馬天壽，陳平

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（西南石油大學））

0 引言

頁巖氣是一種以游離或吸附狀態(tài)存在于頁巖層或泥巖層中的非常規(guī)天然氣[1-2]，存在于幾乎所有的盆地中，由于埋藏深度、含氣飽和度等差異較大，分別具有不同的工業(yè)價值。頁巖氣高效開發(fā)的關鍵技術主要是水平井鉆井技術和分段壓裂改造技術[3-4]。井壁失穩(wěn)問題是鉆井工程中經(jīng)常遇到的復雜問題之一[5]，在硬脆性頁巖地層鉆水平井使井壁失穩(wěn)問題更加突出，容易導致卡鉆、埋鉆等井下復雜事故，嚴重時甚至導致井眼報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失。

考慮泥頁巖水化的井壁穩(wěn)定相關研究，主要經(jīng)歷了純力學研究→鉆井液化學研究→力學-化學（M-C）耦合研究→熱-水-力-化學（T-H-M-C）多場耦合研究等幾個階段[6]。井壁穩(wěn)定通常需要具備3個要素[7]：合理的鉆井液密度、足夠的鉆井液抑制性和足夠的鉆井液封堵能力。這 3個要素的合理范圍難以確定，其主要原因在于缺乏準確測量和評價鉆井液性能的方法，無法建立坍塌壓力與M-C耦合間的定量關系。因此，泥頁巖井壁穩(wěn)定研究難點仍集中于M-C耦合，頁巖水化問題是關鍵。過去幾十年已有大量針對井壁穩(wěn)定 M-C耦合的研究，研究重點是定量描述化學作用引起的力學效應的理論方法，目前能夠用于定量計算的理論方法有兩種：熱彈性比擬法和水分子自由能熱動力學理論法[7-8]。但這兩種方法仍然不能有效解決M-C耦合問題，因為建立定量描述方法的基礎是先進的實驗評價方法，而盡管國內(nèi)外已有多種評價M-C耦合的實驗方法，但并不能完全滿足需求，且對硬脆性頁巖地層M-C耦合井壁穩(wěn)定的研究還比較少。

根據(jù)巖土損傷力學基本原理[9]，深部地層中頁巖的破壞也是一種累積損傷過程，通過巖石三軸實驗可以對其進行評價，但并不能有效評價頁巖損傷的細觀過程，宏觀與細觀研究相結合的方法已成為巖石力學研究的重要手段[10]。由于 CT技術能在無損傷條件下以二維斷面圖像或三維立體圖像的形式展示被檢測物體內(nèi)部的結構、組成、材質(zhì)及缺損狀況，越來越多的研究者利用 CT技術對巖土材料在不同荷載作用下的細觀力學行為進行研究[11-12]。此外，水化作用下頁巖宏觀破壞實驗不具備重復性，采用CT技術分析水化對頁巖損傷的影響，可以為定量描述化學作用提供更加準確的數(shù)據(jù)。石秉忠等[13]采用 CT技術研究了頁巖水化裂縫的拓展，賈利春等[14]采用 CT技術研究了火山巖水力裂縫的延伸規(guī)律，但在石油天然氣開發(fā)領域，研究者主要采用 CT技術表征巖石的微觀孔隙特征并建立數(shù)字巖心[15-17]。另外，劉向君、盧運虎等對頁巖水化的巖石力學特性進行了大量實驗研究[18-19]，但仍然只是宏觀力學實驗研究，還未見采用CT技術定量研究頁巖水化細觀損傷特性。

本文采用數(shù)字圖像處理技術，充分利用CT圖像中的信息，研究頁巖水化過程中的細觀損傷特性，并分析損傷變量與水化的關系，為定量研究頁巖水化問題提供新的思路和方法。

1 實驗設計

1.1 實驗設備

CT掃描實驗采用MicroXCT-400型CT機，該CT機是采用X射線的高分辨率3D成像系統(tǒng)，最大射線源電壓120 kV，焦點尺寸5 μm，空間分辨率1.5 μm，要求巖樣直徑小于200 mm且質(zhì)量小于15 kg。

