基于CT扫描的煤岩孔裂隙表征_李相臣.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-08-10 基金项目 国家重点基础研究发展计划（973 计划）课题（2010CB226705）；国家科技重大专项课题（2011ZX05005-006-008HZ） Foundation itemThe Major State Basic Research Development Program of China（973 Program） （2010CB226705）；National Science and Technology Major Project（2011ZX05005-006-008HZ） 作者简介 李相臣（1983），男，吉林东辽人，博士，讲师，从事油气储层研究工作. E-mailli_xiangchen 通讯作者陈德飞（1988），男，四川西充人，硕士，助理工程师，从事采油工艺及相关技术研究. E-maildephey.chen 引用格式 李相臣，陈德飞，康毅力，等. 基于 CT 扫描的煤岩孔裂隙表征［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）58-62. LI Xiangchen，CHEN Defei， KANG Yili，et al. Characterization of pores and fractures of coal based on CT scan［J］. Coal Geology Exploration， 2016，44（5）58-62. 文章编号 1001-1986（2016）05-0058-05 基于 CT 扫描的煤岩孔裂隙表征 李相臣 1，陈德飞2，康毅力1，孟祥娟2 （1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500； 2.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841000） 摘要 煤岩中孔隙与裂隙的结构、形态等特征直接影响煤层气在煤层中的聚集和运移。为对煤岩 中孔裂隙类型及孔裂隙的空间分布进行表征，选取宁武盆地中煤阶煤岩，利用微 CT 扫描技术对 煤岩进行扫描获得 CT 图像，运用 FDK 算法重建煤岩的灰度图像并基于宏观孔隙度值对灰度图像 进行二值化分割，对 CT 图像中的微裂纹目标进行了识别；利用 CT 扫描获得的图像依据煤岩中基 质、孔裂隙及矿物组分均表现出不同的 CT 值分布，实现了煤岩中孔裂隙的三维建模，对煤岩中 孔裂隙的尺度以及空间分布进行综合表征。研究成果为后期研究煤岩中气体吸附-解吸-渗流的多 尺度过程奠定了基础。 关 键 词煤岩；CT 扫描；孔裂隙；灰度值；三维重构 中图分类号P618.13 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.011 Characterization of pores and fractures of coal based on CT scan LI Xiangchen1， CHEN Defei2， KANG Yili1， MENG Xiangjuan2 （1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation in Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China； 2. Research Institute of Oil and Gas Engineering， Tarim Oilfield Company， PetroChina， Korla， 841000， China） Abstract The accumulation and migration of coalbed methane in coal seams is affected by the characteristics of structure and shape of pores and fractures in coal. To characterize the type and spatial distribution of the pores and fractures in coal， the paper took the medium rank coal from Ningwu basin， used micro-CT scanning technology to scan to get CT images and adopted the