基于工业CT扫描的岩芯裂缝结构表征

苑京文，贾东*，魏东涛，陈竹新，崔键，吴晓俊.南京大学地球科学与工程学院，南京00 .中国石油勘探开发研究院西北分院，中国石油天然气集团公司油藏描述重点实验室，兰州7000 .中国石油勘探开发研究院，北京0008



基于工业CT扫描的岩芯裂缝结构表征

苑京文1，贾东1*，魏东涛2，陈竹新3，崔键1，吴晓俊1
1.南京大学地球科学与工程学院，南京210023 2.中国石油勘探开发研究院西北分院，中国石油天然气集团公司油藏描述重点实验室，兰州730020 3.中国石油勘探开发研究院，北京100083

摘要：为了研究泥页岩中裂缝的发育特征，利用工业CT技术对句容盆地的页岩岩芯进行扫描，并使用数字处理技术对页岩的CT扫描图像进行分析，通过VGStudio MAX对CT扫描数据进行重建体模型及裂缝提取，更好的在三维尺度上研究不同矿物组成成分的页岩中裂缝的结构和发育情况及工业CT扫描图的区别。结果发现岩芯中主要存在两组不同走向及倾角的裂缝，一组高角度裂缝，倾角约为70°～90°；一组低角度裂缝，倾角约为30°～40°。依此推测句容盆地在志留纪鲁丹阶以后至少经历两次构造运动。对比不同的矿物组成成分的页岩研究发现，当岩石样品的矿物组成密度差别越大时，工业CT扫描就会越清晰；当岩石样品颗粒度越大时，扫描的效果就会越明显。

关键词：CT扫描；无损检测；岩芯裂缝提取；页岩裂缝特征

页岩气作为非常规油气的接替资源日益受到国内外的重视（董大忠等，2012；姜福杰等，2012；Hill et al，2000）。页岩的裂缝发育特征对页岩储层可压裂性和页岩气的开采是重要影响因素（唐颖等，2012），而且还决定着页岩气藏的品质和产量高低（Montgomery et al.,2005）。因为页岩层中游离态气主要存在于裂缝中，所以天然裂缝决定着游离气的体积和吸附气的解吸（Curtis et al.,2002；丁文龙等，2012）。因此，页岩裂缝的研究是页岩气开采中的重要内容。

句容盆地已经有很好的油气显示（刘东鹰等，2004；刘东鹰，2003；刘子满等，2006），其中志留系下统及奥陶系上统的黑色页岩为重要的烃源岩，也是下扬子页岩气的重要储集层（李海滨等，2013），页岩的裂缝发育对油气的储存和水力压裂有很大的影响（Julia et al.，2007）。本次实验所用的样品为句容盆地志留系下统高家边组及其下伏的奥陶系五峰组的黑色页岩及灰岩，对岩芯中的裂缝及矿物的富集程度进行观察。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扫描来研究岩石内部的组构及成分（Raynaud et al.，2008；马文国等，2011），所以本次实验主要采用工业CT技术，通过对CT扫描图像和VGStudio MAX软件的CT数据重建体模型对岩芯裂缝进行研究。

描述裂缝是一项非常困难的工作，前人（Song et al.，1998；汪必峰，2007）曾经采用几十个参数来描述裂缝，并在分形几何技术应用裂缝研究方面得到发展（曾联波等，2001；付晓飞等，2007）。分形理论认为裂缝系统和断裂系统一样具有结构的自相似性，用断裂和岩芯裂缝的分维数值可以定量地描述储层中裂缝的空间发育程度。通过裂缝的分形维数值反映裂缝的聚集程度和发育程度，使得描述裂缝变得相对有可能（李玮，2009）。但无论怎样描述，都必须建立在物理模型的基础上。常规试验方法仅能描述裂缝在岩体外表面上的分布，无法描述构造裂缝在立体空间内的展布。而通过处理体模型数据对岩芯裂缝进行提取，可以在三维空间内直观获得裂缝的宽度、方位等参数。

1　实验设计

1.1实验仪器

由我们团队研发的一种高能量的工业CT检测装置，在中国石油勘探开发研究院西北分院进行实验，系统由岩芯扫描台架、探测器、X射线源、数据采集与图像处理等部分组成。探测器型号为SEZW3-800，射线管型号为MXR-45HP/11；功率1500 W，焦点0.4 mm/1.0 mm；探测器长度800 mm，探测器精度83 μm。密度分辨率5%，空间分辨率3.1 Lp/mm。可在恒温恒压条件下扫描体积较大的沙箱实验和钻井岩芯。

