基于CT扫描技术研究页岩水化细观损伤特性

马天寿，陈平

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学））

0 引言

页岩气是一种以游离或吸附状态存在于页岩层或泥岩层中的非常规天然气[1-2]，存在于几乎所有的盆地中，由于埋藏深度、含气饱和度等差异较大，分别具有不同的工业价值。页岩气高效开发的关键技术主要是水平井钻井技术和分段压裂改造技术[3-4]。井壁失稳问题是钻井工程中经常遇到的复杂问题之一[5]，在硬脆性页岩地层钻水平井使井壁失稳问题更加突出，容易导致卡钻、埋钻等井下复杂事故，严重时甚至导致井眼报废，造成巨大的经济损失。

考虑泥页岩水化的井壁稳定相关研究，主要经历了纯力学研究→钻井液化学研究→力学-化学（M-C）耦合研究→热-水-力-化学（T-H-M-C）多场耦合研究等几个阶段[6]。井壁稳定通常需要具备3个要素[7]：合理的钻井液密度、足够的钻井液抑制性和足够的钻井液封堵能力。这 3个要素的合理范围难以确定，其主要原因在于缺乏准确测量和评价钻井液性能的方法，无法建立坍塌压力与M-C耦合间的定量关系。因此，泥页岩井壁稳定研究难点仍集中于M-C耦合，页岩水化问题是关键。过去几十年已有大量针对井壁稳定 M-C耦合的研究，研究重点是定量描述化学作用引起的力学效应的理论方法，目前能够用于定量计算的理论方法有两种：热弹性比拟法和水分子自由能热动力学理论法[7-8]。但这两种方法仍然不能有效解决M-C耦合问题，因为建立定量描述方法的基础是先进的实验评价方法，而尽管国内外已有多种评价M-C耦合的实验方法，但并不能完全满足需求，且对硬脆性页岩地层M-C耦合井壁稳定的研究还比较少。

根据岩土损伤力学基本原理[9]，深部地层中页岩的破坏也是一种累积损伤过程，通过岩石三轴实验可以对其进行评价，但并不能有效评价页岩损伤的细观过程，宏观与细观研究相结合的方法已成为岩石力学研究的重要手段[10]。由于 CT技术能在无损伤条件下以二维断面图像或三维立体图像的形式展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况，越来越多的研究者利用 CT技术对岩土材料在不同荷载作用下的细观力学行为进行研究[11-12]。此外，水化作用下页岩宏观破坏实验不具备重复性，采用CT技术分析水化对页岩损伤的影响，可以为定量描述化学作用提供更加准确的数据。石秉忠等[13]采用 CT技术研究了页岩水化裂缝的拓展，贾利春等[14]采用 CT技术研究了火山岩水力裂缝的延伸规律，但在石油天然气开发领域，研究者主要采用 CT技术表征岩石的微观孔隙特征并建立数字岩心[15-17]。另外，刘向君、卢运虎等对页岩水化的岩石力学特性进行了大量实验研究[18-19]，但仍然只是宏观力学实验研究，还未见采用CT技术定量研究页岩水化细观损伤特性。

本文采用数字图像处理技术，充分利用CT图像中的信息，研究页岩水化过程中的细观损伤特性，并分析损伤变量与水化的关系，为定量研究页岩水化问题提供新的思路和方法。

1 实验设计

1.1 实验设备

CT扫描实验采用MicroXCT-400型CT机，该CT机是采用X射线的高分辨率3D成像系统，最大射线源电压120 kV，焦点尺寸5 μm，空间分辨率1.5 μm，要求岩样直径小于200 mm且质量小于15 kg。

1.2 实验岩样

CT扫描实验岩样取自威远气田龙马溪组露头页岩，沿着页岩层理方向钻取，为岩石力学标准测试岩样（25 mm×50 mm）。对龙马溪组页岩进行了全岩矿物和黏土矿物的X-衍射分析，结果表明：龙马溪组页岩石英含量40.19%，碳酸盐含量26.24%，黏土矿物含量37.33%，其中黏土矿物以伊利石发育为特点，伊利石相对含量达75.40%左右，其次是绿泥石、伊蒙混层、绿蒙混层和高岭石，相对含量分别为15.67%、8.43%、4.00%和3.67%，说明龙马溪组页岩属于中硬—硬脆性页岩，即页岩水化膨胀作用相对较弱。

