基于全直径CT扫描技术的礁灰岩孔隙结构研究

谢冰冰，邓 建

(1.武汉蓝天绿野咨询设计有限公司，湖北 武汉 430071； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

珊瑚礁灰岩是造礁石珊瑚大范围死亡后其残骸在长期地质演化作用下形成的岩体，是一种经过生物化学胶结、重力压密及后期冷变质等复杂成岩作用形成的岩石，岩体内部构造及工程力学性质明显区别于陆源成岩形成的岩石。作为珊瑚礁主体的礁灰岩，因其特殊的成岩过程，形成了岩体孔隙多、强度低、脆性等构造及力学特征，且具有明显的沉积分带性和地貌差异性[1-3]。

随着中国海洋开发与利用的力度不断加大，珊瑚礁体的稳定性将成为关注的重点。作为珊瑚礁主体的礁灰岩，研究其工程力学特性，可为海洋工程建设提供强有力的技术支撑。礁灰岩岩体内部孔隙分布多、不均匀性强，孔隙对其物理力学性质影响突出。范超[4]研究表明，珊瑚礁灰岩的静态抗压和抗拉强度都随着其孔隙率的增大而减小；郑坤等[5]在珊瑚礁灰岩研究过程中，发现与石灰岩、白云岩等碳酸盐岩相比，珊瑚礁灰岩离散性较大，特别是孔隙率偏大，强度偏小，这与珊瑚等原生生物结构复杂、疏松多孔以及非匀质性的固有特征相吻合，进而提出珊瑚礁灰岩物理力学特性具有“结构效应”；肖向阳等[6]研究表明，马尔代夫珊瑚礁灰岩因其成岩作用弱、胶结物质特殊及主要成分为生物骨架三因素叠加而具有较高的孔隙率；田雨杭等[7]测定和分析了南沙海区某岛礁钻孔中珊瑚礁灰岩的纵波波速、孔隙度以及密度特征，结果显示礁灰岩的纵波波速变化范围为5 104～5 958 m/s，孔隙度变化范围为1.47%～17.7%。

岩石的颗粒粒度及孔隙结构对岩石的抗压强度、流变性质、渗透性能等力学特征有着至关重要的影响。传统的实验方法无法有效直观展示岩体内部的微细观构造、从根本上解释和解决岩石物理机理问题。目前，常规岩石物理实验分析岩体结构孔隙的方法主要有压汞法、核磁共振法、气体吸附法和二维图象分析法[8-10]。这些实验手段对认识不同岩石微观结构特征起了重要作用，但都存在一定的局限性，如：筛析法对样品有破坏作用；气体吸附法不能测量孤立孔隙的结构信息；二维图像分析法仅反映二维空间中的孔隙结构信息，不能表征岩芯的孔隙空间三维展布信息，对岩样整体情况的反映能力较弱[11]。

近年来，随着计算机技术及CT扫描技术的发展，利用X射线扫描岩芯后重建三维数字岩芯成为可能。利用全岩芯直径X射线CT扫描设备等高精度设备，在无损情况下获取岩芯全直径不同截面的二维图像，通过数值重建，得到三维数字岩芯。

三维数字岩芯可精确反映岩石的内部孔隙结构和矿物组成特征，为岩石微观结构的可视化、精细化表征提供了强大的技术支持，为微观孔隙结构可视化观察提供有力技术支撑。王鑫元等[12]研究表明，数字岩芯模型计算的岩芯平均孔隙度与气测孔隙度非常接近，绝对误差一般小于1%；随着孔隙度的减小，岩芯的孔隙直径和喉道直径依次减小，孔喉比依次增大，配位数依次减小；孙泽[13]采用三维立体可视化图像处理软件AVIZO对CT扫描法重建的岩芯进行数字化可视化操作，更为直观地显示出岩体内部孔隙大小、孔喉大小及连通方式；赵建鹏等[14]基于三维数字岩芯，结合图像处理方法和“最大球”方法，实现了岩石粒度分布、孔隙结构参数等定量化表征；金智敏等[15]运用Avizo三维可视化软件对某煤岩岩样的孔隙结构进行了研究，计算出岩样三维重构模型中的孔隙个数与体积，得出岩样的孔隙率为6.63%。

本文主要介绍运用X射线CT扫描设备对加工后标准礁灰岩试样进行全直径无损扫描，获取影像数据后重建标准试样的三维数字岩芯。将重建后获取的三维数字岩芯导入可视化处理软件Dragonfly，进行岩体孔隙的阈值及提取，获取岩体整体孔隙率、逐层面孔隙率、球棒模型等关键信息，对礁灰岩岩样的孔隙微细观结构特征进行了深入探讨。

1 试验方案

1.1 试样准备

选取南海岛礁具有代表性的礁灰岩样品，根据规范及设备适用的要求，制成直径50 mm、高100 mm的标准圆柱体岩样，选取其中3个礁灰岩试样进行三维数字岩芯扫描，试样标号分别为2-41-1、1-9、4-8。试样编号的第一个数字表示岩体取芯深度，数字越大，则所取岩芯所在深度越深，成岩时间越长。典型扫描试样如图1所示。该标准试样两端面的不平整度误差不大于0.05 mm，两端面垂直于岩样高度方向轴线，在该方向上偏差不超过0.25°。