1.2 實驗巖樣

CT掃描實驗巖樣取自威遠氣田龍馬溪組露頭頁巖，沿著頁巖層理方向鉆取，為巖石力學標準測試巖樣（25 mm×50 mm）。對龍馬溪組頁巖進行了全巖礦物和黏土礦物的X-衍射分析，結果表明：龍馬溪組頁巖石英含量40.19%，碳酸鹽含量26.24%，黏土礦物含量37.33%，其中黏土礦物以伊利石發(fā)育為特點，伊利石相對含量達75.40%左右，其次是綠泥石、伊蒙混層、綠蒙混層和高嶺石，相對含量分別為15.67%、8.43%、4.00%和3.67%，說明龍馬溪組頁巖屬于中硬—硬脆性頁巖，即頁巖水化膨脹作用相對較弱。

1.3 實驗方法

為了研究頁巖水化過程中的細觀損傷特性，將巖樣在常溫、常壓環(huán)境中浸泡，浸泡液體為清水，并在不同的水化階段（初始、5 d后、10 d后和15 d后）沿垂直方向?qū)r樣進行上、中、下 3個斷面的掃描?？紤]到需要提取同一掃描斷面的CT圖像，為了保證掃描斷面定位的準確性，將巖樣放置在一個不影響X射線能量衰減的透明容器中，并固定巖樣的位置，防止拆卸、安裝過程中巖樣在容器中位置發(fā)生改變，通過容器上的位置標示確定安裝位置。浸泡巖樣時，沿容器壁加入浸泡液體。掃描時通過容器底部的排液閥排出容器內(nèi)液體再進行掃描。

2 頁巖水化細觀損傷特性分析

2.1 CT掃描灰度圖像

圖1為不同水化階段巖樣下部的CT掃描二維斷面圖像，密度越大表現(xiàn)為圖像越亮，密度越小表現(xiàn)為圖像越暗，裂縫、孔隙的密度最小，在圖中表現(xiàn)為黑色。由圖 1可知：未浸泡時，巖樣內(nèi)部基本不存在裂隙，巖樣內(nèi)部顏色較暗的條紋呈定向排列，其方向大致為北東—南西偏東方向，根據(jù)CT掃描原理可知，這些定向排列的暗色條紋為頁巖的層理面；從CT圖像中可以比較清晰地分辨出不同水化階段巖樣內(nèi)部的損傷裂隙及其拓展情況，隨著頁巖水化時間的增加，頁巖巖樣出現(xiàn)微裂隙形成→擴展→宏觀破壞的演化過程，而且?guī)r樣在浸泡5 d內(nèi)微裂隙快速發(fā)育，之后微裂隙發(fā)育相對緩慢。

圖1 不同水化階段巖樣下部斷面CT掃描圖

2.2 CT圖像偽彩色增強

由于肉眼對灰度圖像的分辨能力較弱，研究者不能直觀地觀察CT圖像，必須借助于數(shù)字圖像處理技術才能進行識別。因此，采用灰度級-彩色變換法對 CT圖像進行偽彩色增強，即將灰度圖像送入紅、綠、藍3個變換器合成為彩色圖像（見圖 2），該過程可以理解為紅、綠、藍三原色傳遞函數(shù)IR(x,y)、IG(x,y)、IB(x,y)與灰度值g(x,y)間的映射變換[20]，變換得到的彩色圖像可增強CT圖像的視覺分辨率，便于判斷微裂隙的演變情況。

圖2 灰度級-彩色變換流程[20]

圖 3是采用灰度級-彩色變換法得到的頁巖巖樣CT掃描圖像的偽彩色增強圖，圖中橙色部分為細觀損傷區(qū)域，紅色部分為未損傷區(qū)域。由圖 3可以更加清晰地辨別頁巖巖樣內(nèi)部的微裂隙特征，視覺分辨率比CT掃描灰度圖像更好。

圖3 CT圖像偽彩色增強結果

2.3 CT圖像完整度與破損度

盡管將 CT圖像進行偽彩色增強可以增加視覺分辨率，但CT圖像中CT數(shù)分布范圍廣、不利于定量分析，因此，可采用完整度和破損度進行定量分析[9]。定義 CT圖像為全域，全域中任意部位都可看作是完整的，只是完整程度不同，則圖像中某點完整度為[9]：