1.3 实验方法

为了研究页岩水化过程中的细观损伤特性，将岩样在常温、常压环境中浸泡，浸泡液体为清水，并在不同的水化阶段（初始、5 d后、10 d后和15 d后）沿垂直方向对岩样进行上、中、下 3个断面的扫描。考虑到需要提取同一扫描断面的CT图像，为了保证扫描断面定位的准确性，将岩样放置在一个不影响X射线能量衰减的透明容器中，并固定岩样的位置，防止拆卸、安装过程中岩样在容器中位置发生改变，通过容器上的位置标示确定安装位置。浸泡岩样时，沿容器壁加入浸泡液体。扫描时通过容器底部的排液阀排出容器内液体再进行扫描。

2 页岩水化细观损伤特性分析

2.1 CT扫描灰度图像

图1为不同水化阶段岩样下部的CT扫描二维断面图像，密度越大表现为图像越亮，密度越小表现为图像越暗，裂缝、孔隙的密度最小，在图中表现为黑色。由图 1可知：未浸泡时，岩样内部基本不存在裂隙，岩样内部颜色较暗的条纹呈定向排列，其方向大致为北东—南西偏东方向，根据CT扫描原理可知，这些定向排列的暗色条纹为页岩的层理面；从CT图像中可以比较清晰地分辨出不同水化阶段岩样内部的损伤裂隙及其拓展情况，随着页岩水化时间的增加，页岩岩样出现微裂隙形成→扩展→宏观破坏的演化过程，而且岩样在浸泡5 d内微裂隙快速发育，之后微裂隙发育相对缓慢。

图1 不同水化阶段岩样下部断面CT扫描图

2.2 CT图像伪彩色增强

由于肉眼对灰度图像的分辨能力较弱，研究者不能直观地观察CT图像，必须借助于数字图像处理技术才能进行识别。因此，采用灰度级-彩色变换法对 CT图像进行伪彩色增强，即将灰度图像送入红、绿、蓝3个变换器合成为彩色图像（见图 2），该过程可以理解为红、绿、蓝三原色传递函数IR(x,y)、IG(x,y)、IB(x,y)与灰度值g(x,y)间的映射变换[20]，变换得到的彩色图像可增强CT图像的视觉分辨率，便于判断微裂隙的演变情况。

图2 灰度级-彩色变换流程[20]

图 3是采用灰度级-彩色变换法得到的页岩岩样CT扫描图像的伪彩色增强图，图中橙色部分为细观损伤区域，红色部分为未损伤区域。由图 3可以更加清晰地辨别页岩岩样内部的微裂隙特征，视觉分辨率比CT扫描灰度图像更好。

图3 CT图像伪彩色增强结果

2.3 CT图像完整度与破损度

尽管将 CT图像进行伪彩色增强可以增加视觉分辨率，但CT图像中CT数分布范围广、不利于定量分析，因此，可采用完整度和破损度进行定量分析[9]。定义 CT图像为全域，全域中任意部位都可看作是完整的，只是完整程度不同，则图像中某点完整度为[9]：

与完整度相对应（对偶），定义破损度为[9]：

完整度是对空间各点完整程度的描述，而破损度是对空间各点破损（损伤）程度的描述。若空间点完全断裂开或为空气，则完整度为0，破损度为1，若空间点是密度最高点，则完整度为1，破损度为0，即完整度和破坏度是 0～1的数值。因此，完整度和破损度是对CT数的归一化处理，使CT图像的定量分析更便捷。

图4和图5是根据CT图像计算得到的完整度和破损度表面图，可以看出：下部扫描断面各点的完整程度和破损程度均存在较大差异，页岩基岩所在的区域完整度较大、破损度较小，微裂隙、孔隙所在的区域完整度较小、破损度较大。

图4 完整度表面图

图5 破损度表面图

2.4 CT图像灰度值及灰度直方图

岩石内部不同物质、孔隙、裂隙的分布情况可由CT图像的灰度值体现[11]。因此，裁剪出图1b所示的CT图像的局部（见图6a），并在局部视图中绘制3条横线（Line1、Line2、Line3），取出3条横线上各点的灰度值，绘制出沿这3条横线的灰度值变化情况图（见图 6b）。

