基于X 射线微米CT 扫描技术的煤岩孔裂隙多尺度精细表征——以沁水盆地南部马必东区块为例

陈彦君 ，苏雪峰 ，王钧剑 ，宋 洋 ，汪明丰 ，郎云峰

（1.中国石油集团公司煤层气开采先导试验基地，河北任丘062552；2.中国石油华北油田分公司，河北任丘062552；3.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083）

煤层气是赋存在煤层的烃类气体，是优质清洁能源。中国煤层气资源潜力巨大，加快煤层气有效动用，有助于保障煤矿安全生产、增加清洁能源供应、减少温室气体排放［1］。生产过程中，吸附在煤岩基质微纳米孔裂隙中的煤层气通过排水降压、解吸、扩散至储层的大中孔、割理和天然微裂隙中，在压差的作用下从天然微裂缝渗流到人工裂缝或者井筒［2］。因此，精确表征和刻画煤岩的孔裂隙系统对指导煤层气的有效排采和开发具有重要的意义［3］。

表征煤岩孔裂隙的常规方法主要包括压汞和液氮等实验方法［4-5］，该类方法主要通过注入流体测量样品的连通孔裂隙，测试过程中可能对样品内部结构产生一定的破坏，影响实验的准确性［6-7］。近年来，基于图像处理和分析技术测量煤岩的孔裂隙结构方法得到了广泛的应用［8］。其中评价煤岩平面微观特征的技术手段主要包括：高分辨率场发射扫描电镜法［9］、原子力显微镜法［10］、小角度X射线散射法［11］和透射电子显微镜法［12］等。表征煤岩结构及孔裂隙空间的三维展布主要依靠聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）和X射线微米CT扫描技术，通过图像处理、分割等技术手段构建煤岩的三维孔裂隙网格模型，分析孔裂隙的结构特征和形态学参数。FIB-SEM图像精度高，但剥蚀岩石区域较小、视野有限，常用于分析煤岩微米至纳米尺度储渗空间的结构与物性显现［13］；X射线CT扫描技术利用X射线对岩石进行全方位、大范围快速且无损扫描并重构三维结构特征，其图像精度可达十几个微米至几个微米，相比于传统实验方法如压汞法和气体吸附法，X射线CT扫描技术具有不仅能呈现样品中孔裂隙空间分布与连通性，还能够精细定量表征煤岩孔裂隙形态、分布以及矿物分布的特点，因此该方法被广泛应用于精确表征煤岩微米-毫米级连通微裂隙特征［14-15］。

目前，诸多学者应用X射线CT扫描技术从单一尺度对煤岩的精细结构进行系统评价。研究主要包括：评价特定煤岩的三维孔裂隙空间分布特征［7，16］；剖析不同煤岩类型或煤体结构煤岩的孔裂隙差异［17-18］；动态监测煤岩的孔裂隙系统随外界条件的变化趋势［19-20］及探究不同图像处理技术在煤岩评价上的优缺点等［21-22］。尽管CT扫描技术对前人探究煤岩微观结构奠定了基础，但利用该技术对煤岩多尺度孔裂隙评价的研究相对较少［23］。为此，以沁水盆地南部马必东区块煤层气开发评价井取心样品为对象，运用X射线微米CT扫描技术，借助三维可视化软件Avizo将CT图片进行处理和重建，建立研究区煤岩多尺度三维孔裂隙模型，并对煤岩的孔裂隙结构和矿物分布进行定量精细表征，以期为进一步认识研究区煤岩物性特征及后续气井的开发和改造提供借鉴。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验仪器采用天津三英精密仪器股份有限公司生产的Nanovoxe l3502E型3D计算机断层扫描系统，仪器体素分辨率最高可达0.5 μm，扫描最大电压为190 kV，最大功率为25 W。

实验用煤岩样品取自沁水盆地南部马必东区块某开发评价井3#煤层，取心深度为1 130.1～1 134.9 m。宏观煤岩类型为半亮型，煤岩结构为碎裂结构。实验样品包括母样和子样，母样为直接采集的取心样品（图1a），子样取自母样，经人工钻取并打磨成高度约为0.08 cm、直径约为0.13 cm的圆柱形煤样（图1b），其主要参数如表1所示。母样为CT粗扫的煤岩，子样为CT精扫的煤岩，其扫描方式均为步进式扫描，每次旋转0.25°，曝光时间为1 500 ms，其参数参见表2。

