全直径油气储层岩心三维可视化信息采集方法及应用前景

张守鹏，方正伟，杨诗棣，麦 文，张铜耀

(1.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015； 2.东营三英精密仪器研发中心，山东 东营 257000；3.中国海洋石油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300451)

全直径油气储层岩心三维可视化信息采集方法及应用前景

张守鹏1，方正伟1，杨诗棣2，麦 文3，张铜耀3

(1.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015； 2.东营三英精密仪器研发中心，山东 东营 257000；3.中国海洋石油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300451)

在微米X-CT基础上，通过对X射线强度的调整和扫描方式的更新，建立了Geoscan系列，并相应将样品室改装成了平放式加长扫描区，实现了对全直径岩心进行三维扫描成像。测试结果显示，以往难以描述的岩心断面构造、层理结构、非均态构型、孔—缝展布等全直径三维参数信息均能得到清晰的三维图像，有效拓宽了地学领域微观分析的视野。通过对石油钻井岩心全直径扫描，可以实现在一个较为宽泛的深度段内，观察分析不同矿物组分的含量变化、油气运移轨迹以及缝隙的延展性等重要参数信息，通过对储层物性参数数字化处理的图像可直接反映油气聚集的有效性及储集空间展布规律。这项技术将通过提供储集岩孔—渗架构三维可视化网格图和给予的储层品质定性结论来指导优化油区勘探部署。

全直径岩心；三维;可视化;成像原理；信息采集；X-CT扫描

在油田钻井地质录井工作中，全直径岩心所体现的岩石结构、构造及孔隙非均质性特征，通常只是通过肉眼观察并进行粗略描述，信息量和精确度都远远不能满足研究需求。对钻井获取的全直径岩心进行的传统实验检测分析，多是在岩心中再次钻取小样或用锤敲击岩心取得小块样品进行测试，完整的全直径岩心信息由于分解取样而不被保全。如对油气储集空间的观察分析，主要是借助各类显微镜对小样品薄片进行观察，视域被限制在0.03～2 mm之间。连续数米的取心段内，全直径岩心孔隙分布状况需要整合若干个薄片微区分析结果来间接获取。如果利用工业级CT尝试全直径岩心扫描，其分辨率又不能满足要求。因此，基于微米CT基础上的全直径岩心扫描技术是获取大岩心数据的有效途径[1-2]。

利用新研制的“X-CT全直径岩心扫描仪”对全直径岩心进行的扫描图像显示，全直径岩心中相对宏观量(2 mm～2 m)的参数采集非常成功，采集到的孔隙、喉道和裂缝架构呈现十分清晰的三维图像，其他矿物信息也由不同的灰度信息组成。全直径岩心的最大化利用对储油岩心的非均质性观测和长深度、大直径岩心的全方位信息采集是精准掌控地下油—气—水运动规律及保障油气采出的关键。

1 全直径岩心X-CT扫描成像原理

X-CT对样品的检测是基于样品内物质对X射线的吸收衰减。当X射线穿过岩心时，部分被矿物吸收，能量衰减，透过岩心的部分在探测器上形成投影图像。矿物对X射线吸收光子量μ可表达为：

(1)

式中：E，ρ，Z分别为X射线能量、矿物密度、原子序数，a是与射线能量相关性较小的参数，b为常数。当射线被穿透路径上的多种矿物吸收后，强度I1可表达为：

(2)

式中：I1为探测器接收到的射线强度，I0为射线源发出的射线强度，dl为射线穿过路径总长度l的微分，x为所给定的空间位置。

基于以上原理所研发 的全直径岩心检测装备Geoscan(图1a)，其核心部件运动平台主要由水平运动轴(控制射线源和探测器的水平移动)、旋转轴(控制岩心样品的旋转)组成(图1b)。岩心在检测过程中可360°旋转，获得不同角度下的投影图像，利用投影数据结合重建算法，计算出检测区域内的每个点的线性衰减系数μ，基于μ的分布生成相应的三维灰度图像。

扫描得到的原始灰度数据体，经数字化处理后就可得到三维空间内岩心的各个参数分布规律并成图。对任意切面进行剖切，还可以得到不同平行层面二维区内的储层结构及矿物分布特征。利用相应的图像处理技术可以对数据中的结构进行空间提取并进行相应的定量计算[3]。对全直径岩心扫描形成的数据库，可以服务于勘探、开发、工艺工程等不同的专业人员。

