基于铸体薄片和CT扫描分析灰岩的微观结构

李海波

(山西华晋吉宁煤业有限责任公司,山西 临汾 042100)

0 引言

煤系地层灰岩是煤炭资源中常见的岩石类型。灰岩作为煤炭资源的伴生岩石,成岩作用复杂,储层致密、孔隙复杂程度高,有明显的非均质性和各向异性。灰岩结构特征的研究对煤炭资源的勘探和开发具有重要意义,能提高煤炭开采过程中资源的利用效率,提升矿井安全生产评价指标[1-4]。

在岩石显微孔隙图像分析中,岩石铸体薄片法是最常用的。其方法是将染色树脂注入抽空的岩心孔隙内部,待树脂凝固后,将岩心按特定的方位切片打磨,再放在显微镜下测量。铸体薄片中树脂部分能够展示出岩石在二维空间上的孔隙结构。因此,可以直接观测岩石薄片的孔隙、喉道、孔喉配位数及面孔率等。张创[5]利用铸体薄片资料进行储层孔隙度演化,推导了压实、胶结损失孔隙度与溶蚀增加孔隙度计算公式,建立了考虑各种成岩作用结果和成岩过程中岩石表观体积变化情况下的结果检验方法。蔡宇恒[6]基于岩石铸体薄片采用深度学习的方法自动提取图像孔隙。李天平[7]利用迁移学习解决铸体薄片数据量少,而影响孔隙分割准确率的问题。铸体薄片[8-9]已经广泛的用于岩研究石的孔隙性质、孔隙连通性、岩石储层特征等。

近年来,CT扫描技术在煤炭和石油开采行业的广泛应用,形成了基于CT成像[10]的三维高精度表征技术,对微观孔隙结构的研究具有重大意义。CT扫描数字岩心技术能够实现岩石微观结构的三维可视化和精细化定量表征。从微观角度对岩石孔隙结构特征进行深入研究。王威等[11]总结了CT技术对岩石对微观结构的定量研究与应用实例给出了糜棱岩、砂岩和灰岩三个不同样品的计算分析实例。熊健利用微CT技术,研究了砂砾岩储集层岩石的二维孔隙结构和三维孔隙结构特征,分析了玛湖凹陷百口泉组砂砾岩样品的空隙特征[12];邓远刚运用CT扫描技术对典型脆性岩样单轴压缩破坏后破裂面及全断面进行扫描,获取全断面的细观形态,分析和总结了典型脆性岩样破坏细观裂纹扩展的发展规律[13];查明利用CT扫描技术从三维角度表征储层微观孔隙结构、裂缝分布、微观流体特征等;定量分析岩石物性参数;动态地监测微观流体驱替、岩石裂缝的延伸规律[14];张天付分析CT技术在储层地质研究中的应用发展历程,将CT扫描三维数据体和数字岩心组合在一起,可以提取岩石物理属性参数[15]。黄宛莹[16]利用三维动态CT图像数据,通过图像切割、图像分割等处理步骤,以团簇为基本表征单位,表征不同形状、大小孔隙的动态变化过程,分析对比全部孔隙、大团簇、小团簇和裂隙型小团簇的动态图像。Fan Nan等[17]采用高分辨率x射线微CT对沙曲煤矿焦煤样进行CT扫描。Liu Xuechao等[18]从孔隙角度和孔隙分辨率两个方面研究了孔隙几何形态对孔隙分析的影响。Xie Linglu等[19]利用 x 射线计算机断层扫描CT技术建立了数字岩心模型。邢敏[20]基于CT扫描技术研究煤岩的孔隙结构。Wu Jinsui[21]采用CT扫描分析了砂岩的微观结构与渗透率。

因此,制备铸体薄片可能需要样本的切割和磨削,这可能导致样品损失和结构改变。此外,选择适当的切割方向和位置可能会影响研究结果, 尽管CT扫描可以提供三维图像,但它们可能难以直观地可视化或分析。因此结合非侵入性的CT扫描技术和铸体薄片分析方法,可以提供更全面和准确的灰岩微观结构分析。本文通过CT扫描灰岩岩芯,得到灰岩三维数字岩心图像,通过AVIZO软件提取分析三维数字岩心内部的孔隙结构参数,得到所测岩心的孔隙度等一系列参数,结合铸体薄片则提供了岩石的显微镜下的细节特征,对灰岩的孔隙结构、矿物组成和微观结构进行了深入研究。

1 煤系地层灰岩样本和实验方法

灰岩样本取自华北某煤田,打钻取样如图1所示,开采样品深度为900～1000m。选取10个样品,采用铸体薄片观察研究岩石的显微镜下的细节特征,通过CT扫描图像获取了岩石的三维内部结构信息。

