基于鑄體薄片和CT掃描分析灰巖的微觀結構

李海波

(山西華晉吉寧煤業有限責任公司,山西 臨汾 042100)

0 引言

煤系地層灰巖是煤炭資源中常見的巖石類型?；規r作為煤炭資源的伴生巖石,成巖作用復雜,儲層致密、孔隙復雜程度高,有明顯的非均質性和各向異性?；規r結構特征的研究對煤炭資源的勘探和開發具有重要意義,能提高煤炭開采過程中資源的利用效率,提升礦井安全生產評價指標[1-4]。

在巖石顯微孔隙圖像分析中,巖石鑄體薄片法是最常用的。其方法是將染色樹脂注入抽空的巖心孔隙內部,待樹脂凝固后,將巖心按特定的方位切片打磨,再放在顯微鏡下測量。鑄體薄片中樹脂部分能夠展示出巖石在二維空間上的孔隙結構。因此,可以直接觀測巖石薄片的孔隙、喉道、孔喉配位數及面孔率等。張創[5]利用鑄體薄片資料進行儲層孔隙度演化,推導了壓實、膠結損失孔隙度與溶蝕增加孔隙度計算公式,建立了考慮各種成巖作用結果和成巖過程中巖石表觀體積變化情況下的結果檢驗方法。蔡宇恒[6]基于巖石鑄體薄片采用深度學習的方法自動提取圖像孔隙。李天平[7]利用遷移學習解決鑄體薄片數據量少,而影響孔隙分割準確率的問題。鑄體薄片[8-9]已經廣泛的用于巖研究石的孔隙性質、孔隙連通性、巖石儲層特征等。

近年來,CT掃描技術在煤炭和石油開采行業的廣泛應用,形成了基于CT成像[10]的三維高精度表征技術,對微觀孔隙結構的研究具有重大意義。CT掃描數字巖心技術能夠實現巖石微觀結構的三維可視化和精細化定量表征。從微觀角度對巖石孔隙結構特征進行深入研究。王威等[11]總結了CT技術對巖石對微觀結構的定量研究與應用實例給出了糜棱巖、砂巖和灰巖三個不同樣品的計算分析實例。熊健利用微CT技術,研究了砂礫巖儲集層巖石的二維孔隙結構和三維孔隙結構特征,分析了瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖樣品的空隙特征[12];鄧遠剛運用CT掃描技術對典型脆性巖樣單軸壓縮破壞后破裂面及全斷面進行掃描,獲取全斷面的細觀形態,分析和總結了典型脆性巖樣破壞細觀裂紋擴展的發展規律[13];查明利用CT掃描技術從三維角度表征儲層微觀孔隙結構、裂縫分布、微觀流體特征等;定量分析巖石物性參數;動態地監測微觀流體驅替、巖石裂縫的延伸規律[14];張天付分析CT技術在儲層地質研究中的應用發展歷程,將CT掃描三維數據體和數字巖心組合在一起,可以提取巖石物理屬性參數[15]。黃宛瑩[16]利用三維動態CT圖像數據,通過圖像切割、圖像分割等處理步驟,以團簇為基本表征單位,表征不同形狀、大小孔隙的動態變化過程,分析對比全部孔隙、大團簇、小團簇和裂隙型小團簇的動態圖像。Fan Nan等[17]采用高分辨率x射線微CT對沙曲煤礦焦煤樣進行CT掃描。Liu Xuechao等[18]從孔隙角度和孔隙分辨率兩個方面研究了孔隙幾何形態對孔隙分析的影響。Xie Linglu等[19]利用 x 射線計算機斷層掃描CT技術建立了數字巖心模型。邢敏[20]基于CT掃描技術研究煤巖的孔隙結構。Wu Jinsui[21]采用CT掃描分析了砂巖的微觀結構與滲透率。

因此,制備鑄體薄片可能需要樣本的切割和磨削,這可能導致樣品損失和結構改變。此外,選擇適當的切割方向和位置可能會影響研究結果, 盡管CT掃描可以提供三維圖像,但它們可能難以直觀地可視化或分析。因此結合非侵入性的CT掃描技術和鑄體薄片分析方法,可以提供更全面和準確的灰巖微觀結構分析。本文通過CT掃描灰巖巖芯,得到灰巖三維數字巖心圖像,通過AVIZO軟件提取分析三維數字巖心內部的孔隙結構參數,得到所測巖心的孔隙度等一系列參數,結合鑄體薄片則提供了巖石的顯微鏡下的細節特征,對灰巖的孔隙結構、礦物組成和微觀結構進行了深入研究。

1 煤系地層灰巖樣本和實驗方法

灰巖樣本取自華北某煤田,打鉆取樣如圖1所示,開采樣品深度為900～1000m。選取10個樣品,采用鑄體薄片觀察研究巖石的顯微鏡下的細節特征,通過CT掃描圖像獲取了巖石的三維內部結構信息。