关键技术指标的高低是衡量任何一台设备性能的最好标准，CT机的关键指标是分辨率。为便于比较，对同一块全直径岩心进行了Geoscan和常用医学CT的对比测试(表1)。结果显示，Geoscan对全直径岩心的扫描分辨率大大超出医用CT。

2 Geoscan扫描信息的提取和量化

本项研究中，Geoscan所检测的全直径岩心样品系由中海油渤海研究院提供。图2a-c分别给出了3个视野方向上的二维切片图像(分辨率为91 μm)，图2d为全直径岩心的体视图。从图中可以看到，样品中的结构清晰可见，包括孔隙、裂缝和高密度的矿物(黄铁矿)。

将样品切面图像的局部进行放大，可以对内部的结构进行尺寸测量，图3b给出了将图3a所示图像，从图中可以看到在二维切面上，最大孔隙直径在15.50 mm左右。

表1 全直径岩心检测装备Geoscan与医学CT产品技术对比

图1 Geoscan全直径岩心扫描仪

利用阈值分割技术，将岩心中存在的裂缝孔隙进行空间提取。图4a给出了孔隙裂缝整体架构的提取图像。在此基础上，对孔隙裂缝的形态进行筛分以进行渗透能力的判识。图4b即为规定形状因子区间的结构筛选图，是将体积较大且形状扁平的类裂缝结构从岩心中提取出来而形成的图像。

图5a-b为另一段全直径岩心的扫描二维切面图像，可以看到样品中的结构清晰可见。进行全直径岩心扫描并图像处理后，对孔隙和高密度矿物进行提取并计算相应的体积分数。图5c-d分别为孔隙和高密度矿物的空间提取图，计算体积含量分别为0.77%和0.034%。

图2 全直径岩心的XZ，YZ和XY 3个视野的切面图像(a-c)和全直径岩心的体视图(d)d中红、绿和蓝色截面分别为YZ、XZ和XY 3个视野方向

图3 岩心切面(a)和红色方框区域的局部放大(b)

为求取储层孔喉量值，可以从整个数据体中截取一部分进行数字处理分析[4]。应用最大球算法，将样品中的孔隙空间饱和充填不规则球棒，建立棒球模型，进而对其孔喉空间量值进行计算(图6)[5]。孔喉计算统计结果为：平均孔隙/喉道体积为2.67×108/7.2×107μm3；平均孔隙/喉道半径为183.24/148.31 μm；孔隙/喉道数目为251/19；平均孔喉比0.19。

图7a给出了一个全直径岩心检测样品中提取的裂缝。利用图像分析软件，可以对该条裂缝(图7b)进行定量分析，包括其体积、长度以及空间取向等参数，结果如下：裂缝体积1.28×1012μm3；裂缝长度6.8×104μm；裂缝厚度698.4 μm；裂缝走向与Z轴(竖直方向)夹角63.18°。

图4 孔隙裂缝整体提取(a)和类裂缝结构筛分提取(b)图中将每一条类裂缝结构标识一种颜色，便于观察和区分类裂缝结构

图5 直径岩心的扫描二维切面图像(a-b) 以及孔隙(c)和矿物(d)三维空间提取

图6 截取小数据体(a)、孔隙空间提取(b)和棒球模型(c)

图7 全直径岩心样品切面、裂缝在样品中的位置(a)以及裂缝空间提取(b)

3 Geoscan 全直径储层信息的应用前景

3.1孔隙、喉道与矿物组成的刻画、描述

CT扫描图像中，不同密度的物质具有不同的X射线吸收值[6-10]，表现为不同的灰度值[11]。灰度可分为256个级别，从最暗到最亮用0～255之间的数字来标识，0代表黑色，255代表白色。对于砂岩CT灰度图像，0代表密度最低的组分，即孔隙；255代表高密度物质，如黄铁矿等高密度矿物。依据不同的灰度值，可以将不同的岩石组分区分开。

