基于X-CT技术对黔西滇东区域煤储层物性特征的研究

熊　波，刘　坤，郭　凯，赵广民

(1.中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京　102249；2.中国石油 勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊　065007；3.中国石油 天然气与管道分公司，北京　100007；4.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安　710021)



基于X-CT技术对黔西滇东区域煤储层物性特征的研究

熊波1,2，刘坤2，郭凯3，赵广民4

(1.中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京102249；2.中国石油 勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊065007；3.中国石油 天然气与管道分公司，北京100007；4.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安710021)

摘要：黔西滇东区域是我国煤层气勘探开发的资源潜力区，近年来煤层气勘探和矿场试验显示该区具有良好的煤层气勘探开发潜力。通过X-CT技术系统研究了该区的煤储层物性特征。研究表明，X-CT扫描技术可以很好地识别矿物、暗煤、镜煤和孔隙这4种介质，它们的CT数分别为：>1 800，1 500～1 800，1 000～1 500，<1 000 HU，但是具体CT数又因样品而异；通过X-CT扫描技术估算得到的煤孔隙度值为3.33%～7.14%，矿物含量为0.11%～89.03%，与氦气法和工业分析法得到的结果相关性很好； X-CT切片分析结果显示在应力作用下，原生煤具有最强的均质性，糜棱煤具有最强的非均质性，初碎裂煤和碎裂煤介于两者之间，表明煤岩在没有受到应力作用之前，煤岩组成在轴向上的均质性相对较好，后期的应力作用造成了煤中的煤岩组分、孔裂隙以及矿物的分布不均匀，煤岩非均质性增强；通过煤储层三维模型的建立，定量表征了研究区煤中矿物质、孔隙以及裂隙的空间分布特征，实现了煤储层的三维可视化。

关键词：X-CT；物性特征；均质性；三维模型；煤储层；黔西滇东

煤中孔隙、裂隙和矿物的体积和空间分布的量化是煤层气储层评价的基本要求。计算机层析扫描(CT)是一种非破坏性的技术，可以提供三维岩石内部结构的定量检测，因而被广泛用于岩石学和油气储层评价中[1-7]。近年来，CT技术在煤岩学和岩石物性研究上展现出良好的应用前景，包括区分煤基质中孔隙、裂缝和矿物，研究煤中天然气吸附和运移特征，煤的非均质性特征和煤中孔隙、裂缝和矿物的空间分布[8-14]。

黔西滇东区域是我国南部煤层气资源潜力区，近年来，通过煤层气的早期勘探和试验发现，该地区具有良好的煤层气潜力和巨大的煤层气资源。目前该区已经成为煤层气勘探研究新的重点区域，但是前期的研究多集中于该区的区域地质背景以及资源潜力评价等基础性研究，至今该区仍没有进行过系统的煤储层物性研究及评价。本文基于X-CT技术系统研究了该区的煤储层物性特征，以期为该区的煤层气勘探开发提供借鉴。

1样品与实验

本次实验采集了织纳地区煤岩样品2块，分布于吊水岩煤矿(Z1)和良山煤矿(Z2)；盘关地区样品2块，分布于黑皮凹子煤矿(P1)和陆中德煤矿(P2)；恩洪地区样品2块，取自久安煤矿(J1和J2)；老厂地区的样品4块，采自于箐地沟煤矿，样品涵括了原生结构煤(G1)、初碎裂煤(G2)、碎裂煤(G3)和糜棱煤(G4)(图1)。样品均采于6个煤矿的井下工作面，所采样品均为大块，重量约为2 kg，分别编号包装好送到实验室进行实验。每个样品分别被分成了大块(15 cm×15 cm×15 cm)、中块(5 cm×5 cm×5 cm)和小块。

图1　黔西滇东地区采样位置

2实验原理与方法

工业X-CT 设备主要包括放射源和探测器两部分，它的主要工作原理是利用射线穿透物体，进而收集经过物体吸收后的衰减射线强度。CT扫描的穿透数据是通过多个不同角度的测量数据汇总而得来的，各角度的数据是通过计算机采用图像重建的方法收集而来[15-17]。图像重建功能根据所收集的数据建立物体的CT横断面扫描图像。