图1 典型标准试样Fig.1 Typical standard samples

将制好的标准试样放入X射线CT扫描设备的导轨中，固定好位置，即可进行全直径岩芯扫描。

1.2 CT扫描设备原理

本试验中所采用的X射线CT扫描设备由天津三英科技公司生产，型号为GeoScan200。该CT扫描设备为定制型号，可扫描最大长度为2 000 mm、最大直径150 mm的试验样品。

CT扫描设备主要部件包括：试样样品台(碳纤维材质)、射线源、探测器等。内部构造如图2所示。

图2 CT扫描设备GeoScan200内部结构Fig.2 Internal structure of GeoScan200 CT scanning device

扫描时，将样品放置在样品台上，样品台按照设置好的参数平稳向前平移；射线源与探测器固定在转盘上，随着样品台导轨的向前平移，转盘也在缓慢旋转，形成连续螺旋CT扫描。根据不同的分辨率需求可对射线源的电压及功率进行调整。

1.3 CT扫描设备的分辨率调整及扫描设置

GeoScan200为定制型CT扫描设备，具备全岩芯尺度的超高分辨率，且可适应不同直径的岩芯试样。根据不同岩芯尺寸分为3种扫描档位，相应分辨率见表1。

表1 三种扫描档位及对应分辨率Tab.1 Three scanning gears and corresponding resolution

扫描档位不同，射线源及探测器的位置需要调整，样品台高度同样需要调整，以适应不同直径试样的扫描需求。射线源与探测器相对位置调整后，在对应扫描精度下的射线源能量要随之调整。射线源电压最大值、最小值分别为180 kV和40 kV，功率最大值为75 W。本文中采用直径为50 mm的标准试样，因此其分辨率为28 μm。采用的射线源电压为170 kV，电流为350 μA。

2 三维数字岩芯的孔隙提取方案

2.1 数字岩芯的重建

将扫描获取的原始.DR数据文件导入数据重建软件Voxel Recon，调整Hu(探测器水平偏移)和Chp(探测器角度偏转)这两个重要参数，在XY，XZ，YZ这3个切面上均实现切片的良好重合。若扫描样品边界出现明显高亮于试样内部灰度的情况，需进行硬化矫正，实现同材质灰度值的均一化，便于后期进行孔隙提取。进行硬化校正后，调整探测器的尺寸，点击重建获取.Raw文件(图3)。

图3 数据重建参数Fig.3 Data reconstruction parameters

对样本数据进行重建后，得到数据体切片数4 720张。数据体切片的数量与试样进行扫描时所使用的分辨率有关，即扫描的分辨率×切片数为扫描的试样长度(包含试验前后多扫描的空段长度)。

2.2 孔隙提取

通过上述数据重建软件获得的.Raw文件，可导入三维可视化软件Dragonfly进行数据后处理。

(1) 原始数据的预处理(选中圆柱体形状工具，去除外部接触的样品台阴影，便于对岩芯基质进行阈值)、数据体的切割；

(2) 数据体阈值(选中总体、孔隙、相交得到基质，以避免数据体重合)。根据灰度值的不同，选取基质和孔隙部分，分别建立感兴趣区域ROI，计算岩体整体孔隙度。

(3) 对孔隙ROI进行单独分析，提取连通孔隙。将孔隙分为连通孔隙和孤立孔隙，运用最大球算法功能建立连通孔隙的球棒模型，形象展示孔隙连通性及其分布。球棒模型中，圆球代表孔隙，棒状图形代表连通孔隙的连通通道(又称喉道)。一个圆球连接的棒状图形越多，表明其配位数越高，其连通性也就越强，渗透性越强，在研究岩体渗流中具有重要的意义。

3 实验结果分析

3.1 整体孔隙率分析

将扫描重建后的数字岩芯导入Dragonfly，进行三维可视化处理，三维可视化效果如图4所示。

礁灰岩由礁灰岩骨架及其内部复杂的孔隙结构组成。在进行CT扫描时，因高密度的礁灰岩骨架与低密度的孔隙结构对X射线能量吸收差异较大，在二维数值切片中呈现出灰度值差异。运用灰度阈值，提取礁灰岩内部的孔隙。阈值后的二维切片如图5所示。

图5 阈值提取孔隙后二维切片Fig.5 2D slice diagram after pore thresholding

在原始图像中对不同灰度值所对应的材料进行阈值选取与划分。通过对孔隙三维模型信息分析计算，获取孔隙与岩石骨架的体积分别为Vp和Vr，利用式(1)计算整体孔隙率。

(1)

式中：ωp为整体孔隙体积占比，即整体孔隙率。

计算结果见表2，整体孔隙率为7.47%～8.24%，选取的礁灰岩试样孔隙率较为一致。本次试验获得的礁灰岩孔隙率与致密砂岩较为接近；与马尔代夫部分礁灰岩相比，孔隙发育程度较小。

