CN103091342A - 一种对岩芯样品进行ct扫描分析处理的方法 - Google Patents

一种对岩芯样品进行ct扫描分析处理的方法 Download PDF

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本发明提供了一种对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，属于岩石物理研究领域。所述方法首先鉴定岩芯样品的矿物成分和含量，然后对岩芯样品进行CT扫描，获得岩芯样品的三维灰度图像，再结合岩芯样品中的矿物成分和含量获得岩芯样品内部的密度值分布，再由密度值分布获得岩芯样品内部的矿物相分布，然后根据各个矿物相固有的声波速度值得到岩芯样品内部的声波速度值分布，最后根据得到的声波速度值分布得到岩芯样品的声波速度值，用于研究岩芯的各向异性特征。本发明方法实现了在不损伤岩芯的情况下，获得岩芯的声波速度数据，提高了岩芯的重复使用率，节约了取芯费用和岩芯加工的人力、物力消耗。

Description

一种对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法
技术领域
本发明属于岩石物理研究领域，具体涉及一种对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法。
背景技术
现有技术中，对于岩石的物理研究，有以下几种方法：
岩石薄片研究法：利用偏光显微镜对岩石薄片进行矿物成分及其光学特性的测定，通过该方法能够确定岩石中的矿物类别。此方法已被广泛应用于岩石组分研究，也形成了相关的行业标准(如岩石薄片鉴定，SY/T 5368-2000)；
计算机横断扫描技术(简称CT)：工业CT技术即工业计算机断层扫描成像技术，是80年代兴起并迅速发展的一项高新技术，能在无损条件下，测量计算出被测物断面的密度分布，并以计算机图像的形式，通过灰度变化反映出断面材质的密度变化，从而清晰直观地呈现出断面内部结构情况及材质组成。在石油行业，工业CT技术被用于油气藏的研究领域，并发展成为研究多孔介质特征的重要工具。在公开发表的文献中，也可查阅到通过CT扫描测量岩芯孔隙度(郑连清，1998)和饱和度(黄瑞瑶，1999)的相关资料；
岩石超声波速度测试技术：岩石声波速度是岩体质量评价的重要指标，测量声波速度的方法基本可以分为三类：共振法、脉冲法和干涉法。目前常用的测试方法是超声脉冲方法，采用超声-时间方法测试岩石的声波速度。该法主要利用弹性脉冲，即弹性波在固体介质中的传播时间来计算速度。具体方法如图1所示，即由发射探头发射一个中心频率为0.5MHz的超声脉冲，测量该脉冲透过岩样到达接收探头的纵、横波初至时间，扣除纵横波在发射探头和接收探头内的传播时间(即零时)，获得纵横波实际透过岩样的传播时间。根据该时间和岩样长度即可计算出超声波穿过岩样的纵横波速度。
声波在岩石中传播时会产生自然衰减，因此现有的岩石声波速度测试方法对岩芯的大小和形状都有比较严格的要求。在测试前必须要对岩芯进行切割和加工，并且能够进行测试的岩芯的大小与超声波的能量有密切关系。这样的测试方法对岩芯造成了不可逆转的破坏，限制了岩芯的重复使用，而石油行业的钻井岩芯通常取自地下数千米，成本极高。另外，超声测试是测试加工后的岩芯样品整体的速度值，而自然界的岩石是不均一的各向异性体，测试结果不能很好的展现岩芯的各向异性特征。
通常砂岩超声波速度的测试需要根据测试设备的要求，先将岩芯样品切割规则的形状(方形、圆柱形等)，才能进行速度测试。测试得到的速度数据的准确性收到声波探头与岩芯样品耦合程度、岩芯样品本身对超声波的衰减能力等因素的影响。这样的测试方法，破坏了钻井取得岩芯的完整，也将大量的人力和时间耗费在岩芯样品加工上。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，利用CT图像灰度值计算岩芯声波速度，避免破坏岩芯，实现对岩芯样品的重复使用，缩减钻井取芯的数量，节约取芯费用和岩芯加工的人力、物力消耗。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，所述方法首先鉴定岩芯样品的矿物成分和含量，然后对岩芯样品进行CT扫描，获得岩芯样品的三维灰度图像，再结合岩芯样品中的矿物成分和含量获得岩芯样品内部的密度值分布，再由密度值分布获得岩芯样品内部的矿物相分布，然后根据各个矿物相固有的声波速度值得到岩芯样品内部的声波速度值分布，最后根据得到的声波速度值分布得到岩芯样品的声波速度值，用于研究岩芯的各向异性特征。
所述方法包括以下步骤：
(1)在岩芯样品上取下一小块制作成岩石薄片；
(2)在显微镜下对步骤(1)得到的岩石薄片进行鉴定，确定其矿物成分和主要矿物的体积百分含量；