與完整度相對應（對偶），定義破損度為[9]：

完整度是對空間各點完整程度的描述，而破損度是對空間各點破損（損傷）程度的描述。若空間點完全斷裂開或為空氣，則完整度為0，破損度為1，若空間點是密度最高點，則完整度為1，破損度為0，即完整度和破壞度是 0～1的數(shù)值。因此，完整度和破損度是對CT數(shù)的歸一化處理，使CT圖像的定量分析更便捷。

圖4和圖5是根據(jù)CT圖像計算得到的完整度和破損度表面圖，可以看出：下部掃描斷面各點的完整程度和破損程度均存在較大差異，頁巖基巖所在的區(qū)域完整度較大、破損度較小，微裂隙、孔隙所在的區(qū)域完整度較小、破損度較大。

圖4 完整度表面圖

圖5 破損度表面圖

2.4 CT圖像灰度值及灰度直方圖

巖石內(nèi)部不同物質(zhì)、孔隙、裂隙的分布情況可由CT圖像的灰度值體現(xiàn)[11]。因此，裁剪出圖1b所示的CT圖像的局部（見圖6a），并在局部視圖中繪制3條橫線（Line1、Line2、Line3），取出3條橫線上各點的灰度值，繪制出沿這3條橫線的灰度值變化情況圖（見圖 6b）。

由圖 6可知：①同一條橫線的不同位置灰度值不同，不同橫線處灰度值差異也較大：Line1灰度值在78～129變化，最小值78出現(xiàn)在Line1所穿過的裂隙處；Line2灰度值在85～120變化，總體分布比較均勻，最小值出現(xiàn)在微裂隙附近；Line3灰度值在73～134變化，最小值出現(xiàn)在Line3所穿過的裂隙處。②頁巖巖樣基質(zhì)、孔隙、微裂隙、層理面各處的灰度值不同，頁巖巖樣基質(zhì)的灰度值在113左右，裂隙的灰度值在73～83，而肉眼難以分辨的層理面的灰度值在90～100；灰度值變化與頁巖巖性和內(nèi)部細觀結構的變化一致。

圖6 CT圖像灰度值分布情況

頁巖水化過程中，細觀損傷的演化會引起巖石內(nèi)部結構的改變，而這些改變在CT圖像上表現(xiàn)為灰度值的變化[11]。因此，可以根據(jù) CT圖像灰度直方圖的變化情況研究頁巖水化引起的細觀損傷及其演化過程。采用MATLAB繪制了不同水化階段的頁巖巖樣CT圖像灰度直方圖（見圖7）。

由圖7可知：不同水化階段頁巖巖樣CT圖像灰度分布規(guī)律各不相同；未浸泡時，CT圖像灰度值主要在90～130變化，灰度值105的像素數(shù)最多（6 552個）；隨著水化時間的增加，CT圖像灰度直方圖由單峰型演變?yōu)殡p峰型，灰度值主要在70～130變化，灰度值105的像素數(shù)仍然最多，在灰度值81處出現(xiàn)新的像素數(shù)峰值；隨著水化時間的增加，灰度值 105的像素數(shù)逐漸減少，而灰度值81的像素數(shù)逐漸增加，但像素數(shù)變化幅度逐漸減小。這說明浸泡 5 d內(nèi)微裂隙已經(jīng)快速形成，是產(chǎn)生水化損傷的主要時期，隨著水化時間的增加，主要發(fā)生微裂隙的拓展，但拓展過程十分緩慢，這與CT掃描灰度圖像顯示的結果基本一致。因此，利用CT圖像灰度直方圖可以動態(tài)、定量地分析頁巖水化損傷的演化過程，CT圖像灰度直方圖由單峰型變?yōu)殡p峰型是頁巖內(nèi)部損傷急劇增加的標志。

