成的縫合線。壓實作用使灰?guī)r原生孔隙大幅度縮小,并且將一些塑性礦物壓成細條狀。

3 煤系地層灰?guī)r的CT掃描

3.1 CT掃描圖像獲取和預(yù)處理

從選取的掃描10個樣品中,制作邊長大概1cm 的方塊,進行CT掃描實驗的研究,如圖所示。CT掃描電壓110kV;電流一般是55mA;曝光時間0.3s,掃描的體像素為18.98μm。掃描完成后,用Recon重建軟件重建圖像(如圖3所示),將重構(gòu)完成的樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入Avizo軟件提取分析樣品孔隙結(jié)構(gòu)。

3.2 CT圖像的預(yù)處理

研究的目標區(qū)域像素大小為360*450*360,采用中值濾波(median filter)進行降噪,交互式閾值(“Interactive Thresholding”)進行二值化處理,切片閾值效果如圖4,從切片圖中明顯地看出在樣品1#、2#、3#、4#、6#、8#、9#中的切片圖中可以看出明顯的構(gòu)造裂縫,構(gòu)造裂縫的亮度高,說明巖體致密。結(jié)合鑄體薄片鑒定實驗,發(fā)現(xiàn)樣品1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#都有構(gòu)造裂縫(如圖4所示)。由于CT和鑄體薄片實驗樣品是從同一煤礦巖樣中取得不同的部分,綜合兩種實驗結(jié)果可知10個巖樣中9樣品中存在構(gòu)造裂縫,說明該地區(qū)的灰?guī)r樣品存在大量的構(gòu)造裂縫,并且表明巖石灰?guī)r具有脆性特性容易發(fā)生斷裂破壞,且受到應(yīng)力作用的重要證據(jù)。一些構(gòu)造裂縫呈直線或平行排列,會極大地限制垂向的連通性,這與構(gòu)造應(yīng)力場的作用有關(guān);而其他裂縫呈隨機分布,與巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和成分異質(zhì)性有關(guān)。

圖4 切片閾值效果圖

3.3 樣品總孔隙率、連通孔隙,面孔隙率,形狀因子的計算

3.3.1 總孔隙率和連通孔隙率

用Avizo 軟件分析重建后的樣品,采用交互式閾值區(qū)分樣品的固相和孔隙相,選擇“Volume Fraction”,計算出總孔隙率(見表1),總孔隙最大的為sample-8的9.7%,最小的sample-9 是4.4%。用Avizo軟件中的“Axis Connectivity”模塊對樣本切片進行處理,在定義連通性時,“6”表示共用一個面,“18”表示共用一個邊,“26”表示共用一個角。采用“6”共用一個面。計算連通孔隙(見表1)。所有樣品的連通度都很好,在此基礎(chǔ)上進一步計算,利用“Generate Pore Network Model”模塊,計算出的數(shù)據(jù)包括孔喉半徑(見表1)。孔隙度范圍是0.044～0.097,孔徑范圍是1.96～3.3μm,連通度最低的83.33%,說明雖然孔隙度較低,但連通度很好。

3.3.2 面孔隙率

選擇“XY planes”,計算每個樣品的xy方向切片的面孔隙率趨勢圖,從圖5中可以看出,每個樣品孔隙率隨著方向切片都會有變化,樣品1#和8#面孔率波動較大,其他樣品面孔隙率波動較小,說明只有樣品1#和8#非均質(zhì)性強,其他樣品沿xy方向非均質(zhì)性較弱。

圖5 面孔隙率

4 結(jié)論

(1) 構(gòu)造裂縫的存在:綜合分析顯示,在這個地區(qū)的灰?guī)r樣品中存在大量的構(gòu)造裂縫,這些裂縫交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這些裂縫對巖石的性質(zhì)和孔隙性有重要影響。

(2) 孔隙性不均勻:孔隙分布在樣品中不均勻,同時孔隙連通性較差,這意味著孔隙之間的連接有限,不同孔隙之間難以形成有效的通道。

(3) 主要礦物成分:在這個地區(qū)的灰?guī)r樣品中,主要的礦物成分是細粉晶白云石,其次是方解石。此外,泥質(zhì)成分以粘土礦物為主。

(4) 孔隙率和連通性:通過對CT掃描圖像的三維數(shù)字巖心重構(gòu),我們計算出了孔隙率和連通孔隙率。研究發(fā)現(xiàn),選擇閾值范圍對孔隙率計算結(jié)果有重要影響,孔隙率范圍在4.4%到9.7%之間,而連通性較高。

(5) 非均質(zhì)性趨勢:從樣品xy方向切片的面孔隙率趨勢圖中可以看出,只有樣品1#和8#表現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性,而其他樣品的非均質(zhì)性較低。

這對于研究該地區(qū)的灰?guī)r的物理性質(zhì)、水文地質(zhì)特性以及潛在的工程應(yīng)用都具有重要意義。深入了解巖石的微觀結(jié)構(gòu)有助于制定合適的開采和工程方案,同時也有助于更好地理解地下水流動和地質(zhì)過程。