(3)对岩芯样品进行CT扫描，然后在计算机重构的三维灰度图像上确定需要计算速度的切面，并在该切面上找到亮度最高的矿物和亮度最低的孔隙，所述亮度最高的矿物即为标定矿物，读取亮度最高的矿物的的灰度值作为标定矿物灰度值，读取亮度最低的孔隙的灰度值作为孔隙灰度值；在切面上确定用于测试的测线的位置、方向和长度，并按照设定的间距在该测线上确定各个测点的位置，然后从三维灰度图像的数据中取出测线上各个测点的灰度值；
(4)根据岩石薄片的鉴定结果，确定标定矿物的矿物相及标定矿物密度，然后计算得到各个测点的密度值，由所有测点的密度值得到密度值曲线；
(5)根据步骤(4)得到的各个测点的密度值以及矿物的固有密度判断出各个测点的矿物相，然后在密度值曲线上划分出各个测点的矿物相；
(6)根据步骤(5)确定的各个测点的矿物相以及矿物固有的声波速度值得到该测线的声波速度。
所述步骤(3)中，所述测线是经过亮度最高的矿物和亮度最低的孔隙的一条直线段。
所述步骤(4)中计算得到各个测点的密度值所用的公式如下：
Figure BDA0000104115550000031
所述步骤(6)中得到该测线的声波速度的计算公式如下：
V = Σ 0 n Vi n - - - ( 2 )
其中，V是测线的声波速度值、Vi是测点的声波速度值、n是测点数；所述测点的声波速度值是各个测点的矿物固有的声波速度值。
所述测线的声波速度值为测线处的纵波速度值或横波速度值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明方法实现了在不损伤岩芯的情况下，获得岩芯声波速度数据，提高了岩芯的重复使用率，减少了重复采芯次数，节约了取芯费用和岩芯加工的人力、物力消耗；
(2)利用本发明方法可以计算岩芯内部任意位置的声波速度值，根据其结果能够建立岩芯速度场，便于研究岩芯的各向异性特征；另外，本发明提供的方法能够计算岩芯内部任何位置的速度值，能更好的实现岩芯各向异性特征的分析。
(3)实例中计算了一块岩芯的纵、横波速度分别为4852m/s和2948m/s，通过岩芯超声-时间实验测试得到的纵、横波速度分别为4940m/s和2965m/s，两种方法得到的速度数据是相互匹配的。
附图说明
图1是现有技术中的超声波速度测量的原理示意图。
图2是本发明方法的步骤框图。
图3-1是本发明实施例中对岩芯样品进行CT扫描得到的三维立体扫描图，选择图中的一个存在重晶石矿物和孔隙的切面作为测量面。
图3-2是在图3-1的测量面上确定的一条测线。
图4是在图3-2的测线上的各个测点的灰度值组成的曲线图。
图5-1是本发明实施例中由测点密度确定矿物相为重晶石的各测点的密度分布图。
图5-2是本发明实施例中由测点密度确定矿物相为绿泥石的各测点的密度分布图。
图5-3是本发明实施例中由测点密度确定矿物相为高岭石的各测点的密度分布图。
图5-4是本发明实施例中由测点密度确定矿物相为石英的各测点的密度分布图。
图5-5是本发明实施例中由测点密度确定矿物相为泥质的各测点的密度分布图。
图6-1是本发明实施例中由测点矿物相确定的各测点处的纵波速度图。
图6-2是本发明实施例中由测点矿物相确定的各测点处的横波速度图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明通过对岩芯样品进行CT扫描，在计算机重构的岩芯三维图像上取出需要的端面上的灰度值曲线，将每个测点的灰度值换算成密度值，然后根据岩石薄片分析岩芯的矿物成分，按测点的密度值确定其矿物相，然后根据矿物固有的速度值计算出岩芯的速度。如图2所示，本发明方法的具体步骤如下：
(1)在岩芯上取下一小块(长2cm左右的方块，厚度不小于0.5cm)，制作成岩石薄片；
(2)在显微镜下对岩石薄片进行鉴定，确定其矿物成分和主要矿物的体积百分含量；
(3)对岩芯(指取掉薄片后剩下的岩芯)进行CT扫描，在计算机重构的三维图像上确定需要计算速度的切面(在计算机上能看到三维图像中任意切面的图像，研究者根据研究目地的需要寻找符合要求的切面，例如存在某类岩石的特征矿物的切面，或者存在条形裂缝的切面.)，找到亮度最高的矿物和亮度最低的孔隙，读取两者的灰度值作为标定物(通过岩石薄片分析，研究者可以确定岩石中密度最大即亮度最高的矿物的种类，标定该矿物和孔隙的灰度值作为标准值，以此计算其它灰度值对应的密度值)，在切面上确定测线的位置、方向和长度(测线应经过亮度最高的矿物和亮度最低的孔隙，其长度在图像处理软件上可以测量得到)，并从图像数据中取出测线所经过的测点的灰度值；
(4)根据岩石薄片的分析结果，确定标定矿物的矿物相和密度(标定的矿物即前述亮度最高的矿物)，然后按公式(1)计算出各个测点的密度值，得到密度值曲线；
Figure BDA0000104115550000041
(5)根据步骤(4)得到的各个测点的密度值以及矿物的固有密度判断出各个测点的矿物相，并在密度值曲线上划分出每个测点的矿物相；
(6)根据步骤(5)确定的各个测点的矿物相以及矿物固有的声波速度值，按公式(2)计算出该测线上的声波速度.
