基于CT掃描技術的巖心孔隙配位數實驗研究

夏惠芬，翟上奇，馮海潮，殷代印，馬文國，王 影

近年來，CT掃描技術被國內外廣泛應用于油藏滲流開發研究中，推動了滲流力學的技術進步。Dana George Wreath［1］利用CT技術測量了巖心中油的飽和度，Seetharaman Ganapathy［2］利用 CT 技術探索了巖心在聚合物驅條件下油飽和度的變化，Mengwu Wang［3］將CT技術用于測量巖心飽和油及聚合物驅替過程流體飽和度分布。國內學者對CT掃描技術也進行了大量研究，曹緒龍等［4－5］研究出用體積CT對巖心流體飽和度進行測量的技術，利用該技術測量了聚驅過程中流體飽和度的分布特點。高建等［6－7］通過CT掃描成像技術，建立了含油飽和度分布計算方法，得到三維含油飽和度分布，利用標準偏差和變異系數等方法對巖心水驅含油飽和度分布特征進行分析。趙碧華［8－9］應用CT掃描技術觀察油層巖心的孔隙結構，得出常規滲透率測試所得K值偏低。陳毅華等［10］利用X－CT技術，對安山巖裂縫型巖心進行了研究，提出了利用CT值計算含裂縫巖心的裂縫參數和不同類型孔隙度的方法。孫衛等［11－12］把X－CT掃描成像技術與水驅油實驗相結合，認為造成注入水啟動壓力、水驅油效率差異大的主要原因是儲層的低孔、低滲和孔隙結構的雙重結構；而造成水驅波及效率低、水驅油效率較低的主要原因是微觀孔隙結構非均質性較強。

目前我國在這方面的研究和應用主要集中在圖像分析層面，即利用CT圖像計算巖心樣品的密度、孔隙度、飽和度等，同時對微觀孔隙結構及孔隙內流體的分布作定性描述，而對于巖心孔隙結構中的配位數沒有明確描述。本文基于CT掃描技術，對巖心孔隙結構進行了研究，且給出了配位數的統計方法。

1 CT掃描實驗原理

CT的工作原理：任何X－射線投射影像都符合三維物體的二維投射原則。最簡單說來，我們可以把射線束近似看作為平行光束，則投射影像的每一點都包含三維物體對相應X－射線光束吸收程度的綜合信息。從幾何學角度分析，一系列一維的投射線重構成二維影像，而二維影像又重構為三維影像，如圖1所示。

圖1 平行光束幾何學

2 CT掃描實驗

2.1 實驗設備和實驗材料

高頻率CT機SkyScan1172（見圖1），以及相應的處理軟件是Data Viewer、CTAN、ANT和CTVol等；巖石切割機；大慶油田不同滲透率級別天然巖心。

圖2 CT掃描設備系統圖

2.2 實驗步驟

（1）用切割機將巖心切成CT夾持器要求的尺寸大小。

（2）對實驗儀器進行預熱15min。

（3）通過觀察樣品位置，調節到適合的位置開始掃描。

（4）將得到的數據圖片通過Nrecon重構出二維橫截面圖片。

（5）運用CTAN軟件進行分析和計算各孔隙結構參數。

（6）運用Data Viewer軟件計算配位數。

（7）實驗數據分析與總結。

2.3 巖心孔隙結構參數識別軟件界面介紹

運用CTAN軟件選取合適的感興趣區域，然后進行灰度值選取，灰度值的范圍是0～255，圖3給出了灰度值選取時的界面。由圖3可以看出，選取灰度在12～255，圖像中白色為巖石骨架，黑色為孔隙。

圖3 灰度值選取界面

在感興趣區域范圍內，選取合適的灰度值后，計算感興趣區的孔隙度，圖4給出了孔隙度計算的界面。如圖可以看出，選取灰度在12～255，該巖石的孔隙度為28.01%。

圖4 孔隙度計算界面

運用DataViewer軟件，把通過Nrecn處理的圖片立體化，把原本的圖片分成3個視圖，更加清楚地觀察各孔隙的具體結構，從而統計配位數的分布。把3個方向的圖片分別稱為俯視圖、左切圖和正切圖，如圖5所示。

圖5 配位數識別界面

2.4 配位數的查找方法

配位數是指每個孔道所連通的喉道個數。在DataViewer軟件中，我們把巖心掃描的圖像設置在三維坐標中，即x、y和z坐標，俯視圖為x和y坐標不變，只有z坐標變化；正切圖為x和z坐標不變，只有y坐標變化；左切圖為y和z坐標不變，只有x坐標變化。在俯視圖中的孔隙連通的喉道個數加上正切圖和左切圖中相同位置孔隙處連通的喉道個數，即為配位數。

以一個孔道為例，圖6給出了查找配位數的方法。由圖可以看出，俯視圖中孔隙的坐標位置是（486，2 128，818），在相同位置正切圖中，可以看出標有1、2、3、4的4個位置處都有凸起，都有可能有孔隙延伸發育。為了證明這4處是否是往外延伸，把鼠標放在正切圖的1（488，2 128，904）處，查看相同位置俯視圖與左切圖處是孔隙還是巖石骨架，如果是孔隙，那么就說明1處是連通的，所以可以看作是1個配位數。同理可以看出2處和4處也是，但是3處比較光滑，在相同位置處的俯視圖和左切圖處是巖石骨架，說明不是連通的，不能認為是配位數。