1.2实验岩样

CT扫描实验样品取自下扬子句容盆地志留系下统高家边组的泥页岩及奥陶系上统五峰组的灰岩，在钻井的不同部位均匀取芯（图1），选取7块岩芯，四种（N1～N4）不同的岩性进行研究。为CT扫描实验准备测试样品（100 mm×65 mm），岩芯样品在25℃恒温的条件下进行测试。工业CT扫描过程中，对电压电流进行调试，观察岩芯的扫描现象。本次实验使用工业CT对岩芯进行扫描，实现对岩芯裂缝的三维重建和对裂缝特征的分析。在立体空间中对页岩岩心裂缝的发育，展布状态进行研究（图1）。

2　实验结果与分析

2.1页岩CT扫描灰度图像

工业CT扫描对不同矿物成分组成的岩芯，扫描效果不同，现在对岩芯扫描特征及裂缝在岩芯中的展布状态进行分析。工业CT扫描的基本原理是：用X射线穿透页岩样品，然后收集由于页岩中矿物的吸收而衰减了的射线强度，大小可以用CT值来表示，其大小可以反映页岩岩芯结构内部组分的详细信息。在岩芯的CT扫描灰度图中，不同密度的岩石组构具有不同的CT值，不同的灰度值代表了不同的物质类型（徐祖新等，2014；杨更社等，1996）。

2.2灰黑色粉砂质页岩

对于CT扫描图像，图2中黑色的点表示物质密度较低，白色的点表示物质密度较高，由黑色到白色表示物质密度由低到高的变化。所以由图可见当岩芯中矿物组分密度较大时，在图像上显示为白色或灰白色；而裂缝和页岩中有机组分密度较低时，在图像中显示为黑色或深灰色，故在CT图像上可以清晰的辨别裂缝及充填物质与岩芯主要组分密度的区别。

图1　句容盆地岩芯柱状图及岩芯重建体模型Fig.1 Coregraph and data model of core of Jurong basin

经过多次的测量条件的测试，最终确定以300 kv，1.5mA，焦点尺寸1mm，积分时间0.1s，旋转速度0.7°/s的测试条件对N1砂质泥岩进行测量，如图2，在CT的扫描图像上可以清楚的看到一条未被填充的裂缝a21，表现为黑色的条带；一组被填充的矿脉，在CT扫描图上变现为灰白色的条带a22。而在N1体模型的截面和裂缝的提取图L1中，可以清楚看到裂缝的延伸和发育情况，体模型截面中裂缝主要呈现形式：白色的条带，表示裂缝被矿物质充填。黑色的条带，表示裂缝未被充填。呈虚线分布的条带，表示裂缝的半充填状态。在L1中可以在三维尺度上清楚地观察到裂缝的发育及分布情况。

经测量裂缝的角度主要分为两组，一组倾角为30°左右，一组倾角为20°左右。根据裂缝的填充情况可以将裂缝分为两种。半填充裂缝的宽度为0.5 mm，完全填充的裂缝宽度明显大于半填充裂缝，其宽度为1.2 mm。

图2　灰黑色粉砂质页岩岩芯N1的CT扫描图像及重建体模型Fig.2 Scanning image and data model of core N1 of grey blacksilt shale

J1～J2: N2体模型不同方向的切面；L2～L3:体模型的裂缝提取图J1～J2: the different profile of N2 data model；L2～L3: the extracted figure of data model

图3　含黄铁矿黑色泥岩岩芯N2的CT扫描图像及重建体模型Fig.3 Scanning image and data model of core N2 of black mudstone containing pyrite

2.3含黄铁矿的黑色泥岩

以300 kv，1.5 mA，焦点尺寸1 mm，积分时间0.1 s，旋转速度0.7°/s的测试条件对N2黑色泥岩进行测量，岩芯测量长度为70 mm。如图3所示，在CT的扫描图像中，可以清楚的看到三组不同方向的裂缝发育，如图3a中可看到一组白色的条带，一组黑色的条带，但是这组裂缝的延伸方向是相同的。在体模型中，经测量这两组裂缝的倾角是大致相同的，均为30°左右。在图3c、d中，可以清楚的观察到一组与原来方向不同的裂缝b31，其在裂缝提取图L2中可以观察到，裂缝长度发育较短。在图3d中，还可以看到两组相互垂直的裂缝，一组呈灰白色、为填充裂缝，一组呈黑色、为未填充裂缝。但未填充裂缝并未在体模型中观察到，这是由于裂缝处于扫描岩芯的最下部，裂缝的扫描长度有限，在建模中并未完全表现出来。

