基于全直徑CT掃描技術的礁灰巖孔隙結構研究

謝冰冰，鄧 建

(1.武漢藍天綠野咨詢設計有限公司，湖北 武漢 430071； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

珊瑚礁灰巖是造礁石珊瑚大范圍死亡后其殘骸在長期地質演化作用下形成的巖體，是一種經過生物化學膠結、重力壓密及后期冷變質等復雜成巖作用形成的巖石，巖體內部構造及工程力學性質明顯區別于陸源成巖形成的巖石。作為珊瑚礁主體的礁灰巖，因其特殊的成巖過程，形成了巖體孔隙多、強度低、脆性等構造及力學特征，且具有明顯的沉積分帶性和地貌差異性[1-3]。

隨著中國海洋開發與利用的力度不斷加大，珊瑚礁體的穩定性將成為關注的重點。作為珊瑚礁主體的礁灰巖，研究其工程力學特性，可為海洋工程建設提供強有力的技術支撐。礁灰巖巖體內部孔隙分布多、不均勻性強，孔隙對其物理力學性質影響突出。范超[4]研究表明，珊瑚礁灰巖的靜態抗壓和抗拉強度都隨著其孔隙率的增大而減小；鄭坤等[5]在珊瑚礁灰巖研究過程中，發現與石灰巖、白云巖等碳酸鹽巖相比，珊瑚礁灰巖離散性較大，特別是孔隙率偏大，強度偏小，這與珊瑚等原生生物結構復雜、疏松多孔以及非勻質性的固有特征相吻合，進而提出珊瑚礁灰巖物理力學特性具有“結構效應”；肖向陽等[6]研究表明，馬爾代夫珊瑚礁灰巖因其成巖作用弱、膠結物質特殊及主要成分為生物骨架三因素疊加而具有較高的孔隙率；田雨杭等[7]測定和分析了南沙海區某島礁鉆孔中珊瑚礁灰巖的縱波波速、孔隙度以及密度特征，結果顯示礁灰巖的縱波波速變化范圍為5 104～5 958 m/s，孔隙度變化范圍為1.47%～17.7%。

巖石的顆粒粒度及孔隙結構對巖石的抗壓強度、流變性質、滲透性能等力學特征有著至關重要的影響。傳統的實驗方法無法有效直觀展示巖體內部的微細觀構造、從根本上解釋和解決巖石物理機理問題。目前，常規巖石物理實驗分析巖體結構孔隙的方法主要有壓汞法、核磁共振法、氣體吸附法和二維圖象分析法[8-10]。這些實驗手段對認識不同巖石微觀結構特征起了重要作用，但都存在一定的局限性，如：篩析法對樣品有破壞作用；氣體吸附法不能測量孤立孔隙的結構信息；二維圖像分析法僅反映二維空間中的孔隙結構信息，不能表征巖芯的孔隙空間三維展布信息，對巖樣整體情況的反映能力較弱[11]。

近年來，隨著計算機技術及CT掃描技術的發展，利用X射線掃描巖芯后重建三維數字巖芯成為可能。利用全巖芯直徑X射線CT掃描設備等高精度設備，在無損情況下獲取巖芯全直徑不同截面的二維圖像，通過數值重建，得到三維數字巖芯。

三維數字巖芯可精確反映巖石的內部孔隙結構和礦物組成特征，為巖石微觀結構的可視化、精細化表征提供了強大的技術支持，為微觀孔隙結構可視化觀察提供有力技術支撐。王鑫元等[12]研究表明，數字巖芯模型計算的巖芯平均孔隙度與氣測孔隙度非常接近，絕對誤差一般小于1%；隨著孔隙度的減小，巖芯的孔隙直徑和喉道直徑依次減小，孔喉比依次增大，配位數依次減??；孫澤[13]采用三維立體可視化圖像處理軟件AVIZO對CT掃描法重建的巖芯進行數字化可視化操作，更為直觀地顯示出巖體內部孔隙大小、孔喉大小及連通方式；趙建鵬等[14]基于三維數字巖芯，結合圖像處理方法和“最大球”方法，實現了巖石粒度分布、孔隙結構參數等定量化表征；金智敏等[15]運用Avizo三維可視化軟件對某煤巖巖樣的孔隙結構進行了研究，計算出巖樣三維重構模型中的孔隙個數與體積，得出巖樣的孔隙率為6.63%。