圖7 CT圖像灰度直方圖

2.5 CT圖像分割

利用CT圖像進行頁巖水化損傷的定量分析，需要從CT灰度圖像中提取出水化引起損傷的部分區(qū)域（微裂隙、孔隙等），這些區(qū)域通常被稱為目標區(qū)域，提取目標區(qū)域的過程就是圖像分割[11]。只要提取到目標區(qū)域，就可以計算頁巖巖樣CT圖像中基巖骨架與損傷區(qū)域的比例，從而達到定量分析的目的。

圖像分割方法有多種，如閾值分割方法、區(qū)域提取方法、邊界分割方法等。閾值分割方法又包括圖像二值化方法、雙峰分割方法和最大方差自動取閾值方法（又稱自適應二值化方法）。本文采用最大方差自動取閾值方法進行CT圖像分割，其基本原理如下[11]。

設灰度值i的像素數(shù)為ni，則CT圖像總像素數(shù)為：

CT圖像的灰度概率分布規(guī)律為：

若取t為分割CT圖像的閾值，則可將CT圖像分割為區(qū)域1和區(qū)域2，區(qū)域1代表灰度值小于等于閾值t的區(qū)域，區(qū)域2代表灰度值大于閾值t的區(qū)域。可根據(jù)灰度直方圖統(tǒng)計出區(qū)域1和區(qū)域2的像素數(shù)占整幅CT圖像總像素數(shù)的比例以及兩個區(qū)域的平均灰度值：

而整幅CT圖像的平均灰度值為：

整幅CT圖像平均灰度值與區(qū)域1、區(qū)域2平均灰度值之間的關系為：

圖像分割后各區(qū)域內(nèi)部的灰度值比較接近，兩個區(qū)域間的灰度值差異較大，兩個區(qū)域的平均灰度值與整幅CT圖像平均灰度值間差異也較大，可以采用區(qū)域間方差對這種差異進行描述：

經(jīng)數(shù)學推導，（11）式可改寫為：

最大方差自動取閾值方法認為，被分割的兩個區(qū)域間方差最大時兩個區(qū)域處于最佳分割狀態(tài)[11]，因此σ2(t)取最大值時的t值即為最佳分割閾值。

分割后CT圖像被處理成二值化圖像，即圖像中只有純黑色（灰度值為 0）和純白色（灰度值為 1），其中純黑色代表頁巖基質(zhì)，純白色代表頁巖孔隙、微裂隙等細觀損傷?；谏鲜鲎畲蠓讲钭詣尤￠撝捣椒?，采用MATLAB軟件編程，對不同水化階段的頁巖巖樣CT圖像進行分割得到二值化圖像（見圖8）?？梢钥闯?，不同水化階段頁巖巖樣二值化圖像中，損傷區(qū)域分布呈現(xiàn)出一定差異，且這種差異比在灰度圖像中更加清晰。通過統(tǒng)計二值化圖像中純白色區(qū)域的像素數(shù)，可以得到損傷區(qū)域的大小，將水化后與水化前損傷區(qū)域大小相減，即可得到頁巖水化引起的損傷區(qū)域大小，從而達到定量描述頁巖水化細觀損傷的目的。

2.6 頁巖水化細觀損傷定量描述

圖8 分割后的CT圖像

為了定量描述頁巖水化引起的損傷，需要選擇合適的損傷變量。損傷變量是一種內(nèi)部狀態(tài)變量，它可以是標量、矢量或張量，需要根據(jù)研究對象的特點，選擇空隙的數(shù)目、長度、面積、體積、彈性模量、電阻率、密度等作為定義損傷變量的基準[10]。楊更社等[11]在研究偏應力與巖石損傷特性的關系時，定義了一種以空隙面積為基準的損傷變量：

本文采用損傷變量D定量描述頁巖水化細觀損傷特性。根據(jù)CT圖像分割處理后得到的二值化圖像，可以直接統(tǒng)計計算出頁巖水化過程中出現(xiàn)的微裂隙、孔隙等純白色區(qū)域的像素數(shù)N1，從而得出損傷變量D的演變規(guī)律。對頁巖巖樣水化過程中的損傷變量進行了計算，并繪制了損傷變量與浸泡時間的關系曲線（見圖9）。