人眼对灰度微弱递变的分辨能力远达不到颜色灰度的实际变化，通过增加颜色类别可以弥补不足，即将灰度图像映射为一幅彩色图像，该方式称为伪彩色增强。依据伪彩色增强编制的CTAn软件实现了对岩石不同密度物质分布状况的刻画，主要包括孔隙的大小、形态和石英、长石、岩屑等骨架颗粒的粒度、形态及分布，以及填充于储层孔隙、喉道内的化学胶结物和泥质杂基、黏土类物质等。

3.2含油气性分布与检测

储层在注水开发过程中，由于流体性质、流体流动速率、地层压力等变化，内部骨架、孔喉网络及渗流特性等发生持续变化[12-21]，对于高含水储层，在注水开发初级阶段剩余油分布就变得异常复杂，给剩余油挖潜带来了极大的困难，而全岩心CT 技术在剩余油的赋存特征检测中可发挥重要作用。一方面可以对开发井全直径岩心原始状态下进行扫描，获取剩余油分布图像，利用图像处理技术，可以在三维可视化展示剩余油在孔隙网络中的分布特征；另一方面，在室内地层温压下模拟驱替过程中，可以对不同驱替阶段剩余油分布特征进行扫描分析，获取不同驱替阶段油水分布，有效指导水驱井网优化，提高水驱采收率。

3.3构造裂缝的延展性描述

构造裂缝的张开程度、数量及平面展布可运用CTan软件在平面上观察。运用CTVox软件可以对构造裂缝在空间上的展布规律建立三维模型。以上模型均可制作三维立体动画效果，进行全方位的裂缝观察描述。

为了观察到构造裂缝三维立体分布的情况，还可以截取多个视角的三维分布图进行对比分析来获取缝隙空间分布形态，并确定油气沿构造裂缝的分布状况，依此确定断裂带的断层活动性和启闭性。

4 结论

(1)Geoscan实现了对全直径岩心的扫描观测与检测，适合对地质岩心样品的观测分析。Geoscan对中海油全直径岩心样品的检测结果显示，其图像质量优良，完全满足石油行业对岩石样品内部结构及各项参数描述的需求，不但规避了柱塞小样测试获取信息较局限的弊病，而且能节省成本和时间。

(2)当前计算机技术飞速发展，大数据时代来临，全直径岩心数字化将为石油地质领域填补无法建立全直径岩心实验数据库这一技术空白。从全直径岩心上获取的岩心内部结构、孔隙发育和油气分布信息，将更好地为钻井、油田开发、酸化压裂等工艺环节提供参考。

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(编辑黄 娟)

Techniqueandapplicationofthree-dimensionalvisualizedinformationcollectionoffulldiameteroilandgasreservoircores

Zhang Shoupeng1, Fang Zhengwei1, Yang Shidi2, Mai Wen3, Zhang Tongyao3

(1.ResearchInstituteofExplorationandDevelopmentofSINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China; 2.DongyingSanyingPrecisionInstrumentDevelopmentCenter,Dongying,Shandong257000,China; 3.EngineeringBranch,CNOOCEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Geoscan series was established by means of X-ray intensity adjustment and scanning way update based on the micro X-ray computed tomography (CT). Sample room was converted to a flat type to extend scanning area, which realized the 3D scanning imaging of full diameter cores. Test results showed that the 3D parameters of full diameter, including core section structure, bedding structure, heterogeneous configuration and hole-seam distribution, could be used to get clear 3D images, which was difficult to describe in the past. Through the full diameter scanning of drilling cores, we analyzed the mineral content, hydrocarbon migration pathway and aperture ductility in a more extensive depth. The digital processing images of reservoir property parameters can reflect the effectiveness of hydrocarbon accumulation and the reservoir distribution rules. This technology provides a 3D visual image for the porosity and permeability of reservoir rocks and a qualitative evaluation of reservoir quality, which may optimize hydrocarbon explorations.

full diameter core; three dimensional; visualization; imaging principle; information collection; X-CT scanning

1001-6112(2017)05-0706-05

10.11781/sysydz201705706

TE122.2

：A

2017-02-06；

：2017-07-20。

张守鹏(1963—)，男，博士，教授级高级工程师，从事油气实验地质工作。E-mail:zhangshoupeng_ff@163.com。

国家重大专项(2017ZX05049004)、中国石化股份有限公司科研计划项目(P15081)和国家能源页岩油研发中心、页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室联合资助。