本文主要介紹運用X射線CT掃描設備對加工后標準礁灰巖試樣進行全直徑無損掃描，獲取影像數據后重建標準試樣的三維數字巖芯。將重建后獲取的三維數字巖芯導入可視化處理軟件Dragonfly，進行巖體孔隙的閾值及提取，獲取巖體整體孔隙率、逐層面孔隙率、球棒模型等關鍵信息，對礁灰巖巖樣的孔隙微細觀結構特征進行了深入探討。

1 試驗方案

1.1 試樣準備

選取南海島礁具有代表性的礁灰巖樣品，根據規范及設備適用的要求，制成直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱體巖樣，選取其中3個礁灰巖試樣進行三維數字巖芯掃描，試樣標號分別為2-41-1、1-9、4-8。試樣編號的第一個數字表示巖體取芯深度，數字越大，則所取巖芯所在深度越深，成巖時間越長。典型掃描試樣如圖1所示。該標準試樣兩端面的不平整度誤差不大于0.05 mm，兩端面垂直于巖樣高度方向軸線，在該方向上偏差不超過0.25°。

圖1 典型標準試樣Fig.1 Typical standard samples

將制好的標準試樣放入X射線CT掃描設備的導軌中，固定好位置，即可進行全直徑巖芯掃描。

1.2 CT掃描設備原理

本試驗中所采用的X射線CT掃描設備由天津三英科技公司生產，型號為GeoScan200。該CT掃描設備為定制型號，可掃描最大長度為2 000 mm、最大直徑150 mm的試驗樣品。

CT掃描設備主要部件包括：試樣樣品臺(碳纖維材質)、射線源、探測器等。內部構造如圖2所示。

圖2 CT掃描設備GeoScan200內部結構Fig.2 Internal structure of GeoScan200 CT scanning device

掃描時，將樣品放置在樣品臺上，樣品臺按照設置好的參數平穩向前平移；射線源與探測器固定在轉盤上，隨著樣品臺導軌的向前平移，轉盤也在緩慢旋轉，形成連續螺旋CT掃描。根據不同的分辨率需求可對射線源的電壓及功率進行調整。

1.3 CT掃描設備的分辨率調整及掃描設置

GeoScan200為定制型CT掃描設備，具備全巖芯尺度的超高分辨率，且可適應不同直徑的巖芯試樣。根據不同巖芯尺寸分為3種掃描檔位，相應分辨率見表1。

表1 三種掃描檔位及對應分辨率Tab.1 Three scanning gears and corresponding resolution

掃描檔位不同，射線源及探測器的位置需要調整，樣品臺高度同樣需要調整，以適應不同直徑試樣的掃描需求。射線源與探測器相對位置調整后，在對應掃描精度下的射線源能量要隨之調整。射線源電壓最大值、最小值分別為180 kV和40 kV，功率最大值為75 W。本文中采用直徑為50 mm的標準試樣，因此其分辨率為28 μm。采用的射線源電壓為170 kV，電流為350 μA。

2 三維數字巖芯的孔隙提取方案

2.1 數字巖芯的重建

將掃描獲取的原始.DR數據文件導入數據重建軟件Voxel Recon，調整Hu(探測器水平偏移)和Chp(探測器角度偏轉)這兩個重要參數，在XY，XZ，YZ這3個切面上均實現切片的良好重合。若掃描樣品邊界出現明顯高亮于試樣內部灰度的情況，需進行硬化矯正，實現同材質灰度值的均一化，便于后期進行孔隙提取。進行硬化校正后，調整探測器的尺寸，點擊重建獲取.Raw文件(圖3)。