经测量，图3a中裂缝a31倾角大约为30°左右，在体模型截面J1、J2可以观察到这组裂缝的灰度值并不均一，有完全偏白色的，也有白色和黑色相间分布的，所以裂缝a31分为完全填充裂缝和未完全填充裂缝。其中填充裂缝的裂缝宽度为1.5 mm，未完全填充裂缝的裂缝宽度为0.6 mm。图3b、c所显示的裂缝b31的倾角大约为70°，该组裂缝宽度较大，为2 mm。图3d中未被填充的裂缝则无法测得其倾角。但是可以确定有三组不同方向的裂缝发育。在裂缝填充物提取图3L2和3L3中，可以清楚地观察到裂缝彼此之间的切割关系。

2.4黑色碳质泥岩

图4　黑色碳质泥岩岩芯N3的CT扫描图像及重建体模型Fig.4 Scanning image and data model of core N3 of blackcarbonaceous mudstone

以300 kv，1.3 mA，焦点尺寸1 mm，积分时间0.08 s，旋转速度1°/s的测试条件对N3黑色碳质泥岩进行测量，岩芯测量长度为101 mm。如图4所示，按照岩芯由上到下的顺序选取扫描图像a、b、c。图4a中可以清楚的看到一组裂缝，在灰度图像中显示黑色的条带，在黑色条带中间夹杂着一些灰黑色的条纹，这是裂缝的矿物填充物。在N3体模型截面中可以清楚的观察到这组裂缝a41的发育情况，即在图4J1、4J2、4J3截面中倾角大约为70°左右的白色条带。图4b中裂缝b41与裂缝a41相交，在体模型截面图中可以看到裂缝b41近乎直立并与a41相交。在体模型截面中可以观察到这两组裂缝的灰度值均呈现黑白相间的现象，所以a41 与b41均为未完全填充的裂缝。图4c中，白色的条带被a41和b41所截断，这是另一条不同的裂缝c41，这条裂缝可以在体截面图4J2中看到，是一条倾角大约为48°的完全填充的裂缝。在裂缝填充物提取图4L4中可以看出因为一些细小的裂缝填充物的存在，裂缝中矿物填充分布显得比较复杂，但也可以根据其在体模型中的分部，将其分为三组。

因此在该岩芯中至少存在三组裂缝，裂缝a41倾角大约为70°，即72.4°与69.5°的为一同一组裂缝，经测量裂缝宽度为1.5 mm，为未完全填充裂缝。裂缝c41倾角为85°左右，经测量裂缝的宽度约为1.9 mm，为未完全填充裂缝。裂缝c41为一组较小的裂缝，倾角约为44°。裂缝宽度为0.5 mm。因为完全填充的裂缝c41被裂缝a41和b41所截断，所以发育时间在a41和b41之前，即这三组裂缝至少存在两次构造运动才会产生。

2.5灰白色灰岩

以300 kv，1.5 mA，焦点尺寸1 mm，积分时间0.1 s，旋转速度1°/s的测试条件对N4灰白色灰岩进行测量，岩芯测量长度为80 mm。在CT扫描图5a中可以很清晰的看到一组白色条带，该组裂缝a52可以在体模型截面图5J1中观察到，其灰度值表现为白色与灰色断续排列，且倾角有一定的变化。但总体的延伸方向可以确定，经测量其倾角大约为45°，在图5b中，可根据灰度值为白色条带的延伸判断，存在一组b52与a52相互截切裂缝，但在N4体模型截面中未能很好的展示出来，以至不能很好地观察两条裂缝的相互关系。而在裂缝填充物提取图5L5中，可以看出填充物的大体的分布方向。在CT扫描图像和建立的体模型截面（图5）中，很难观察到有其他裂缝的分布，但有很明显的白色斑点在岩芯中分布，这点也可以在图5L5中看出来。根据不同CT值在扫描图像中所表现的灰度值不同，可以推断，白色斑点为矿物富集的地方，但是没有呈明显的带状分布。在岩芯观察中可以看到在该岩芯中是有裂缝发育的，所以这些矿物的聚集与裂缝的发育有一定的关系。

图5　灰岩岩芯N4的CT扫描图像及重建体模型Fig.5 Scanning image and data model of core N4 of limestone

3　讨论

根据句容盆地所获取的七块岩芯的CT扫描实验，笔者对志留系下统的泥页岩中裂缝发育研究。发现在该地层主要发育两组不同的裂缝体系。一组为高角度裂缝体系，其倾角为70°左右；另一组为低角度裂缝体系，其倾角为30°～40°左右。在岩芯N3的CT扫描图和体模型中可以看到高角度裂缝明显切割低角度裂缝，所以高角度裂缝的发育时间要晚于低角度裂缝的发育时间。