由图 6可知：①同一条横线的不同位置灰度值不同，不同横线处灰度值差异也较大：Line1灰度值在78～129变化，最小值78出现在Line1所穿过的裂隙处；Line2灰度值在85～120变化，总体分布比较均匀，最小值出现在微裂隙附近；Line3灰度值在73～134变化，最小值出现在Line3所穿过的裂隙处。②页岩岩样基质、孔隙、微裂隙、层理面各处的灰度值不同，页岩岩样基质的灰度值在113左右，裂隙的灰度值在73～83，而肉眼难以分辨的层理面的灰度值在90～100；灰度值变化与页岩岩性和内部细观结构的变化一致。

图6 CT图像灰度值分布情况

页岩水化过程中，细观损伤的演化会引起岩石内部结构的改变，而这些改变在CT图像上表现为灰度值的变化[11]。因此，可以根据 CT图像灰度直方图的变化情况研究页岩水化引起的细观损伤及其演化过程。采用MATLAB绘制了不同水化阶段的页岩岩样CT图像灰度直方图（见图7）。

由图7可知：不同水化阶段页岩岩样CT图像灰度分布规律各不相同；未浸泡时，CT图像灰度值主要在90～130变化，灰度值105的像素数最多（6 552个）；随着水化时间的增加，CT图像灰度直方图由单峰型演变为双峰型，灰度值主要在70～130变化，灰度值105的像素数仍然最多，在灰度值81处出现新的像素数峰值；随着水化时间的增加，灰度值 105的像素数逐渐减少，而灰度值81的像素数逐渐增加，但像素数变化幅度逐渐减小。这说明浸泡 5 d内微裂隙已经快速形成，是产生水化损伤的主要时期，随着水化时间的增加，主要发生微裂隙的拓展，但拓展过程十分缓慢，这与CT扫描灰度图像显示的结果基本一致。因此，利用CT图像灰度直方图可以动态、定量地分析页岩水化损伤的演化过程，CT图像灰度直方图由单峰型变为双峰型是页岩内部损伤急剧增加的标志。

图7 CT图像灰度直方图

2.5 CT图像分割

利用CT图像进行页岩水化损伤的定量分析，需要从CT灰度图像中提取出水化引起损伤的部分区域（微裂隙、孔隙等），这些区域通常被称为目标区域，提取目标区域的过程就是图像分割[11]。只要提取到目标区域，就可以计算页岩岩样CT图像中基岩骨架与损伤区域的比例，从而达到定量分析的目的。

图像分割方法有多种，如阈值分割方法、区域提取方法、边界分割方法等。阈值分割方法又包括图像二值化方法、双峰分割方法和最大方差自动取阈值方法（又称自适应二值化方法）。本文采用最大方差自动取阈值方法进行CT图像分割，其基本原理如下[11]。

设灰度值i的像素数为ni，则CT图像总像素数为：

CT图像的灰度概率分布规律为：

若取t为分割CT图像的阈值，则可将CT图像分割为区域1和区域2，区域1代表灰度值小于等于阈值t的区域，区域2代表灰度值大于阈值t的区域。可根据灰度直方图统计出区域1和区域2的像素数占整幅CT图像总像素数的比例以及两个区域的平均灰度值：

而整幅CT图像的平均灰度值为：

整幅CT图像平均灰度值与区域1、区域2平均灰度值之间的关系为：

图像分割后各区域内部的灰度值比较接近，两个区域间的灰度值差异较大，两个区域的平均灰度值与整幅CT图像平均灰度值间差异也较大，可以采用区域间方差对这种差异进行描述：

经数学推导，（11）式可改写为：

最大方差自动取阈值方法认为，被分割的两个区域间方差最大时两个区域处于最佳分割状态[11]，因此σ2(t)取最大值时的t值即为最佳分割阈值。

分割后CT图像被处理成二值化图像，即图像中只有纯黑色（灰度值为 0）和纯白色（灰度值为 1），其中纯黑色代表页岩基质，纯白色代表页岩孔隙、微裂隙等细观损伤。基于上述最大方差自动取阈值方法，采用MATLAB软件编程，对不同水化阶段的页岩岩样CT图像进行分割得到二值化图像（见图8）。可以看出，不同水化阶段页岩岩样二值化图像中，损伤区域分布呈现出一定差异，且这种差异比在灰度图像中更加清晰。通过统计二值化图像中纯白色区域的像素数，可以得到损伤区域的大小，将水化后与水化前损伤区域大小相减，即可得到页岩水化引起的损伤区域大小，从而达到定量描述页岩水化细观损伤的目的。