圖1 灰巖樣品

2 鑄體薄片實驗

制備鑄體薄片,并在顯微鏡下觀察樣品的顯微結構。鑄體薄片是通過將流體材料注入巖石樣品的孔隙空間,并在固化后進行切割和拋光得到的,可以直接展示巖石的孔隙結構和礦物組成(如圖2所示)。鑄體薄片實驗發現該地區灰巖主要是泥晶、粉晶、泥-粉晶結構,塊狀構造。巖石成分以粒徑小于0.01mm的泥晶白云石,和粒徑0.01～0.05mm的細粉晶白云石為主,次為方解石,見不均勻重結晶,粗粉晶、細晶條帶定向分布。泥質以粘土礦物為主。見少量塵點狀鐵質。巖石構造縫發育,交織成網狀,縫寬0.01～0.35mm,方解石全充填。巖石孔隙以晶間微孔為主,孔徑大多數都小于0.03mm,孔隙分布不均勻,連通性差。

圖2 鑄體薄片圖

通過鑄體薄片鑒定實驗發現,樣品1#、2#、4#、5#、7#、8#、9#都有構造裂縫(如圖2所示)。這是成巖期壓實作用使灰巖孔隙度縮小,其骨架顆粒之間隨著埋深增加,巖層發生壓溶作用形成的縫合線。壓實作用使灰巖原生孔隙大幅度縮小,并且將一些塑性礦物壓成細條狀。

3 煤系地層灰巖的CT掃描

3.1 CT掃描圖像獲取和預處理

從選取的掃描10個樣品中,制作邊長大概1cm 的方塊,進行CT掃描實驗的研究,如圖所示。CT掃描電壓110kV;電流一般是55mA;曝光時間0.3s,掃描的體像素為18.98μm。掃描完成后,用Recon重建軟件重建圖像(如圖3所示),將重構完成的樣本數據導入Avizo軟件提取分析樣品孔隙結構。

3.2 CT圖像的預處理

研究的目標區域像素大小為360*450*360,采用中值濾波(median filter)進行降噪,交互式閾值(“Interactive Thresholding”)進行二值化處理,切片閾值效果如圖4,從切片圖中明顯地看出在樣品1#、2#、3#、4#、6#、8#、9#中的切片圖中可以看出明顯的構造裂縫,構造裂縫的亮度高,說明巖體致密。結合鑄體薄片鑒定實驗,發現樣品1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#都有構造裂縫(如圖4所示)。由于CT和鑄體薄片實驗樣品是從同一煤礦巖樣中取得不同的部分,綜合兩種實驗結果可知10個巖樣中9樣品中存在構造裂縫,說明該地區的灰巖樣品存在大量的構造裂縫,并且表明巖石灰巖具有脆性特性容易發生斷裂破壞,且受到應力作用的重要證據。一些構造裂縫呈直線或平行排列,會極大地限制垂向的連通性,這與構造應力場的作用有關;而其他裂縫呈隨機分布,與巖石內部的結構和成分異質性有關。

圖4 切片閾值效果圖

3.3 樣品總孔隙率、連通孔隙,面孔隙率,形狀因子的計算

3.3.1 總孔隙率和連通孔隙率

用Avizo 軟件分析重建后的樣品,采用交互式閾值區分樣品的固相和孔隙相,選擇“Volume Fraction”,計算出總孔隙率(見表1),總孔隙最大的為sample-8的9.7%,最小的sample-9 是4.4%。用Avizo軟件中的“Axis Connectivity”模塊對樣本切片進行處理,在定義連通性時,“6”表示共用一個面,“18”表示共用一個邊,“26”表示共用一個角。采用“6”共用一個面。計算連通孔隙(見表1)。所有樣品的連通度都很好,在此基礎上進一步計算,利用“Generate Pore Network Model”模塊,計算出的數據包括孔喉半徑(見表1)?？紫抖确秶?.044～0.097,孔徑范圍是1.96～3.3μm,連通度最低的83.33%,說明雖然孔隙度較低,但連通度很好。

3.3.2 面孔隙率

選擇“XY planes”,計算每個樣品的xy方向切片的面孔隙率趨勢圖,從圖5中可以看出,每個樣品孔隙率隨著方向切片都會有變化,樣品1#和8#面孔率波動較大,其他樣品面孔隙率波動較小,說明只有樣品1#和8#非均質性強,其他樣品沿xy方向非均質性較弱。

圖5 面孔隙率

4 結論

(1) 構造裂縫的存在:綜合分析顯示,在這個地區的灰巖樣品中存在大量的構造裂縫,這些裂縫交織成網狀結構。這些裂縫對巖石的性質和孔隙性有重要影響。

(2) 孔隙性不均勻:孔隙分布在樣品中不均勻,同時孔隙連通性較差,這意味著孔隙之間的連接有限,不同孔隙之間難以形成有效的通道。

(3) 主要礦物成分:在這個地區的灰巖樣品中,主要的礦物成分是細粉晶白云石,其次是方解石。此外,泥質成分以粘土礦物為主。

(4) 孔隙率和連通性:通過對CT掃描圖像的三維數字巖心重構,我們計算出了孔隙率和連通孔隙率。研究發現,選擇閾值范圍對孔隙率計算結果有重要影響,孔隙率范圍在4.4%到9.7%之間,而連通性較高。

(5) 非均質性趨勢:從樣品xy方向切片的面孔隙率趨勢圖中可以看出,只有樣品1#和8#表現出較強的非均質性,而其他樣品的非均質性較低。

這對于研究該地區的灰巖的物理性質、水文地質特性以及潛在的工程應用都具有重要意義。深入了解巖石的微觀結構有助于制定合適的開采和工程方案,同時也有助于更好地理解地下水流動和地質過程。