通过工业CT技术及数据重建技术，可在岩芯中清楚的观察到裂缝的发育及截切情况，并可以根据灰度值的不同，将裂缝或裂缝填充物提取在三维空间内、立体的研究裂缝的发育状况，将裂缝或孔隙以最直观的方式展现出来。CT技术对岩性差异及密度差异比较大的岩石具有很好的裂缝识别。但在密度差别小的岩石中扫描识别的效果相应的差了一些，比如对于N4灰白色灰岩的识别，在作者调试很多次之后仍不能很好的识别其中的裂缝，尤其一些细小的裂缝暂时还不能清晰的识别。这与扫描的样品也有关，当样品的扫描截面面积越小时，扫描的效果就会越好。相反，当岩芯的扫描截面越大时扫描的效果越不明显。本次实验所用岩芯截面面积比较大，也是使CT扫描图像不清晰的一个原因。对比N1与N4扫描图像及其重建体模型。可以看出，当组成岩石的颗粒度越大，扫描的效果就会越明显。

4　结论

根据扫描图像及重建体模型数据体，可从很好的观察裂缝的发育，且能够很好的看到裂缝的截切关系，因而可以根据工业CT扫描图像，判断出裂缝发育的先后顺序。为判断构造运动对句容盆地的影响提供了很好的依据。

综合重建体模型、CT扫描图像及裂缝提取模型，可以识别研究的岩芯中主要存在两组不同走向和倾角的裂缝，一组高角度裂缝，倾角约为70° ～90左右；一组低角度裂缝，倾角约为30°～40°左右。所以句容盆地在志留纪鲁丹阶以后至少经历两次及以上的构造运动。

从扫描图像可以看出岩心样品（100mm×65mm）工业CT扫描的特征，当岩石样品的矿物组成密度差别越大时，工业CT扫描就会越清晰；当岩石样品颗粒度越大时，扫描的效果就会越明显。通过对重建体模型数据体的观察发现，对于裂缝裂开程度大的裂缝建模后显示比较明显，对于非常细小的裂缝清晰度不够。

致谢：感谢闫兵博士、孙闯博士、张勇博士、崔键博士、沈礼博士、沈淑鑫硕士等在论文准备过程中提供的帮助和宝贵建议！感谢中国石油勘探开发研究院西北分院提供实验条件！本研究受江苏省科技项目（BE2013115）和国家重大科技专项项目（2011 ZX05009-001和2011 ZX05003-002）资助，特表感谢！

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The Characteristicsofthe Core Fracture Structure Basedon The Industrial CTScanning

YUAN Jingwen1，JIA Dong1*，WEI Dongtao2,CHEN Zhuxin3,CUI Jian1,WU Xiaojun1
1.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023; China 2．Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Northwest (NWGI),PetroChina；Key Laboratory of Reservoir Characterization,China National Petroleum Corporation (CNPC)，Lanzhou 730020；China 3．Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Petrochina，Beijing 100083；China

Abstract:In order to study the characteristics of fractures in the shale，we used the industrial CT to scan the shale core in the Jurong basin，and analyzed the CT scanning data of shale by the digital processing technology.We established the model of CT scanning data and extracted the fracture by VGStudio MAX software.In this way we could study the differences between the structure of fractures in the shale which is composed of different mineral composition and the various CT image.The research results show that there are two groups of fractures with different strike and dip of fracture developed.The dip of one group with high angle was approximately 70°～90°；the other group with low angle was approximately 30°～40°.Jurong basin may have experienced at least two tectonic events after the Rhuddanian.The comparison of the shale composed of different composition indicated that the greater density differences of mineral component，the industrial CT scanning image will be more clear,and that the larger size of mineral grain,the effect of scanning will bemore obvious.

Key words:CT scanning；non-destructive test；the extracting of core fracture；the characteristics of core fracture

Corresponding author:JIA Dong,Professor; E-mail: djia@nju.edu.cn

*通讯作者：贾东，男，1960年生，教授，博士生导师，主要从事含油气盆地构造和活动构造研究; E-mail: djia@nju.edu.cn

作者简介：苑京文，男，1990年生，硕士研究生，构造地质学专业; E-mail: yjwnju@163.com

基金项目：江苏省科技支撑计划项目（BE2013115）；国家重大科技专项项目（2011 ZX05009-001; 2011 ZX05003-002）联合资助

收稿日期：2015-12-11；修回日期：2016-01-17

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015241

中图分类号：P618.13

文献标识码：A

文章编号：1006-7493（2016）01-0200-07