X-CT对岩心分析的基本原理是：透过物体后的X射线的强度与该物体的密度有关，当X射线光子量(I0)通过任何一个具有线性衰减系数(μ)的体积元时光子量变为I，其过程遵循比尔定率：

(1)

式中：I0是原始X射线强度，I是透过物体的X射线强度，μ是X射线的衰竭系数，h是物体厚度。对于特定物质，衰竭系数是固定已知的。

当一系列的X射线检测器被安装在被检测物体的周围时，就可以获得来自不同角度的X射线强度。通过处理获得的一系列X射线资料可以得到不同数目像素的CT图片，图像的质量决定于图像的制式[18-20]。

为了CT 图像之间的方便比较，将CT值(H)定义为物体相较于水的衰减系数μ：

(2)

式中：CT值是以HU单位表示的CT数；μT和μ水分别为物体和水的衰减系数。当μT=μ水时，水的CT值为0 HU；当μT=μ空气=0(μ空气表示空气的衰减系数)时，此时空气的CT值是-1 000 HU。由于水和空气两者的CT 值与射线能量无关，因此，它们在CT 标尺上为固定点。一般而言，CT值范围位于-1 024～3 071 HU之间，可以得到4 096个不同CT值，即每个像素通过12位数据表示。

通过对扫描图像的像素数或CT数进行分析，即可获得岩石中各种物质组成和孔裂隙的基本信息，并可开展进一步的精细描述和定量研究[21-22]。镜质体反射率和显微组分是通过Leitz MPV-3光度计显微镜分析得到的，分别遵循ISO 7 404.3-1994(1994)和ISO 7 404.5-1994(1994)，对煤样相同的抛光部分进行。依据GB/T 212-2008 (2008)国家标准，分别对样品进行了灰分、水分和挥发分测试，另外准备了直径和长度为25 mm的柱样分别进行X-CT扫描和氦孔隙度测试。选用的煤样具有不同的煤级、孔隙度和矿物含量，样品的镜质体反射率为0.71%～3.14%，包括烟煤(P1, P2, J1, J2)和无烟煤(Z1, Z2, G1-G4)，矿物含量大部分为0.25%～12.6%，只有1个样品矿物含量最高，为55.5%。氦气孔隙度测量得到煤的孔隙度值在2.0%～9.88%，所测样品包括原生结构煤(G1)、初碎裂煤(G2)、碎裂煤(G3)和糜棱煤(G4)。X-CT扫描实验是基于美国ACTIS-250 / 320PK / 225FFI工业CT系统展开的。X射线源是一个225 kV的费恩聚焦点，可以为4.8 mm的对象提供10 μm的分辨率。将圆柱形样品垂直放置在样品槽中(定向于切片平面)，并在扫描仪的视野中心聚焦。样品的三维分辨率可以达到大约50 μm，可以区分开绝大多数孔隙和裂缝。

3结果与讨论

3.1煤岩组构分析

煤是由有机组分、无机矿物以及孔裂隙组成的一种三元系统，这3种介质的密度特征完全不同，其中无机矿物具有最高的密度，而孔裂隙具有最低的密度，有机组分介于两者之间。因此可以通过X-CT扫描技术来识别3种介质。通过X-CT扫描分析可以得到一定数目不同灰度像素按照一定矩阵排列而成的CT图像，在得到的CT图像中，黑影区表示低X射线吸收区，即低密度区，可以用来指示孔、裂隙的位置；白影区表示高X射线吸收区，即高密度区，可以用来指示矿物的分布；而介于二者之间的区域代表了各种有机煤岩组成。而煤岩的有机组分包括镜煤和暗煤2部分，它们的密度不同，因此也可以通过CT图像将它们区分开。本文通过系统分析黔西滇东地区的煤岩样品，查明了煤岩中镜煤组分、暗煤组分、无机矿物和孔裂隙之间的CT数阀值。研究发现矿物、暗煤、镜煤和孔隙的CT数阀值分别为：>1800，1 500～1 800，1 000～1 500，<1 000 HU，但是这4种成分的具体CT数又因样品而异。如图2所示，煤岩中孔裂隙的CT数仅为889 HU，有机组分中镜煤组分的CT数为1 456 HU，暗煤组分的CT数为1 672 HU，而煤岩中的矿物颗粒和条带(白色区)平均CT数高达3 056 HU。