2.6 页岩水化细观损伤定量描述

图8 分割后的CT图像

为了定量描述页岩水化引起的损伤，需要选择合适的损伤变量。损伤变量是一种内部状态变量，它可以是标量、矢量或张量，需要根据研究对象的特点，选择空隙的数目、长度、面积、体积、弹性模量、电阻率、密度等作为定义损伤变量的基准[10]。杨更社等[11]在研究偏应力与岩石损伤特性的关系时，定义了一种以空隙面积为基准的损伤变量：

本文采用损伤变量D定量描述页岩水化细观损伤特性。根据CT图像分割处理后得到的二值化图像，可以直接统计计算出页岩水化过程中出现的微裂隙、孔隙等纯白色区域的像素数N1，从而得出损伤变量D的演变规律。对页岩岩样水化过程中的损伤变量进行了计算，并绘制了损伤变量与浸泡时间的关系曲线（见图9）。

图9 页岩岩样水化过程中损伤变量与浸泡时间关系

由图 9可知：①初始损伤变量并不等于零，这是由于页岩岩样本身存在一些层理、微裂隙、孔隙等。岩样与水接触后，水沿着页岩自身发育的层理、微裂隙等迅速侵入。②随着浸泡时间的增加，损伤变量增大，且损伤变量在浸泡前期（前5 d内）增幅较大，随后增幅较小。浸泡的前5 d是页岩水化细观损伤的起始阶段和快速演化阶段，浸泡5 d后页岩水化细观损伤进入稳定演化期，损伤变量会持续而缓慢地增加，直至页岩岩样发生破坏。③3个扫描断面上的损伤变量存在一定的差异，这种差异源自于两方面：下层的初始损伤变量本身比较高，受到水化影响后，损伤演化较快，更易形成宏观裂缝；页岩岩样存在各向异性，实验取样角度几乎平行于层理，因此所产生的裂缝主要是贯穿页岩横截面的垂直缝，且损伤裂缝与层理方向几乎一致，均为北东—南西偏东方向，部分岩样受页岩矿物组成和细观组构影响裂缝出现转向、分叉。

2.7 讨论

①页岩自身发育大量的层理（也称为页理）和微裂隙，这些层理和微裂隙是页岩水化前已经存在的细观损伤。根据损伤力学原理，对于存在初始损伤的岩土材料，在受到外界影响时，初始损伤部位是比较容易演化发展的区域，容易在这些部位产生新的细观损伤，并随着细观损伤的积累逐渐演变成宏观裂缝。

②对于渗透率极低的页岩储集层，页岩的初始含水饱和度经常低于束缚水饱和度，且页岩中孔隙尺寸非常小，往往为纳米级孔隙，其毛管压力极大，而且指向页岩孔隙内部，加之页岩通常亲水，使得页岩自身吸水能力非常强，这种现象在储集层保护中被称为水锁。页岩水化实验中，当页岩岩样与清水接触后，在毛管压力、页岩亲水性的驱动下，水容易进入页岩中，从而促使膨胀性黏土矿物水化膨胀，产生新的细观损伤。