表2 整体孔隙率计算Tab.2 Integral porosity calculation

3.2 逐层面孔隙率

海相成因的珊瑚礁灰岩，在其发育和形成过程中，埋藏作用、胶结作用和成岩作用可改变礁灰岩的孔隙或裂隙结构及充填结构。因此，珊瑚礁灰岩具备复杂多孔、非匀质性等结构特征。

礁灰岩岩体内部孔隙具有明显的逐层差异性，面孔隙率的逐层变化在一定程度上能够反映孔隙在岩体内部的宏观分布情况。对3个试样进行扫描后，得到接近3 000张切片，切片如图6所示。对3个礁灰岩试样逐层孔隙率进行分析。

图6 试样切片展示Fig.6 2D slice display diagram

将试样进行整体阈值，剔除试样前后多余扫描的空气切片及灰度值不均匀的切片，将试样底部切片定义为起始切片0，绘制沿Z轴轴向的逐层孔隙率变化曲线(图7)。

图7 逐层面孔隙率Fig.7 Layer by layer porosity

试样1-9的逐层面孔隙率范围2.11%～65.29%，试样2-41-1的逐层面孔隙率范围为4.99%～46.04%，试样4-8的逐层面孔隙率的范围在5.85%～24.19%。由此可见，礁灰岩试样的逐层面空隙率变化范围非常大，可以反映逐层面孔隙率有较大的离散性，并较为贴切地反映了礁灰岩非匀质性的结构特点。而且，取芯深度不同，逐层面孔隙率的离散性存在一定差异，取芯深度浅，成岩时间短，逐层面孔隙率离散性更大。

3.3 最大球算法模型

运用Dragonfly中Pore Network Modeling分析模块进行最大球算法模型计算，建立球棒模型，如图8所示。球棒模型是提取礁灰岩岩体内部连通孔隙，将孔隙部分显示为球，孔隙连接喉道显示为棒状图。两个最大球之间连接的棒状图形越多，配位数越高，两个孔隙之间的连通性就越强，渗透性也就越强。

图8 最大球算法球棒模型Fig.8 Ball-bat model of maximum ball algorithm

由于计算内存有限，将试样进行裁切后进行计算，裁切数为900×900×1200。裁切数据如图9所示。

图9 数据体裁剪及阈值后骨架示意Fig.9 Schematic diagram of skeleton after data volume cropping and thresholding

等效直径是指与不规则外形物体的体积相同的球体直径，通常用球形颗粒直径代表该实际颗粒的直径。礁灰岩内部孔隙结构复杂，且孔隙尺寸大小不一，在分析孔隙内部结构尺寸特征时，用等效球体直径d表征。图10为礁灰岩内部连通孔隙直径分布。

图10 球棒模型孔隙等效直径分布(2-41-1)Fig.10 Ball-bat model pore equivalent diameter distribution

由图10可知：礁灰岩内部的连通孔隙较小，主要分布在50～150 μm之间，平均直径128.66 μm。

球棒模型计算得出的连通孔隙占总体孔隙的比值较小，且连通孔隙直径较小。因此，独立孔隙和单连通孔隙的研究对珊瑚礁灰岩渗透特性和力学特性研究具有十分重要的意义。

4 结 论

基于X射线扫描技术对珊瑚礁灰岩试样进行扫描及三维数字岩芯重构，利用三维可视化软件Dragonfly对数字岩芯进行孔隙提取及定性、定量分析，得出以下结论。

(1) 选取的珊瑚礁灰岩岩样的整体孔隙率为7.47%～8.24%，整体孔隙率偏小，更接近致密砂岩孔隙率。

(2) 标准试样的原始芯样取自南海岛礁不同区域及深度的珊瑚礁灰岩，整体孔隙率具有代表性。

(3) 通过珊瑚礁灰岩沿Z轴方向连续切片的逐层孔隙率变化图可以看出，试样1-9的逐层面孔隙率范围2.11%～65.29%，试样2-41-1的逐层面孔隙率范围为4.99%～46.04%，试样4-8的逐层面孔隙率的范围在5.85%～24.19%。这表明礁灰岩具有较强的非匀质结构特性；与珊瑚等原生生物骨胳疏松、结构复杂以及非匀质性的固有特征十分吻合。

(4) 3组礁灰岩试样逐层面孔隙率离散性均较大，其中取芯深度越浅，即成岩时间越短，试样孔隙结构离散性越大。

(5) 运用最大球算法计算得到连通孔隙及其直径分布。试样内部连通孔隙直径分布主要在50～150 μm之间，平均直径为128.66 μm。连通孔隙直径较小，且连通孔隙占总体孔隙的比例较小。因此，对独立孔隙和单连通孔隙的研究，对珊瑚礁灰岩的渗透特性和力学特性深入研究具有十分重要的意义。

(6) 礁灰岩作为珊瑚礁岩体的主体，是岛礁工程的基础和立足点，广泛分布于中国南海诸岛，基于礁灰岩孔隙特征，深入开展礁灰岩动力力学特性和三轴卸荷力学特性研究，可为维持珊瑚礁体长期安全稳定提供技术支撑。