另外由于X-CT技术分别对各切面进行了层析扫描，从而可以全方位地得到煤中孔裂隙和矿物形态、产状及接触关系的信息，同时可以清晰地展示出煤岩中的镜煤条带和暗煤组分(图3)。

3.2煤岩孔隙度及矿物的定量表征

煤基质、孔裂隙和矿物的分布不均匀，造成了煤岩的不同CT切片的孔隙度和矿物含量变化很大。常规的氦气法和工业分析等手段测试得到的煤岩孔隙度和矿物含量，仅能反映该样品孔隙度和矿物含量的平均值，无法反映出孔裂隙和矿物在空间上的分布特征，而通过X-CT扫描可有效地实现这一目的。在CT孔隙度和矿物含量定量表征的研究中， CT孔隙度表示为各切片孔裂隙对应的像素单元数与总像素单元数的比值，而矿物含量可以表示为各切片矿物含量对应的像素单元数与总像素单元数的比值，从而求得各切面的CT孔隙度和矿物含量，进而得出整个煤岩孔隙度和矿物含量。

图2　黔西滇东地区煤岩样品CT切面

图3　黔西滇东地区煤岩样品三维切片

统计结果表明，黔西滇东煤岩的CT孔隙度介于3.33%～7.14%之间，矿物含量介于0.11%～89.03%之间(表1)。CT计算出的孔隙度和矿物含量与氦气法和工业分析测得的数据具有良好的相关性(图4，5)。从对各个样品的各个切面的孔隙度分析结果来看，不同样品的各个切面的孔隙度差异不大，除样品G3外，其他样品的各切片孔隙度的极差都在1%以下；而利用CT扫描计算求得的矿物含量范围变化较大，除样品P2、J2和G1三个矿物含量较低外，其余样品各切片的矿物含量的极差都在1%以上(表1)。由此发现煤样的矿物含量在轴向分布上具有非常高的非均质性，而且随着样品矿物含量的增高，非均质性变化越强烈。

3.3煤储层非均质性分析

本次研究对黔西滇东的10个样品进行了X-CT扫描分析，对于每个样品均沿轴向扫描了20～54次不等，随后对各个样品的CT数进行了分析。煤岩样品各切片的平均CT数最小为1 228 HU，最大为2 433 HU，不同切片的平均CT数变化范围很大(表2)。一般煤中矿物含量较高且孔裂隙发育较少，煤的密度越高，CT数也就越高，如盘关地区P1煤样密度最大，为1.69 g/cm3，其CT数也最高，平均CT数高达2214HU，而老厂地区的G3煤样孔裂隙较为发育，矿物含量相对较少，煤岩密度最低，为1.21 g/cm3，其CT数也就越低，平均CT数仅为1 289 HU。

图4　黔西滇东地区煤岩样品CT孔隙度与氦气孔隙度关系

图5　黔西滇东地区CT煤岩样品

表1　黔西滇东地区煤岩孔隙度和矿物含量分布

表2　黔西滇东地区煤岩样品各切片平均CT数分布特征

通过各扫描切片的CT数的分析，可以研究出煤岩组成的非均质性特征，一般各个切片的CT数的极差、标准差以及变异系数越小，峰态和偏态越接近于0，表明样品的轴向均质性越好。从统计结果来看，其中老厂地区的G1煤样均质性最好，而盘关地区的P1煤样非均质性最强，其他样品介于二者之间。