③页岩自身发育的层理和微裂隙是一种常见的储集空间，也是页岩气渗流通道，页岩气开采过程中，这些层理和微裂隙是页岩气从基质孔隙流入井筒的必要途径。一般认为页岩的膨胀性很弱，但是当用清水浸泡页岩岩样时，水与黏土矿物发生一系列物理化学反应，导致膨胀性黏土矿物产生体积膨胀，黏土矿物膨胀后会导致岩样内部产生新的细观损伤，这些细观损伤的产生与页岩中膨胀性黏土矿物和脆性矿物的含量关系密切。另外，由于层理和微裂隙的存在，页岩层理面和断面的细观组构和特征对页岩水化损伤特性也有重要影响，水沿着这些层理和微裂隙侵入页岩内部，使得水的侵入能力增加，且使页岩与水的有效作用面积大幅增加，容易产生细观损伤，并逐渐演化为裂隙。这在Li Yufei等[3]得到的页岩扫描电镜结果中得到了体现：页岩层理面平整光滑，发育有平行于层理的微裂缝；页岩断面粗糙、凹凸不平，微孔隙、微裂隙十分发育。这些微裂隙和微孔隙可作为页岩气的储集空间及页岩气开采的渗流通道，也可以作为钻井液滤液侵入的通道，并加剧页岩水化后的细观损伤。因此，尽管龙马溪组页岩的膨胀性较弱，但其层理、微裂隙十分发育，脆性也比较高，导致水化后容易产生新的细观损伤，这也是井壁失稳的重要原因。

④在页岩钻井过程中，井壁容易发生坍塌失稳，通常采用高密度的钻井液钻进页岩地层，而页岩地层压力一般比较低，因此钻井液滤液比实验条件下更容易侵入地层。实际页岩钻井时，钻井液滤液在正压差、毛管压力、页岩亲水性的作用下，沿着页岩自身发育的层理和微裂隙快速进入页岩。滤液与页岩接触后，膨胀性黏土矿物将发生膨胀，使页岩内部产生新的细观损伤，当损伤发展到一定程度时会演化成裂缝，裂缝继续发育可能形成裂缝网，这将大幅度降低井壁围岩的强度并导致井壁坍塌失稳。

3 结论

在文献调研的基础上，结合井壁稳定研究中的页岩水化问题，提出采用CT扫描技术研究页岩水化过程中的细观损伤特性，并结合数字图像处理技术，建立了定量评价页岩水化细观损伤特性的方法。

对不同水化阶段的页岩岩样开展CT扫描实验，结合CT扫描图像及其灰度直方图，分析了水化过程中页岩细观损伤特性。结果表明：浸泡前期岩样内部微裂隙快速形成，是产生水化损伤的主要时期，随着浸泡时间的增加，主要发生微裂隙的拓展，但拓展过程十分缓慢；CT灰度图像可以比较直观地显示页岩岩样内部的细观损伤及其拓展情况，通过CT图像灰度直方图可以动态、定量地分析页岩水化损伤的演化过程，灰度直方图由单峰型变为双峰型是页岩内部损伤急剧增加的标志。

采用CT图像伪彩色增强技术和CT图像完整度与破损度分析技术，可以提高肉眼对CT扫描结果的视觉分辨力，且CT图像完整度和破损度是对CT数的归一化处理，便于定量分析页岩水化细观损伤。

采用最大方差自动取阈值方法对不同水化阶段页岩岩样的CT图像进行了分割，得到二值化图像。在此基础上，选择以空隙面积为基准的损伤变量，根据损伤变量的定义，对二值化图像进行统计分析，得到了水化过程中损伤变量与浸泡时间的关系，形成了定量描述页岩水化损伤特性的新方法。页岩岩样在清水中浸泡后，损伤变量逐渐增加，增加幅度随浸泡时间的增加而变缓。页岩水化后的细观损伤主要发生在浸泡前期，这一阶段是细观损伤的起始阶段和快速演化阶段，此后，随着损伤变量持续而缓慢的增加，页岩岩样最终将发生宏观破坏。

符号注释：

p——完整度；d——破损度；Hrm——CT数；G——灰度级数；i——图像中某点灰度值；ni——灰度值i的像素数；N——总像素数；Pi——灰度值i的像素数占总像素数的比例；t——图像分割阈值；μ——整幅图像的平均灰度值；A1(t) ——灰度值小于等于阈值t的区域的像素数占总像素数的比例，%；A2(t) ——灰度值大于阈值t的区域的像素数占总像素数的比例，%；μ1(t) ——灰度值小于等于阈值t的区域的平均灰度值；μ2(t) ——灰度值大于阈值t的区域的平均灰度值；σ2——图像分割后两个区域间的方差；D——以空隙面积为基准的损伤变量；A*——图像中损伤区域面积，m2；A——图像总面积，m2；N1——分割后图像中纯白色区域的像素数。

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