圖9 頁巖巖樣水化過程中損傷變量與浸泡時間關系

由圖 9可知：①初始損傷變量并不等于零，這是由于頁巖巖樣本身存在一些層理、微裂隙、孔隙等。巖樣與水接觸后，水沿著頁巖自身發(fā)育的層理、微裂隙等迅速侵入。②隨著浸泡時間的增加，損傷變量增大，且損傷變量在浸泡前期（前5 d內(nèi)）增幅較大，隨后增幅較小。浸泡的前5 d是頁巖水化細觀損傷的起始階段和快速演化階段，浸泡5 d后頁巖水化細觀損傷進入穩(wěn)定演化期，損傷變量會持續(xù)而緩慢地增加，直至頁巖巖樣發(fā)生破壞。③3個掃描斷面上的損傷變量存在一定的差異，這種差異源自于兩方面：下層的初始損傷變量本身比較高，受到水化影響后，損傷演化較快，更易形成宏觀裂縫；頁巖巖樣存在各向異性，實驗取樣角度幾乎平行于層理，因此所產(chǎn)生的裂縫主要是貫穿頁巖橫截面的垂直縫，且損傷裂縫與層理方向幾乎一致，均為北東—南西偏東方向，部分巖樣受頁巖礦物組成和細觀組構影響裂縫出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、分叉。

2.7 討論

①頁巖自身發(fā)育大量的層理（也稱為頁理）和微裂隙，這些層理和微裂隙是頁巖水化前已經(jīng)存在的細觀損傷。根據(jù)損傷力學原理，對于存在初始損傷的巖土材料，在受到外界影響時，初始損傷部位是比較容易演化發(fā)展的區(qū)域，容易在這些部位產(chǎn)生新的細觀損傷，并隨著細觀損傷的積累逐漸演變成宏觀裂縫。

②對于滲透率極低的頁巖儲集層，頁巖的初始含水飽和度經(jīng)常低于束縛水飽和度，且頁巖中孔隙尺寸非常小，往往為納米級孔隙，其毛管壓力極大，而且指向頁巖孔隙內(nèi)部，加之頁巖通常親水，使得頁巖自身吸水能力非常強，這種現(xiàn)象在儲集層保護中被稱為水鎖。頁巖水化實驗中，當頁巖巖樣與清水接觸后，在毛管壓力、頁巖親水性的驅(qū)動下，水容易進入頁巖中，從而促使膨脹性黏土礦物水化膨脹，產(chǎn)生新的細觀損傷。

③頁巖自身發(fā)育的層理和微裂隙是一種常見的儲集空間，也是頁巖氣滲流通道，頁巖氣開采過程中，這些層理和微裂隙是頁巖氣從基質(zhì)孔隙流入井筒的必要途徑。一般認為頁巖的膨脹性很弱，但是當用清水浸泡頁巖巖樣時，水與黏土礦物發(fā)生一系列物理化學反應，導致膨脹性黏土礦物產(chǎn)生體積膨脹，黏土礦物膨脹后會導致巖樣內(nèi)部產(chǎn)生新的細觀損傷，這些細觀損傷的產(chǎn)生與頁巖中膨脹性黏土礦物和脆性礦物的含量關系密切。另外，由于層理和微裂隙的存在，頁巖層理面和斷面的細觀組構和特征對頁巖水化損傷特性也有重要影響，水沿著這些層理和微裂隙侵入頁巖內(nèi)部，使得水的侵入能力增加，且使頁巖與水的有效作用面積大幅增加，容易產(chǎn)生細觀損傷，并逐漸演化為裂隙。這在Li Yufei等[3]得到的頁巖掃描電鏡結果中得到了體現(xiàn)：頁巖層理面平整光滑，發(fā)育有平行于層理的微裂縫；頁巖斷面粗糙、凹凸不平，微孔隙、微裂隙十分發(fā)育。這些微裂隙和微孔隙可作為頁巖氣的儲集空間及頁巖氣開采的滲流通道，也可以作為鉆井液濾液侵入的通道，并加劇頁巖水化后的細觀損傷。因此，盡管龍馬溪組頁巖的膨脹性較弱，但其層理、微裂隙十分發(fā)育，脆性也比較高，導致水化后容易產(chǎn)生新的細觀損傷，這也是井壁失穩(wěn)的重要原因。