老厂地区的4块样品分别包括了原生结构煤(G1)、初碎裂煤(G2)、碎裂煤(G3)和糜棱煤(G4)，其中糜棱煤和初碎裂煤的矿物含量较高，密度较大，其CT数也就越高，糜棱煤的平均CT数高达1 544 HU；而原生结构煤和碎裂煤的孔裂隙较为发育，矿物含量相对较少，煤岩密度较低，其平均CT数均在1 400 HU以下，碎裂煤的CT数最小，为1 289 HU。通过分析各个切片CT数的极差、标准差、变异系数、峰态和偏态，发现原生结构煤的均质性较好，而糜棱煤的非均质性最强，初碎裂煤和碎裂煤介于二者之间，表明煤岩在没有受到应力作用之前，煤岩组成在轴向上的均质性相对较好，后期的应力作用造成了煤中的煤岩组分、孔裂隙以及矿物的分布不均匀，煤岩非均质性增强。

3.4煤岩体可视化与三维重构

为了模拟煤岩体的有机组分、孔裂隙和矿物等在空间的展布特征及其相互接触关系，对该区煤样的CT进行了三维重构研究。根据有机组分中的镜煤、暗煤、孔裂隙和矿物的CT数的不同分布区间，分别建立了四者的空间模型(图6)，将它们综合在一个三维坐标体系中，即可实现煤岩体的三维重构。本研究运用医学专用X-CT图像分析处理软件mimics 10 ®，分别建立了4块煤样的三维重构模型，通过这些模型可以直观清楚地识别出煤岩体的孔裂隙发育形态和连通性，以及镜煤条带和矿物的空间发育特征。

图6　黔西滇东地区煤样三维重建示意

总体而言，织纳和老厂地区高煤阶样品的CT图像中，有机组分中的镜煤与暗煤之间的差别明显，存在着明显的镜煤条带；而恩洪和盘关地区的中低煤阶样品两者之间的界限比较模糊，无法区分开。老厂地区的G3号样品孔裂隙最为发育，孔裂隙呈网状或树枝状延伸，连通性较好；盘关地区P1号样品的矿物含量最高，呈颗粒状和片状分布在煤岩基质中。然而其他样品的孔裂隙和矿物不甚发育，且主要发育尺度窄的微裂隙，微裂隙主要集中在样品的边部，个别煤岩中可以见到矿物充填部分裂隙的现象，充填在裂隙中的矿物多以成片状分布；而独立分布在煤中的矿物多成颗粒状，颗粒相对较小，呈不规则的云雾状分布于煤的基质中。

4结论

(1)煤中矿物含量较高且孔裂隙发育较少，煤的密度越高，CT数也就越高。煤岩组成的非均质性特征可以通过CT数来反映，一般各个切片的CT数的极差、标准差和变异系数越小，峰态和偏态越接近于0，表明样品的轴向均质性越好。

(2)通过煤岩组构分析发现，煤岩中孔裂隙、镜煤、暗煤和矿物的CT数范围可以定义为：小于1 000，1 000～1 500，1 500～1 800，大于1 800 HU。

(3)X-CT技术不仅可以无损害地将煤岩内部情况通过成像技术直观清楚地显示出来，而且能够比较准确地定量表征煤岩各切面的平均孔隙度以及矿物含量的大小。

(4)通过X-CT技术可以实现煤体结构的三维可视化，从而可以直观地识别出煤岩的孔裂隙发育程度、孔裂隙连通性、矿物和有机显微组分等以及它们在三维空间发育特征。

参考文献:

[1]姚艳斌,刘大锰,蔡益栋,等.基于NMR和X-CT的煤的孔裂隙精细定量表征[J].中国科学(地球科学),2010,40(11):1598-1607.

Yao Yanbin,Liu Dameng,Cai Yidong,et al.Advanced characterization of pores and fractures in coals by nuclear magnetic resonance and X-ray computed tomography[J].Science China (Earth Sciences),2010,53(6):854-862.

[2]陈同刚,汤达祯,许浩,等.基于 X-CT 技术的韩城示范区煤储层精细描述[J].高校地质学报,2012,18(3):505-510.

Chen Tonggang,Tang Dazhen,Xu Hao,et al.Detailed description of Hancheng coal reservoirs based on the X-CT technology[J].Geological Journal of China Universities,2012,18(3):505-510.