FDK algorithm for construction of grayscale images， then based on experi- mental porosity， used binary segmentation to cut the grayscale images and recognizing the micro-fractures in CT image. By using the images obtained by micro-CT scanning technology and based on the coal matrix， pores （frac- tures） and mineral components showed a different distribution of CT values and finally the 3D modeing of pores and fractures of coal was realized， and the dimension and the spatial distribution of pores and fractures were char- acterized comprehensively. The research results have great contribution to research the process of gas adsorp- tion-desorption and seepage in coal. Key words coal； CT scan； pores and fractures； gray value； 3D reconstruction 煤层是具有双重孔隙结构系统的储层，其中煤 岩的双重孔隙结构可以分为基质孔隙与裂隙。煤层 气主要以吸附态赋存于煤层中，基质孔隙是煤层气 的主要储集场所；裂隙按照其成因可以被划分为内 生裂隙与外生裂隙两种，二者相互连接，形成了复 杂的裂隙网络系统，成为煤层气运移的主要通道。 因此，对煤岩孔隙与裂隙的结构、形态等方面准确 表征显得尤为重要。 煤岩中基质孔隙受多种成因类型控制，其孔隙 本身形态复杂，多种内在因素均会对基质孔隙的孔 容、孔表面积、孔径分布以及孔隙度等产生影响。 张慧等［1］运用扫描电镜研究了煤岩微观结构特征及 ChaoXing 第 5 期 李相臣等 基于 CT 扫描的煤岩孔裂隙表征 59 表面特征。曹树刚等［2］利用 ASAP2020 型比表面及孔 径分析仪，研究了煤岩表面微观结构。汤达祯等［3］研 究了煤岩孔隙度与煤质之间的关系。宫伟力等［4］利 用 CT 扫描技术研究了煤岩裂隙发育的多尺度特征。 G Gűrdal 等［5］对 Zonguldak 盆地石炭纪煤的比表面 积及孔容随煤岩成熟度以及显微结构的变化特征进 行过详细研究。 目前针对煤岩孔隙结构的主要研究方法包括 电子显微镜法（SEM，TEM）［6-9］；气体吸附法（N2， CO2）［10-11］；压汞法（MIP）［12-13］；核磁共振旋转-松弛 测量法（NMR）［14-15］等。电子显微镜法能够对煤岩中 的孔隙进行直接观察，但仅能表征较小区域的孔隙 信息，并且仅限于平面观察，无法研究孔裂隙的空 间分布规律；气体吸附法对于多孔介质的孔隙结构 表征较为常用，但主要是对微孔和小孔进行表征； 压汞法具有快速测量的特征，主要用于测量大孔体 积的分布，但由于压汞实验的进汞压力较高，在高 压条件下将破坏煤岩本身结构，不利于表征微孔和 小孔的分布；核磁共振技术能够在快速无损的情况 下对煤岩孔隙结构进行表征，但实验过程中样品饱 和液体时的压力很难确定。更为重要的是上述测试 方法在制样过程中往往会对煤样的结构造成破坏， 造成一些人为裂隙， 导致对孔裂隙结构的表征失真。 CT 扫描能够在无损的情况下对煤岩内部结构进行 表征，有效的弥补上述测量手段的不足。 本文对宁武盆地太原组 9 号煤岩样进行微 CT 扫描，利用基于孔隙度的二值分割法对 CT 扫描切 片进行处理，获得切片图像的孔裂隙结构；利用软 件对煤岩进行三维重构，通过图像的 CT 值分布对 煤岩中的基质、孔隙裂隙、矿物进行识别，分析其 在空间的分布特征。 1 实验煤样及实验方法 1.1 实验煤样 研究煤样采自山西省宁武盆地南部 9 号煤层， 为该区块煤层气主要开采煤层，煤层埋深为 600～ 1 000 m，并且整体较破碎，原生裂隙与次生裂隙均 较发育，实验煤样部分特征参数如表 1 所示。实验前 利用切割器将煤样切割成直径为 4 mm，高度为 10 mm 的柱状煤样，并烘干待用。 