④在頁巖鉆井過程中，井壁容易發(fā)生坍塌失穩(wěn)，通常采用高密度的鉆井液鉆進頁巖地層，而頁巖地層壓力一般比較低，因此鉆井液濾液比實驗條件下更容易侵入地層。實際頁巖鉆井時，鉆井液濾液在正壓差、毛管壓力、頁巖親水性的作用下，沿著頁巖自身發(fā)育的層理和微裂隙快速進入頁巖。濾液與頁巖接觸后，膨脹性黏土礦物將發(fā)生膨脹，使頁巖內(nèi)部產(chǎn)生新的細觀損傷，當損傷發(fā)展到一定程度時會演化成裂縫，裂縫繼續(xù)發(fā)育可能形成裂縫網(wǎng)，這將大幅度降低井壁圍巖的強度并導致井壁坍塌失穩(wěn)。

3 結論

在文獻調(diào)研的基礎上，結合井壁穩(wěn)定研究中的頁巖水化問題，提出采用CT掃描技術研究頁巖水化過程中的細觀損傷特性，并結合數(shù)字圖像處理技術，建立了定量評價頁巖水化細觀損傷特性的方法。

對不同水化階段的頁巖巖樣開展CT掃描實驗，結合CT掃描圖像及其灰度直方圖，分析了水化過程中頁巖細觀損傷特性。結果表明：浸泡前期巖樣內(nèi)部微裂隙快速形成，是產(chǎn)生水化損傷的主要時期，隨著浸泡時間的增加，主要發(fā)生微裂隙的拓展，但拓展過程十分緩慢；CT灰度圖像可以比較直觀地顯示頁巖巖樣內(nèi)部的細觀損傷及其拓展情況，通過CT圖像灰度直方圖可以動態(tài)、定量地分析頁巖水化損傷的演化過程，灰度直方圖由單峰型變?yōu)殡p峰型是頁巖內(nèi)部損傷急劇增加的標志。

采用CT圖像偽彩色增強技術和CT圖像完整度與破損度分析技術，可以提高肉眼對CT掃描結果的視覺分辨力，且CT圖像完整度和破損度是對CT數(shù)的歸一化處理，便于定量分析頁巖水化細觀損傷。

采用最大方差自動取閾值方法對不同水化階段頁巖巖樣的CT圖像進行了分割，得到二值化圖像。在此基礎上，選擇以空隙面積為基準的損傷變量，根據(jù)損傷變量的定義，對二值化圖像進行統(tǒng)計分析，得到了水化過程中損傷變量與浸泡時間的關系，形成了定量描述頁巖水化損傷特性的新方法。頁巖巖樣在清水中浸泡后，損傷變量逐漸增加，增加幅度隨浸泡時間的增加而變緩。頁巖水化后的細觀損傷主要發(fā)生在浸泡前期，這一階段是細觀損傷的起始階段和快速演化階段，此后，隨著損傷變量持續(xù)而緩慢的增加，頁巖巖樣最終將發(fā)生宏觀破壞。

符號注釋：

p——完整度；d——破損度；Hrm——CT數(shù)；G——灰度級數(shù)；i——圖像中某點灰度值；ni——灰度值i的像素數(shù)；N——總像素數(shù)；Pi——灰度值i的像素數(shù)占總像素數(shù)的比例；t——圖像分割閾值；μ——整幅圖像的平均灰度值；A1(t) ——灰度值小于等于閾值t的區(qū)域的像素數(shù)占總像素數(shù)的比例，%；A2(t) ——灰度值大于閾值t的區(qū)域的像素數(shù)占總像素數(shù)的比例，%；μ1(t) ——灰度值小于等于閾值t的區(qū)域的平均灰度值；μ2(t) ——灰度值大于閾值t的區(qū)域的平均灰度值；σ2——圖像分割后兩個區(qū)域間的方差；D——以空隙面積為基準的損傷變量；A*——圖像中損傷區(qū)域面積，m2；A——圖像總面積，m2；N1——分割后圖像中純白色區(qū)域的像素數(shù)。

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