V = Σ 0 n Vi n - - - ( 2 )
其中，V是测线的声波速度；Vi是测点的声波速度值(各个测点的矿物固有的声波速度值就是该测点的声波速度值)；n是测点数。
利用本发明方法的一个具体实施例如下：
D66-2号岩芯是采自某气田D66井的一块岩芯样本，该井是一口高声波高电阻特征的高产气井，在整段岩芯上钻取了直径25cm，长5cm的圆柱体样品，采用超声波-时间方法测试对D66-2样品进行了速度测试，得到的纵波速度4940m/s，横波速度2965m/s.
制作D66-2号样品，进行了显微镜下岩芯矿物成分鉴定，其主要矿物成分为石英、长石、岩屑、高岭石和泥质，具体的薄片鉴定结果如表1所示。
Figure BDA0000104115550000052
Figure BDA0000104115550000061
表1
对岩芯样品进行CT扫描，建立三维立体扫描图，然后在图像上找到一个存在重晶石矿物和孔隙的切面作为测量面(在本实施例中，经上述的岩石薄片鉴定，岩芯中密度最高的矿物是重晶石，在CT扫描结果图中，重晶石因其密度远大于其它矿物，亮度很高，易于辨认，所以选择重晶石和孔隙并存的切面，计算结果相对准确)，在该测量面上确定一条通过重晶石和孔隙的测线(同时通过重晶石和孔隙的线可以为多条，选择测线时，尽可能使测线通过重晶石和孔隙的长度为最长)进行灰度值测量，本实施例中两个相邻测点之间的间隔取0.015mm(也可以取其它间隔。)，测量面和测线的位置如图3所示(软件重构后的三维立体图像可以在纵向和横向的任意位置拾取切面，视研究需求选择测量面)。
在三维图像(即前述的“三维立体扫描图”)上读出该测线上各个测点的灰度值，如图4所示。在图4中，因为图片的大小所限，看上去是一条曲线，实际上只是很多个点，图中横座标的范围是从0-25mm，而相邻两个测点之间的距离只有0.015毫米，因此在图上不能清楚地将每个测点拉开，事实上每个测点的灰度值是唯一的。图4中曲线上的纵轴最高值为重晶石矿物，最低值为孔隙，并在测量面上标定出重晶石和孔隙的灰度值，分别为933和286(CT在进行多次扫描时，同一物质的灰度值会有差别，偏差的大小取决于CT的性能，所以需要对测量面上的特征矿物灰度值进行标定)。
然后按本发明方法中的上述公式(1)计算出各个测点的密度值(如图5所示)，根据薄片分析结果，划分出每个测点的矿物相，根据矿物相确定每个测点的纵、横波速度值(如图6所示)，矿物相的纵、横波速度在很多专业书籍上都有，例如在《The rock physics Handbook》中就有描述。然后，按照上述公式(2)计算出该测线位置处的纵、横波速度值，分别为4852m/s和2948m/s，计算结果与声波-时间方法测试结果基本一致，证明按本方法计算得到的岩芯速度是正确的。
具体到附图，将图4中矿物相不同的测点的密度值分布单独做成一张图，如图5所示，这样能比较清楚的看出某个位置的测点的矿物相，图5与图4中的横坐标是一致的，也是从0-25mm，而相邻两个测点的间距是0.015mm，所以看上去每个座标值对应了多个点，事实上每个测点的密度值是唯一的。图5的各个图中的纵坐标是不完全一致的，即密度值范围是不一样的。图5中是根据测点的密度范围来确定矿物相的，其原因是：1.CT在根据射线衰减值计算灰度值时存在一定误差，由此得到的密度值也存在误差；2.因为CT扫描时的射线束是有一定直径的，并且岩石中的矿物成分在经历了地质年代的各种成岩作用后，可能存在一定的蚀变，所以相同的矿物相对射线的吸收能力也会有微小的差异，表现出来的灰度就会有差别。图5中，每一张图给出了一种矿物相在整条测线上的分布位置，以图5-2为例，根据图中的密度范围确定的矿物相为绿泥石，而在测点坐标0、10、23附近有点分布，这就说明在这些位置的测点所对应的矿物相为绿泥石。
图5中每张图中的测点都对应各自的矿物相，根据矿物相可得到每个测点的纵波速度和横波速度.将每张图叠加后就可以得到测线上各测点的速度分布图，如图6所示，其中整条测线上各个测点的纵波速度分布图如图6-1所示，整条测线上各个测点的横波速度分布图如图6-2所示，图6中的横坐标与图5是一致的，每个测点的速度是唯一的。表2给出的是各个测点的灰度值、密度值、速度值和矿物相分析结果。
本发明是一种新的岩芯超声波速度计算方法.该方法相对于现有的岩芯超声波速度测试方法，本方法无需对岩芯进行破坏性处理，但CT扫描的灰度值分辨率会对计算结果产生影响。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Figure BDA0000104115550000091