1.2 实验方法 实验设备为美国Xradia公司生产的Micro XCT- 400 型 CT 机，其中 X 射线焦点尺寸为 5 μm，空间 分辨率为 1.5 μm；探测器为 16 bit CCD，视域为 20482048 像素；MicroXCT-400 型 CT 最大的特点 为对低原子序数材料（碳纤维、聚合物）到高原子序 数的各种材料均具很高的衬度。图 1 为该仪器获取 CT 图像的原理图。 表 1 实验煤样特征参数 Table 1 Parameters of coal samples 性质 密度/（g.cm-3） 水分 Mad/％ 灰分 Aad/％ 挥发分 Vdaf/％ 固定碳 FCd/％随机反射率 Rran/％ 孔隙度/％ 渗透率/10-3m 2 特征值 1.31 1.28 8.88 34.32 55.52 0.97 4.35 0.415 图 1 MicroXCT-400 型 CT 机原理 Fig.1 Schematic diagram of MicroXCT-400 CT 当 X 射线穿透物质时，将与物质相互作用从而 引起能量衰减，X 射线穿透同一材料的衰减幅度可 通过 Beer 定律计算 0 e x I I μ- （1） 式中 I0、I 分别表示 X 射线初始及穿过物质后的强 度，mR/h；μ 表示衰减系数；x 表示 X 射线穿过物 质的路径长度，mm。 对于复合物质 X 射线的衰减可通过下式获得 0 i i x I I e ι -μ ∑ （2） 式中 i 表示物质中某一组分；μi表示 i 组分的衰减 系数；xi表示 X 射线穿过 i 组分的路径长度，mm。 CT 扫描实验中，被研究物质的密度运用 X 射 线的衰减系数进行表征，但实际研究中对非均匀物 质的密度差比密度的绝度值更为关注，故研究过程 中引入 CT 值的概念 CT 1000 μμ μ 该物质水 水 - （3） CT 值与物质的密度之间为正比关系，HU （Houns- field unit）。 ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 44 卷 2 微 CT 扫描图像分析 本次研究选择物性较好的 1 块煤样进行微 CT 扫描分析，总共拍摄 1 000 张 16 bit 灰度图片，总计 492 516 bit 灰度张图片（图 2）。图片为 BMP 格式， 分辨率为 1.861 μm，体素为 1 0051 005985。 图 2 煤样 Micro-CT 扫描切片图像 Fig.2 Slice images of coal sample by Micro-CT 针对 CT 图像通常运用像素数来表征 CT 值大 小，对 CT 值较低的区域表现为深黑色，主要为煤 样中的孔隙及裂隙；对 CT 值较高的区域表现为白 色，主要为煤样中的矿物部分；煤样中有机质部分 CT 值介于上述两者之间，呈灰色。以往学者研究表 明针对不同区块不同发育程度的煤样， CT 值分布往 往有所区别，但煤样中煤基质、矿物、孔隙裂隙所 对应的 CT 值基本具有固定区间（表 2），据此原理可 对煤样 CT 扫描切片上的孔隙、裂隙及矿物发育情 况进行表征［14，16］。 表 2 煤岩中不同组分所对应的 CT 值 Table 2 The CT value of different components in coal 组分 颜色 CT 值（HU） 矿物 白色 Approximate 3 000 煤基质（有机质） 灰色 1 000～1 800 孔隙、裂隙 黑色 ＜600 如图 3 所示，可清晰观察到煤样中尺度较大的 裂隙，但由于 CT 扫描获取的切片为灰度图像，孔 裂隙与骨架边缘比较模糊，较小裂隙难以直接观察 出，需选择合理分割方法进行分割。由于煤样中孔 裂隙与煤基质的灰度值相差较大，通常选用阈值分 割法进行处理。在图像灰度分布图上，不同目标和 背景则对应不同的峰，通常由背景和目标两个峰组 成（图 4）。选取的阈值应位于两个峰之间的谷，从而 将各个峰分开。 假设 f（x， y）表示图像的灰度值，则取阈值 T 分 割后的图像为 1，（ ，） （ ，） 0，（ ，） f x yT g x y f x yT ■＞ ■ ■ ≤ （4） 图 3 煤样灰度分布图 Fig.3 Grey level histogram of coal sample 图 4 灰度直方图 Fig.4 Grey level histogram g（x，y）为得到的二值图像灰度值，若该图像灰度 直方图具备双峰以及高斯型密度分布，且方差 σ 相 同，可得最佳分割阈值为 1221 122 ln（） 2 P T P μμσ μμ - （5） 式中 μ1，μ2分别为两种像素的概率密度均值；P1、 P2分别为两种像素出现的概率。 结合式（4）和式（5）对图 2 进行二值化处理， 煤样 中的孔裂隙被分离出来，如图 5 所示。 