圖3 數據重建參數Fig.3 Data reconstruction parameters

對樣本數據進行重建后，得到數據體切片數4 720張。數據體切片的數量與試樣進行掃描時所使用的分辨率有關，即掃描的分辨率×切片數為掃描的試樣長度(包含試驗前后多掃描的空段長度)。

2.2 孔隙提取

通過上述數據重建軟件獲得的.Raw文件，可導入三維可視化軟件Dragonfly進行數據后處理。

(1) 原始數據的預處理(選中圓柱體形狀工具，去除外部接觸的樣品臺陰影，便于對巖芯基質進行閾值)、數據體的切割；

(2) 數據體閾值(選中總體、孔隙、相交得到基質，以避免數據體重合)。根據灰度值的不同，選取基質和孔隙部分，分別建立感興趣區域ROI，計算巖體整體孔隙度。

(3) 對孔隙ROI進行單獨分析，提取連通孔隙。將孔隙分為連通孔隙和孤立孔隙，運用最大球算法功能建立連通孔隙的球棒模型，形象展示孔隙連通性及其分布。球棒模型中，圓球代表孔隙，棒狀圖形代表連通孔隙的連通通道(又稱喉道)。一個圓球連接的棒狀圖形越多，表明其配位數越高，其連通性也就越強，滲透性越強，在研究巖體滲流中具有重要的意義。

3 實驗結果分析

3.1 整體孔隙率分析

將掃描重建后的數字巖芯導入Dragonfly，進行三維可視化處理，三維可視化效果如圖4所示。

礁灰巖由礁灰巖骨架及其內部復雜的孔隙結構組成。在進行CT掃描時，因高密度的礁灰巖骨架與低密度的孔隙結構對X射線能量吸收差異較大，在二維數值切片中呈現出灰度值差異。運用灰度閾值，提取礁灰巖內部的孔隙。閾值后的二維切片如圖5所示。

圖5 閾值提取孔隙后二維切片Fig.5 2D slice diagram after pore thresholding

在原始圖像中對不同灰度值所對應的材料進行閾值選取與劃分。通過對孔隙三維模型信息分析計算，獲取孔隙與巖石骨架的體積分別為Vp和Vr，利用式(1)計算整體孔隙率。

(1)

式中：ωp為整體孔隙體積占比，即整體孔隙率。

計算結果見表2，整體孔隙率為7.47%～8.24%，選取的礁灰巖試樣孔隙率較為一致。本次試驗獲得的礁灰巖孔隙率與致密砂巖較為接近；與馬爾代夫部分礁灰巖相比，孔隙發育程度較小。

表2 整體孔隙率計算Tab.2 Integral porosity calculation

3.2 逐層面孔隙率

海相成因的珊瑚礁灰巖，在其發育和形成過程中，埋藏作用、膠結作用和成巖作用可改變礁灰巖的孔隙或裂隙結構及充填結構。因此，珊瑚礁灰巖具備復雜多孔、非勻質性等結構特征。

礁灰巖巖體內部孔隙具有明顯的逐層差異性，面孔隙率的逐層變化在一定程度上能夠反映孔隙在巖體內部的宏觀分布情況。對3個試樣進行掃描后，得到接近3 000張切片，切片如圖6所示。對3個礁灰巖試樣逐層孔隙率進行分析。

圖6 試樣切片展示Fig.6 2D slice display diagram

將試樣進行整體閾值，剔除試樣前后多余掃描的空氣切片及灰度值不均勻的切片，將試樣底部切片定義為起始切片0，繪制沿Z軸軸向的逐層孔隙率變化曲線(圖7)。

圖7 逐層面孔隙率Fig.7 Layer by layer porosity

試樣1-9的逐層面孔隙率范圍2.11%～65.29%，試樣2-41-1的逐層面孔隙率范圍為4.99%～46.04%，試樣4-8的逐層面孔隙率的范圍在5.85%～24.19%。由此可見，礁灰巖試樣的逐層面空隙率變化范圍非常大，可以反映逐層面孔隙率有較大的離散性，并較為貼切地反映了礁灰巖非勻質性的結構特點。而且，取芯深度不同，逐層面孔隙率的離散性存在一定差異，取芯深度淺，成巖時間短，逐層面孔隙率離散性更大。