[3]张敏,孙明霞.CT技术在油气勘探领域中的应用[J].大庆石油地质与开发,2002,21(2):15-16.

Zhang Min,Sun Mingxia.Application of X-ray CT technique to petroleum exploration[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2002,21(2):15-16.

[4]张虹,董国臣,王松洋,等.浅析显微 CT 技术在油气储层研究中的应用[J].资源与产业,2013,15(6):98-102.

Zhang Hong,Dong Guochen,Wang Songyang,et al.Application of microscopic CT in oil-gas reservoir study[J].Resources & Industries,2013,15(6):98-102.

[5]陈贞龙,汤达祯,许浩,等.黔西滇东地区煤层气储层孔隙系统与可采性[J].煤炭学报,2010,35(S):158-163.

Chen Zhenlong,Tang Dazhen,Xu Hao,et al.The pore system properties of coalbed methane reservoirs and recovery in western Guizhou and eastern Yunnan[J].Journal of China Coal Society,2010,35(S):158-163.

[6]张官亮,张祖波,刘庆杰,等.利用CT扫描技术研究层内非均质油层聚合物驱油效果[J].油气地质与采收率,2015,22(1):78-83.

Zhang Guanliang,Zhang Zubo,Liu Qingjie,et al.Study on effects of polymer flooding on layered heterogeneous reservoirs using CT scanning[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2015,22(1):78-83.

[7]韩文学,高长海,韩霞.核磁共振及微、纳米CT技术在致密储层研究中的应用：以鄂尔多斯盆地长7段为例[J].断块油气田,2015,22(1):62-66.

Han Wenxue,Gao Changhai,Han Xia.Application of NMR and micrometer and nanometer CT technology in research of tight reservoir:Taking Chang 7 Member in Ordos Basin as an example[J].Fault-Block Oil and Gas Field,2015,22(1):62-66.

[8]杨兆彪,秦勇,兰凤娟.钻孔剖面多煤层物性X-CT响应及其地质意义[J].高校地质学报,2012,18(3):511-515.

Yang Zhaobiao,Qin Yong,Lan Fengjuan.X-CT response and physical properties of multiple coal seams on drilling columnar section its geological implication[J].Geological Journal of China Universities,2012,18(3):511-515.

[9]Van Geet M,Swennen R,Wevers M.Quantitative analysis of re-servoir rocks by microfocus X-ray computerised tomography[J].Sedimentary Geology,2000,132(1/2):25-36.

[10]Wellington S L,Vinegar H J.X-ray computerized tomography[J].Journal of Petroleum Technology,1987,39(8):885-898.

[11]Verhelst F,David P,Fermont W,et al.Correlation of 3D-computerized tomographic scans and 2D-colour image analysis of Westphalian coal by means of multivariate statistics[J].International Journal of Coal Geology,1996,29(1/3):1-21.

[12]Simons F J,Verhelst F,Swennen R.Quantitative characterization of coal by means of microfocal X-ray computed microtomography (CMT) and color image analysis (CIA)[J].International Journal of Coal Geology,1997,34(1/2):69-88.

[13]李清.山西延川南煤层气田2号煤层煤相研究：煤层气开发选区意义[J].石油实验地质,2014,36(2):245-248.

Li Qing.Coal facies of no.2 coal in Yanchuannan coal field of Shanxi：Significance for constituencies of coalbed methane exploitation[J].Petroleum Geology & Experiment,2014,36(2):245-248.

[14]王有智,王世辉,吴刚.呼和湖凹陷煤储层孔隙特征及其对吸附能力的影响[J].断块油气田,2014,21(4):444-448.

Wang Youzhi,Wang Shihui,Wu Gang.ore characteristics of coal reservoir in Huhehu Depression and its effect on adsorption capacity[J].Fault-Block Oil and Gas Field,2014,21(4):444-448.

[15]Karacan C O,Okandan E.Adsorption and gas transport in coal microstructure:Investigation and evaluation by quantitative X-ray CT imaging[J].Fuel,2001,80(4):509-520.