图 5 煤样 CT 序列图像 Fig.5 CT image sequences of coal sample 据图 5 计算出煤样中该 CT 切片的面孔隙度为 4.77％，并且检测出 6 条微裂隙，并且对这些微裂隙 的长度及方位角进行了精细描述，结果见表 3。 ChaoXing 第 5 期 李相臣等 基于 CT 扫描的煤岩孔裂隙表征 61 表 3 煤样 CT 切片中微裂隙描述 Table 3 Micro-fractures distribution in CT slice 序号 长度/mm 方向角/（） 1 1.063 5 -62.92 2 0.279 3 34.11 3 0.184 9 63.43 4 0.495 7 -74.05 5 0.413 9 77.74 6 0.301 2 41.82 3 煤岩孔隙裂隙形态分析 研究过程中将通过微 CT 扫描获得的一系列煤样 切片进行再次重叠（图 6）， 对煤样进行三维重构，相邻 切片之间的间距越小，重构所获得的模型越真实。 文中将沿煤样轴向进行微 CT 扫描所获得的 1 000 张图片进行三维重构分析，如图 7 所示，图中（a）、（b） 图 6 煤样 CT 序列图像 Fig.6 CT image sequences of coal sample 和（c）分别为煤样重构后在某一位置从前后、上下、左 右方向所获取的图像， 图 8 为图 7（b）图像中沿着箭头方 向的 CT 值分布，由于煤样中的煤基质、矿物、孔隙裂 隙所对应 CT 值基本具有固定区间，依据煤样各部分 CT 值分布可对煤样中的煤基质、矿物、孔隙裂隙进行 识别，并计算出它们的空间分布。 图 7 煤样孔裂隙三维视图 Fig.7 3D view of pore and fracture in coal sample 据图 7a图 7c 可看出①该煤样中微裂隙较 为发育，左下部分尤为发育，同时部分裂隙被条 带状的矿物所充填；②煤样中的气孔也较为发育， 在煤样中呈散乱状分布。图 7b 中的中间剖面线经 过较为明显的两处微裂隙以及矿物充填部分，在 图 8 中 CT 值曲线表现出 2 个大小不等的波谷以及 一个波峰，这主要是由于矿物部分表现出较大的 CT 值，而孔裂隙处的 CT 值较小，裂隙越大 CT 值越小。 4 煤岩孔裂隙空间分布 微 CT 扫描能够在无损的情况下对煤样内部孔 隙、裂隙进行表征，并通过软件进行三维重构得到 立体图像后，可实现煤样中的孔隙、裂隙的大小形 态，方位及空间分布的精确表征，同时对矿物的发 育情况也能进行表征，若结合 X 射线衍射煤样中矿 物类型的分析，也可对煤样中各种矿物的三维分布 进行表征。 图 8 图 7b 中沿红色剖面线的 CT 值 Fig.8 CT number distribution along the profile line in fig.7b 图 9 为实验煤样进行三维重构立体化后的结 果，重构过程中煤基质部分为较均一的透明状，矿 物部分为深灰色致密状，孔隙、裂隙为浅灰色稀疏 状。 上述处理后可更为直观的观察出煤样中煤基质、 孔裂隙及矿物的空间分布情况。据图 9 可看出该煤 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 44 卷 样中裂隙均较为发育且部分裂隙被矿物充填；孔隙 具有不均匀发育特征，矿物周围的孔隙较为发育。 图 9 煤样三维重构模型 Fig.9 3D surface renderings for visualization of coal sample 现阶段仅仅是利用微 CT 扫描技术对煤样中孔 隙、裂隙和矿物空间分布描述的初步阶段，该技术 具有广泛的应用前景，能用于煤岩非均质性的三维 表征；建立空间孔隙、裂隙分布与气体吸附、扩散 之间的关系；模拟流体动态运移过程；评价煤层气 开采过程中随着煤层孔隙压力的变化所导致的孔隙 度及渗透率的动态变化等方面的研究。 5 结 论 a. 煤岩中基质、 孔裂隙及矿物组分表现出具有不 同的 CT 值分布范围，利用 CT 图像可对其进行识别。 b. 基于宏观孔隙度值对煤岩的灰度图像进行 二值化分割，运用 ImageJ 软件对其进行分析可对 CT 切片中裂隙分布情况进行精细表征。 c. 利用 CT 扫描所获得的图像，基于煤岩中不 同组分具有不同的 CT 值分布，可对煤岩的孔裂隙 进行三维表征，可更直观地分析煤岩中孔裂隙的空 间分布特征。 参考文献 ［1］ 张慧. 煤孔隙的成因类型及其研究［J］． 煤炭学报， 2001， 26（1） 40-44． ZHANG Hui. 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