圖6 配位數識別圖

3 實驗結果分析

3.1 孔隙度測量

用CTAN處理后的巖心橫截面圖像進行灰度調整，使反白圖和孔隙內部結構圖最為接近時測量孔隙度。表1給出不同滲透率巖樣多個層面孔隙度的平均值。

表1 不同滲透率巖樣的孔隙度

3.2 配位數分布

利用DataViewer軟件，通過上述對配位數的查找方法，對不同滲透率二類油層巖樣的配位數進行了分析。圖7和圖8給出滲透率為370×10－3μm2和554×10－3μm2的巖樣的配位數分布。由圖可以看出，滲透率為370×10－3μm2的配位數主要在5～13之間，而且有50%以上的比例在7～9；而滲透率為554×10－3μm2的配位數在6～15之間，有60%以上的比例在10～13。

圖7 滲透率為370×10－3μm2的配位數分布

3.3 孔喉比

孔喉比是指孔隙與喉道直徑的比值。在CTAN軟件中打開BMP格式的圖像，選取合適的灰度值后，把圖片放大，觀察孔隙的連通性和孔喉比。圖9給出了二維圖像中孔隙和喉道的連通情況，如果流體在孔隙中流動，且流經喉道，那么把垂直流動方向上的孔隙直徑除以流經的喉道直徑稱為孔喉比。

圖8 滲透率為554×10－3μm2的配位數分布

圖9 孔喉比示意圖

在CTAN軟件中打開的圖像中，黑色為孔隙或喉道，拖動鼠標屏幕即顯示出該孔隙或喉道的直徑。圖9中Distance＝0.5pixel，是表示距離為0.5個像素點。而每一塊巖樣在通過Nrecon重構出二維橫截面圖片時，都會自動生成一個文本格式的文件，里面會給出這個巖樣的基本信息，其中就包括掃描該塊巖樣時一個像素代表的距離是多少微米。

表2給出了巖樣孔隙和喉道的直徑以及對應的孔喉比。由表2可以看出，孔喉比可以由幾變化到幾十，最大孔喉比可達60，而隨著滲透率的增加，孔喉比降低，這與恒速壓汞實驗得出的結論基本是一致的。

表2 不同滲透率巖樣的孔喉比

表2 （續）

4 結論

通過CT掃描實驗，對巖心孔隙結構進行分析，得出以下結論：

（1）CT掃描實驗給出了巖樣的孔隙度、配位數和孔喉比；

（2）滲透率為370×10－3μm2的配位數主要在5～13之間，而且有50%以上的比例在7～9；而滲透率為554×10－3μm2的配位數在6～15之間，有60%以上的比例在10～13；

（3）CT掃描得出的孔喉比由幾變化到幾十，最大孔喉比可達60，而隨著滲透率的增加，孔喉比降低，這與恒速壓汞實驗得出的結論基本是一致的。

（

）

［1］Dana George Wreath.A study of polymer flooding and residual oil saturation［D］.Austin：the University of Texas，1989：35－49.

［2］Seetharaman Ganapathy.Simulation of heterogeneous sandstone experiments characterized using CT scanning［D］.Austin：the University of Texas，1993：87－95.

［3］Wang Mengwu.Laboratory investigation of factors affecting residual oil saturation by polymer flooding［D］.Austin：the University of Texas，1995：9－21.

［4］曹緒龍，李玉彬，孫煥泉，等.利用體積CT法研究聚合物驅中流體飽和度分布［J］.石油學報，2003，24（2）：65－68.

［5］侯健，李振泉，張順康，等.巖石三維網絡模型構建的實驗和模擬研究［J］.中國科學G輯，2008，38（11）：1563－1575.

［6］高建，韓冬，王家祿，等.應用CT成像技術研究巖心水驅含油飽和度分布特征［J］.新疆石油地質，2009，30（2）：269－271.

［7］王家祿，高建，劉莉.應用CT技術研究巖石孔隙變化特征［J］.石油學報，2009，30（6）：888－893.

［8］趙碧華.用CT掃描技術觀測巖心中液流特性［J］.石油學報，1993，13（1）：91－96.

［9］趙碧華.用CT掃描技術觀察油層巖心的孔隙結構［J］.西南石油學院學報，1989，11（2）：57－64.

［10］陳毅華，趙德明.利用x－CT技術計算巖心的裂縫參數［J］.石油勘探與開發，1990（3）：82－86.

［11］孫衛，史成恩，趙驚蟄，等.X－CT掃描成像技術在特低滲透儲層微觀孔隙結構及滲流機理研究中的應用［J］.地質學報，2006，80（5）：775－779.

［12］王瑞飛，陳明強，孫衛.特低滲透砂巖儲層微觀孔隙結構分類評價［J］.地球學報，2008，29（2）：213－220.