图1 灰岩样品

2 铸体薄片实验

制备铸体薄片,并在显微镜下观察样品的显微结构。铸体薄片是通过将流体材料注入岩石样品的孔隙空间,并在固化后进行切割和抛光得到的,可以直接展示岩石的孔隙结构和矿物组成(如图2所示)。铸体薄片实验发现该地区灰岩主要是泥晶、粉晶、泥-粉晶结构,块状构造。岩石成分以粒径小于0.01mm的泥晶白云石,和粒径0.01～0.05mm的细粉晶白云石为主,次为方解石,见不均匀重结晶,粗粉晶、细晶条带定向分布。泥质以粘土矿物为主。见少量尘点状铁质。岩石构造缝发育,交织成网状,缝宽0.01～0.35mm,方解石全充填。岩石孔隙以晶间微孔为主,孔径大多数都小于0.03mm,孔隙分布不均匀,连通性差。

图2 铸体薄片图

通过铸体薄片鉴定实验发现,样品1#、2#、4#、5#、7#、8#、9#都有构造裂缝(如图2所示)。这是成岩期压实作用使灰岩孔隙度缩小,其骨架颗粒之间随着埋深增加,岩层发生压溶作用形成的缝合线。压实作用使灰岩原生孔隙大幅度缩小,并且将一些塑性矿物压成细条状。

3 煤系地层灰岩的CT扫描

3.1 CT扫描图像获取和预处理

从选取的扫描10个样品中,制作边长大概1cm 的方块,进行CT扫描实验的研究,如图所示。CT扫描电压110kV;电流一般是55mA;曝光时间0.3s,扫描的体像素为18.98μm。扫描完成后,用Recon重建软件重建图像(如图3所示),将重构完成的样本数据导入Avizo软件提取分析样品孔隙结构。

3.2 CT图像的预处理

研究的目标区域像素大小为360*450*360,采用中值滤波(median filter)进行降噪,交互式阈值(“Interactive Thresholding”)进行二值化处理,切片阈值效果如图4,从切片图中明显地看出在样品1#、2#、3#、4#、6#、8#、9#中的切片图中可以看出明显的构造裂缝,构造裂缝的亮度高,说明岩体致密。结合铸体薄片鉴定实验,发现样品1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#都有构造裂缝(如图4所示)。由于CT和铸体薄片实验样品是从同一煤矿岩样中取得不同的部分,综合两种实验结果可知10个岩样中9样品中存在构造裂缝,说明该地区的灰岩样品存在大量的构造裂缝,并且表明岩石灰岩具有脆性特性容易发生断裂破坏,且受到应力作用的重要证据。一些构造裂缝呈直线或平行排列,会极大地限制垂向的连通性,这与构造应力场的作用有关;而其他裂缝呈随机分布,与岩石内部的结构和成分异质性有关。

图4 切片阈值效果图

3.3 样品总孔隙率、连通孔隙,面孔隙率,形状因子的计算

3.3.1 总孔隙率和连通孔隙率

用Avizo 软件分析重建后的样品,采用交互式阈值区分样品的固相和孔隙相,选择“Volume Fraction”,计算出总孔隙率(见表1),总孔隙最大的为sample-8的9.7%,最小的sample-9 是4.4%。用Avizo软件中的“Axis Connectivity”模块对样本切片进行处理,在定义连通性时,“6”表示共用一个面,“18”表示共用一个边,“26”表示共用一个角。采用“6”共用一个面。计算连通孔隙(见表1)。所有样品的连通度都很好,在此基础上进一步计算,利用“Generate Pore Network Model”模块,计算出的数据包括孔喉半径(见表1)。孔隙度范围是0.044～0.097,孔径范围是1.96～3.3μm,连通度最低的83.33%,说明虽然孔隙度较低,但连通度很好。

3.3.2 面孔隙率

选择“XY planes”,计算每个样品的xy方向切片的面孔隙率趋势图,从图5中可以看出,每个样品孔隙率随着方向切片都会有变化,样品1#和8#面孔率波动较大,其他样品面孔隙率波动较小,说明只有样品1#和8#非均质性强,其他样品沿xy方向非均质性较弱。

图5 面孔隙率

4 结论

(1) 构造裂缝的存在:综合分析显示,在这个地区的灰岩样品中存在大量的构造裂缝,这些裂缝交织成网状结构。这些裂缝对岩石的性质和孔隙性有重要影响。

(2) 孔隙性不均匀:孔隙分布在样品中不均匀,同时孔隙连通性较差,这意味着孔隙之间的连接有限,不同孔隙之间难以形成有效的通道。

(3) 主要矿物成分:在这个地区的灰岩样品中,主要的矿物成分是细粉晶白云石,其次是方解石。此外,泥质成分以粘土矿物为主。

(4) 孔隙率和连通性:通过对CT扫描图像的三维数字岩心重构,我们计算出了孔隙率和连通孔隙率。研究发现,选择阈值范围对孔隙率计算结果有重要影响,孔隙率范围在4.4%到9.7%之间,而连通性较高。

(5) 非均质性趋势:从样品xy方向切片的面孔隙率趋势图中可以看出,只有样品1#和8#表现出较强的非均质性,而其他样品的非均质性较低。

这对于研究该地区的灰岩的物理性质、水文地质特性以及潜在的工程应用都具有重要意义。深入了解岩石的微观结构有助于制定合适的开采和工程方案,同时也有助于更好地理解地下水流动和地质过程。