Figure BDA0000104115550000111
Figure BDA0000104115550000121
Figure BDA0000104115550000151
Figure BDA0000104115550000161
Figure BDA0000104115550000171
Figure BDA0000104115550000181
Figure BDA0000104115550000191
Figure BDA0000104115550000201
Figure BDA0000104115550000211
Figure BDA0000104115550000231
Figure BDA0000104115550000241
Figure BDA0000104115550000251
Figure BDA0000104115550000261
Figure BDA0000104115550000271
Figure BDA0000104115550000301
Figure BDA0000104115550000311
Figure BDA0000104115550000331
Figure BDA0000104115550000341
Figure BDA0000104115550000351
Figure BDA0000104115550000361
Figure BDA0000104115550000371

Claims (6)

1.一种对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，其特征在于：所述方法首先鉴定岩芯样品的矿物成分和含量，然后对岩芯样品进行CT扫描，获得岩芯样品的三维灰度图像，再结合岩芯样品中的矿物成分和含量获得岩芯样品内部的密度值分布，再由密度值分布获得岩芯样品内部的矿物相分布，然后根据各个矿物相固有的声波速度值得到岩芯样品内部的声波速度值分布，最后根据得到的声波速度值分布得到岩芯样品的声波速度值，用于研究岩芯的各向异性特征。
2.根据权利要求1所述的对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)在岩芯样品上取下一小块制作成岩石薄片；
(2)在显微镜下对步骤(1)得到的岩石薄片进行鉴定，确定其矿物成分和主要矿物的体积百分含量；
(3)对岩芯样品进行CT扫描，然后在计算机重构的三维灰度图像上确定需要计算速度的切面，并在该切面上找到亮度最高的矿物和亮度最低的孔隙，所述亮度最高的矿物即为标定矿物，读取亮度最高的矿物的的灰度值作为标定矿物灰度值，读取亮度最低的孔隙的灰度值作为孔隙灰度值；在切面上确定用于测试的测线的位置、方向和长度，并按照设定的间距在该测线上确定各个测点的位置，然后从三维灰度图像的数据中取出测线上各个测点的灰度值；
(4)根据岩石薄片的鉴定结果，确定标定矿物的矿物相及标定矿物密度，然后计算得到各个测点的密度值，由所有测点的密度值得到密度值曲线；
(5)根据步骤(4)得到的各个测点的密度值以及矿物的固有密度判断出各个测点的矿物相，然后在密度值曲线上划分出各个测点的矿物相；
(6)根据步骤(5)确定的各个测点的矿物相以及矿物固有的声波速度值得到该测线的声波速度。
3.根据权利要求2所述的对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述测线是经过亮度最高的矿物和亮度最低的孔隙的一条直线段。 
4.根据权利要求3所述的对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算得到各个测点的密度值所用的公式如下：
Figure FDA0000104115540000021
。
5.根据权利要求4所述的对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，其特征在于：所述步骤(6)中得到该测线的声波速度的计算公式如下：
Figure FDA0000104115540000022
其中，V是测线的声波速度值、Vi是测点的声波速度值、n是测点数；所述测点的声波速度值是各个测点的矿物固有的声波速度值。
6.根据权利要求5所述的对岩芯样品进行CT扫描分析处理的方法，其特征在于：所述测线的声波速度值为测线处的纵波速度值或横波速度值。 
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