3.3 最大球算法模型

運用Dragonfly中Pore Network Modeling分析模塊進行最大球算法模型計算，建立球棒模型，如圖8所示。球棒模型是提取礁灰巖巖體內部連通孔隙，將孔隙部分顯示為球，孔隙連接喉道顯示為棒狀圖。兩個最大球之間連接的棒狀圖形越多，配位數越高，兩個孔隙之間的連通性就越強，滲透性也就越強。

圖8 最大球算法球棒模型Fig.8 Ball-bat model of maximum ball algorithm

由于計算內存有限，將試樣進行裁切后進行計算，裁切數為900×900×1200。裁切數據如圖9所示。

圖9 數據體裁剪及閾值后骨架示意Fig.9 Schematic diagram of skeleton after data volume cropping and thresholding

等效直徑是指與不規則外形物體的體積相同的球體直徑，通常用球形顆粒直徑代表該實際顆粒的直徑。礁灰巖內部孔隙結構復雜，且孔隙尺寸大小不一，在分析孔隙內部結構尺寸特征時，用等效球體直徑d表征。圖10為礁灰巖內部連通孔隙直徑分布。

圖10 球棒模型孔隙等效直徑分布(2-41-1)Fig.10 Ball-bat model pore equivalent diameter distribution

由圖10可知：礁灰巖內部的連通孔隙較小，主要分布在50～150 μm之間，平均直徑128.66 μm。

球棒模型計算得出的連通孔隙占總體孔隙的比值較小，且連通孔隙直徑較小。因此，獨立孔隙和單連通孔隙的研究對珊瑚礁灰巖滲透特性和力學特性研究具有十分重要的意義。

4 結 論

基于X射線掃描技術對珊瑚礁灰巖試樣進行掃描及三維數字巖芯重構，利用三維可視化軟件Dragonfly對數字巖芯進行孔隙提取及定性、定量分析，得出以下結論。

(1) 選取的珊瑚礁灰巖巖樣的整體孔隙率為7.47%～8.24%，整體孔隙率偏小，更接近致密砂巖孔隙率。

(2) 標準試樣的原始芯樣取自南海島礁不同區域及深度的珊瑚礁灰巖，整體孔隙率具有代表性。

(3) 通過珊瑚礁灰巖沿Z軸方向連續切片的逐層孔隙率變化圖可以看出，試樣1-9的逐層面孔隙率范圍2.11%～65.29%，試樣2-41-1的逐層面孔隙率范圍為4.99%～46.04%，試樣4-8的逐層面孔隙率的范圍在5.85%～24.19%。這表明礁灰巖具有較強的非勻質結構特性；與珊瑚等原生生物骨胳疏松、結構復雜以及非勻質性的固有特征十分吻合。

(4) 3組礁灰巖試樣逐層面孔隙率離散性均較大，其中取芯深度越淺，即成巖時間越短，試樣孔隙結構離散性越大。

(5) 運用最大球算法計算得到連通孔隙及其直徑分布。試樣內部連通孔隙直徑分布主要在50～150 μm之間，平均直徑為128.66 μm。連通孔隙直徑較小，且連通孔隙占總體孔隙的比例較小。因此，對獨立孔隙和單連通孔隙的研究，對珊瑚礁灰巖的滲透特性和力學特性深入研究具有十分重要的意義。

(6) 礁灰巖作為珊瑚礁巖體的主體，是島礁工程的基礎和立足點，廣泛分布于中國南海諸島，基于礁灰巖孔隙特征，深入開展礁灰巖動力力學特性和三軸卸荷力學特性研究，可為維持珊瑚礁體長期安全穩定提供技術支撐。