图1 实验样品照片Fig.1 Experimental samples photos

表1 实验样品的基本参数Table1 Basic parameters of samples

表2 扫描煤岩样品所使用的参数Table2 Parameters for CT scanning

1.2 实验方法

图像处理 在样品的制备过程中，煤样边缘孔裂隙易在切割或研磨过程中被破坏，影响对煤样真实孔裂隙的观察和分析，另外，图片过多还会加重建模分析过程中的计算负担。因此在图像处理和分析过程中，从CT扫描实验得到的母样数据中选取700张连续的CT切片，将其从中心位置裁剪成1 200×700 pixel大小的图片；从子样数据中选取500张连续的CT切片，将其从中心位置裁剪成800×800 pixel大小的图片。

在选取合适的分析区域以后，为缩小生成的CT图像与实际图像之间的偏差，采用中值滤波的方法对图像进行降噪。该方法将周围像素灰度值相差较大的像素改为与周围像素值相近的像素值来消除孤立噪声点，具有在消除图像噪声的同时能够保护图像边缘的特点。分析降噪前后的CT图片（图2）能清楚地看出，通过中值滤波法降噪后，噪声点明显减少。

图像分割 图像处理后，采用分水岭算法对煤岩的孔裂隙结构进行三维重建，考虑分水岭算法对图像中噪声及细微的灰度变化产生过渡分割的现象，在CT扫描之前通过压汞实验对样品进行孔裂隙度的测定，进而通过高分辨率CT灰度图像以及Avi⁃zo软件反复调整阈值，确保对应的孔裂隙率与实测孔裂隙率更接近。由阈值分割前后的图像对比（图3）可以看出，在图像分割后煤岩中孔裂隙、煤岩基质以及高密度矿物的分布更加明显。

图2 CT图片降噪前后对比Fig.2 Noise reduction of CT image

图3 阈值分割前后图像对比Fig.3 Thresholding segmentation image

CT三维煤岩结构重建 阈值分割后，为充分了解煤岩样品内部整体孔裂隙结构和矿物分布特征，利用Avizo图像处理软件，采用快速分水岭算法捕获连通孔裂隙分水岭线，以区分和提取不同的孔裂隙结构进行定量分析，建立三维孔裂隙结构。由图4a可以看出1号母样的孔裂隙规模、不同孔径孔裂隙的分布情况及连通情况（红色为连通孔裂隙，彩色为孤立孔裂隙），由图4b可以看出1号母样煤岩基质和裂隙的空间分布及接触关系，清晰显示了孔裂隙在煤岩中的分布情况（紫色为微裂隙，绿色为煤岩基质）。

图4 1号母样孔裂隙结构三维示意Fig.4 Three-dimensional pores and fractures structure sketch map in the No.1 parent sample

2 煤岩多尺度孔裂隙空间分布特征

2.1 母样孔裂隙空间分布特征

煤岩的宏观孔裂隙系统及矿物的充填情况对煤层气的运移和产出起决定作用，二者的分布状态直接反映了煤岩的渗透性及可改造特征。1号煤岩母样的原生割理被后期构造作用改造完全，导致相互垂直的原生割理完全不可见。母样发育3条较为明显的宏观孔裂隙，呈片状分布、延伸较远顺层展布，此外还发育大量的孤立宏观孔裂隙（图5a，蓝色为连通孔裂隙，彩色为孤立孔裂隙）。母样大部分孔裂隙均被矿物充填，连通孔裂隙主要分布在顺层方向，垂直层理方向上的孔裂隙连通较差（图5b，蓝色为连通孔裂隙，彩色为孤立孔裂隙）。

2.2 子样孔裂隙空间分布特征

煤层气储层作为双孔裂隙介质，除宏观孔裂隙以外，基质中还存在大量的微观孔裂隙。其中煤岩基质中的纳米级孔裂隙为煤层气的储集提供了场所，而微米级孔裂隙则作为沟通纳米级孔裂隙和宏观孔裂隙的通道，其连通程度控制了煤层气的产出。由图6可以看出，在分辨率为0.8 μm的条件下，1号子样发育大量的微米级孔裂隙，整体上呈均匀分布的分散孔或矿物充填孔，除1条呈片状分布的孔裂隙以外，其余孔裂隙均不连通。

分析母样和子样的矿物分布和孔裂隙空间分布特征，认为研究区煤岩样品微观过渡孔发育较差，采取针对性的改造措施有效地释放微观孔裂隙，是进一步提高研究区产能的方向。

图5 母样宏观孔裂隙以及矿物分布Fig.5 Pores，fractures and mineral distribution in parent sample

图6 子样孔裂隙空间与矿物Fig.6 Pores，fractures and mineral distribution in child sample

3 煤岩多尺度孔裂隙结构的定量表征

观察重建煤样的多尺度孔裂隙结构，定性分析其孔裂隙空间分布和矿物分布特征，是了解煤岩微观结构的直观手段，但要对孔裂隙结构进一步研究，需对孔裂隙结构微观参数进行定量计算和剖析。