[16]Pyrak-Nolte L J,Montemagno C D,Nolte D D.Volumetric imaging of aperture distributions in connected fracture networks[J].Geophysical Research Letters,1997,24(18):2343-2346.

[17]Wolf K H A A,Van Bergen F,Ephraim R,et al.Determination of the cleat angle distribution of the RECOPOL coal seams,using CT-scans and image analysis on drilling cuttings and coal blocks[J].International Journal of Coal Geology,2008,73(3/4):259-272.

[18]Gao Di,Qin Yong,Yi Tongsheng.CBM geology and exploring-developing stratagem in Guizhou Province,China[J].Procedia Earth and Planetary Science,2009,1(1):882-887.

[19]Li Song,Tang Dazhen,Xu Hao,et al.Advanced characterization of physical properties of coals with different coal structures by nuclear magnetic resonance and X-ray computed tomography[J].Computers & Geosciences,2012,48:220-227.

[20]Yao Yanbin,Liu Dameng,Che Yao,et al.Non-destructive chara-cterization of coal samples from China using microfocus X-ray computed tomography[J].International Journal of Coal Geology,2009,80(2):113-123.

[21]Xu Hao,Zhang Shanghu,Leng Xue,et al.Analysis of pore system model and physical property of coal reservoir in the Qinshui Basin[J].Chinese Science Bulletin,2005,50(1):52-58.

[22]Xu Hao,Tang Dazhen,Liu Dameng,et al.Study on coalbed methane accumulation characteristics and favorable areas in the Binchang area,southwestern Ordos Basin,China[J].International Journal of Coal Geology,2012,95:1-11.

(编辑黄娟)

Characterization of the physical properties of coal reservoirs in the western Guizhou and eastern Yunnan by X-ray computed tomography

Xiong Bo1,2, Liu Kun2, Guo Kai3, Zhao Guangmin4

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.LangfangBranchofResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChina,Langfang,Hebei065007,China;3.NaturalGas&PipelineCompany,PetroChina,Beijing100007,China;4.Oil&GasTechnologyResearchInstituteofChangqingOilfield,Xi’an,Shaanxi710021,China)

Abstract:The western Guizhou and eastern Yunnan are potential exploration areas for coal bed methane (CBM) in South China, and their favorable CBM potential has been demonstrated by CBM exploration and pilot tests. In this paper, the physical properties of coal reservoirs in the study area were systematically studied by means of X-ray computed tomography (X-CT). The research showed that X-CT could identify 4 kinds of media: mineral, durain, vitrain and pore. The CT number of mineral, durain, vitrain and pore were approximately >1 800, 1 500-1 800, 1 000-1 500 and <1 000 Hounsfield unit (HU), respectively. Their specific CT number varied from sample to sample. The estimated porosity values of coals ranged from 3.33% to 7.14%, and mineral contents ranged from 0.11% to 89.03% by means of X-CT, which correlated well with the porosities determined using the helium gas method and proximate analysis. X-CT scans showed that under the influence of stress, undeformed coal has the highest homogeneity, mylonitic coal has the highest heterogeneity, and proto-cataclastic and cataclastic coals were between them. If coals were not affected by stress, their composition heterogeneity in the axial direction was relatively good. The later stress action caused the uneven distribution of coal components, pores, fractures and minerals, which enhanced the heterogeneity of coals. A three-dimensional model of coals was built to show the quantification and 3D visualization of the spatial disposition of minerals, pores and fractures of coals in these areas.

Keywords:X-CT; physical properties; homogeneity; three-dimensional models; coal reservoir; western Guizhou and eastern Yunnan

文章编号：1001-6112(2016)03-0407-06

doi：10.11781/sysydz201603407

收稿日期：2015-11-25；

修订日期：2016-03-12。

作者简介：熊波(1979—)，男，高级工程师，从事煤层气地质勘探工作。E-mail：xiongbo69@petrochina.com.cn。

基金项目：国家自然科学基金面上项目(41272175)资助。

中图分类号：TE135

文献标识码：A