3.1 母样孔裂隙结构的定量表征

为定量分析煤岩母样的孔裂隙结构特征，通过CT粗扫，结合Avizo图像处理对煤岩母样的孔裂隙结构和矿物分布进行单独提取和刻画，根据孔裂隙所占空间将煤岩母样的孔裂隙系统分为A—C共3种类型。A型孔裂隙为CT粗扫能够识别出的最小孔裂隙系统，单个孔裂隙体积小于107μm3；B型孔裂隙为CT粗扫识别出的过渡孔裂隙，单个孔裂隙体积为107～109μm3；C型孔裂隙为CT粗扫识别出的最大孔裂隙系统，单个孔裂隙体积均大于109μm3。

分析结果（表3，表4）表明，3块母样的总孔裂隙体积百分比为2.46%～4.90%，裂缝平均宽度和分形维数较接近，与煤岩埋深相关性不大。总孔裂隙的主要组成为C型，A型和B型占比较低。由于3块样品的矿物含量较高，除去孤立孔裂隙后，仅有部分C型孔裂隙相连通，母样的连通孔裂隙体积百分比为1.81%～4.11%。由此可知，3块样品虽然宏观孔裂隙连通性均较好，但过渡性孔裂隙较不发育，不利于沟通次一级孔裂隙使煤层气发生扩散和运移。

表3 母样的孔裂隙体积百分比和矿物含量分析结果Table3 Pore volume and mineral content of parent sample

表4 母样的连通孔裂隙体积百分比分析结果Table4 Total connected pore volume of parent sample %

为深入分析母样孔裂隙结构与分布，在对孔裂隙进行整体刻画后，从单孔孔裂隙体积的角度对母样的孔裂隙数目和体积百分比进行统计分类。由图7可知，3块母样不同孔裂隙体积的孔裂隙数目随孔裂隙体积的逐渐增大而降低，而孔裂隙体积所占百分比却在孔裂隙体积达到1010μm3以后显著增加。这说明母样宏观裂隙数目虽少，但其总孔裂隙体积占比最大。以1号母样为例，该样品仅发育4条宏观孔裂隙，但总孔裂隙体积占比达86%。

3.2 子样孔裂隙结构的定量表征

为定量表征煤岩子样孔裂隙结构，采用与母样类似的分析方法，利用CT扫描技术，结合Avizo图像处理对子样的孔裂隙结构和矿物分布进行单独提取和刻画，并根据孔裂隙所占空间将煤岩子样的孔裂隙系统分为D—F型共3种类型（表5）。D型孔裂隙为CT精扫能够识别出的最小孔裂隙系统，单个孔裂隙体积小于10 μm3；E型孔裂隙为CT精扫识别出的过渡孔裂隙，单个孔裂隙体积为10～1 000 μm3；F型孔裂隙为CT精扫识别出的最大孔裂隙系统，单个孔裂隙体积均大于1 000 μm3。

图7 母样孔裂隙体积与孔裂隙数目及体积百分比的关系Fig.7 Pore number and pore volume percentage under different pore volume of parent sample

分析结果（表5）表明，3块子样与母样总孔裂隙体积相关性不大，总体为1.83%～4.64%。与母样相比，子样矿物含量均偏低，进一步说明研究区矿物主要充填了样品中较大规模的宏观孔裂隙。3块子样孔裂隙以E型为主，D型和F型较少。与母样不同，子样孔裂隙除1号样品的Z方向以外均不连通。

由子样不同孔裂隙体积的孔裂隙数目及对应体积百分比关系（图8）可知，子样与母样孔裂隙体积分布模式有很大区别。由于子样缺少大规模孔裂隙，随孔裂隙体积的增大，孔裂隙数目与孔裂隙体积百分比均呈先增大后减小的趋势。子样孔裂隙体积为10～100 μm3的孔裂隙数目最多，孔裂隙体积为100～1 000 μm3的孔裂隙体积百分比最大。

表5 子样的孔裂隙体积百分比和矿物含量分析结果Table5 Pore volume and mineral content of child sample

图8 子样孔裂隙体积与孔裂隙数目及体积百分比的关系Fig.8 Pore number and pore volume percentage under different pore volume of child sample

4 结论

沁水盆地马必东区块3#煤层发育多尺度孔裂隙结构，孔裂隙总体积分布比较分散，在局部区域形成连片状裂隙。煤岩孔裂隙宏观上以C型为主，微观上以E型为主。根据子样和母样矿物含量的相关性可知，样品较大规模的孔裂隙多被矿物充填，限制了煤层气的渗流和产出。认为消除孔裂隙中充填矿物的影响，进一步释放煤层气的渗流通道，是提高研究区煤层气产量的有效方式。