基于全直徑CT掃描技術(shù)的礁灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)研究

謝冰冰，鄧 建

(1.武漢藍(lán)天綠野咨詢設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430071； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

珊瑚礁灰?guī)r是造礁石珊瑚大范圍死亡后其殘骸在長期地質(zhì)演化作用下形成的巖體，是一種經(jīng)過生物化學(xué)膠結(jié)、重力壓密及后期冷變質(zhì)等復(fù)雜成巖作用形成的巖石，巖體內(nèi)部構(gòu)造及工程力學(xué)性質(zhì)明顯區(qū)別于陸源成巖形成的巖石。作為珊瑚礁主體的礁灰?guī)r，因其特殊的成巖過程，形成了巖體孔隙多、強(qiáng)度低、脆性等構(gòu)造及力學(xué)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(fā)與利用的力度不斷加大，珊瑚礁體的穩(wěn)定性將成為關(guān)注的重點(diǎn)。作為珊瑚礁主體的礁灰?guī)r，研究其工程力學(xué)特性，可為海洋工程建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。礁灰?guī)r巖體內(nèi)部孔隙分布多、不均勻性強(qiáng)，孔隙對其物理力學(xué)性質(zhì)影響突出。范超[4]研究表明，珊瑚礁灰?guī)r的靜態(tài)抗壓和抗拉強(qiáng)度都隨著其孔隙率的增大而減?。秽嵗さ萚5]在珊瑚礁灰?guī)r研究過程中，發(fā)現(xiàn)與石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖相比，珊瑚礁灰?guī)r離散性較大，特別是孔隙率偏大，強(qiáng)度偏小，這與珊瑚等原生生物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、疏松多孔以及非勻質(zhì)性的固有特征相吻合，進(jìn)而提出珊瑚礁灰?guī)r物理力學(xué)特性具有“結(jié)構(gòu)效應(yīng)”；肖向陽等[6]研究表明，馬爾代夫珊瑚礁灰?guī)r因其成巖作用弱、膠結(jié)物質(zhì)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(qū)某島礁鉆孔中珊瑚礁灰?guī)r的縱波波速、孔隙度以及密度特征，結(jié)果顯示礁灰?guī)r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(jié)構(gòu)對巖石的抗壓強(qiáng)度、流變性質(zhì)、滲透性能等力學(xué)特征有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法無法有效直觀展示巖體內(nèi)部的微細(xì)觀構(gòu)造、從根本上解釋和解決巖石物理機(jī)理問題。目前，常規(guī)巖石物理實(shí)驗(yàn)分析巖體結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)手段對認(rèn)識不同巖石微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)信息；二維圖像分析法僅反映二維空間中的孔隙結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)技術(shù)及CT掃描技術(shù)的發(fā)展，利用X射線掃描巖芯后重建三維數(shù)字巖芯成為可能。利用全巖芯直徑X射線CT掃描設(shè)備等高精度設(shè)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(shù)值重建，得到三維數(shù)字巖芯。

三維數(shù)字巖芯可精確反映巖石的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和礦物組成特征，為巖石微觀結(jié)構(gòu)的可視化、精細(xì)化表征提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，為微觀孔隙結(jié)構(gòu)可視化觀察提供有力技術(shù)支撐。王鑫元等[12]研究表明，數(shù)字巖芯模型計(jì)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(shù)依次減?。粚O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(jìn)行數(shù)字化可視化操作，更為直觀地顯示出巖體內(nèi)部孔隙大小、孔喉大小及連通方式；趙建鵬等[14]基于三維數(shù)字巖芯，結(jié)合圖像處理方法和“最大球”方法，實(shí)現(xiàn)了巖石粒度分布、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)等定量化表征；金智敏等[15]運(yùn)用Avizo三維可視化軟件對某煤巖巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，計(jì)算出巖樣三維重構(gòu)模型中的孔隙個數(shù)與體積，得出巖樣的孔隙率為6.63%。

本文主要介紹運(yùn)用X射線CT掃描設(shè)備對加工后標(biāo)準(zhǔn)礁灰?guī)r試樣進(jìn)行全直徑無損掃描，獲取影像數(shù)據(jù)后重建標(biāo)準(zhǔn)試樣的三維數(shù)字巖芯。將重建后獲取的三維數(shù)字巖芯導(dǎo)入可視化處理軟件Dragonfly，進(jìn)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(guān)鍵信息，對礁灰?guī)r巖樣的孔隙微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了深入探討。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣準(zhǔn)備

選取南海島礁具有代表性的礁灰?guī)r樣品，根據(jù)規(guī)范及設(shè)備適用的要求，制成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖樣，選取其中3個礁灰?guī)r試樣進(jìn)行三維數(shù)字巖芯掃描，試樣標(biāo)號分別為2-41-1、1-9、4-8。試樣編號的第一個數(shù)字表示巖體取芯深度，數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.1 Typical standard samples

將制好的標(biāo)準(zhǔn)試樣放入X射線CT掃描設(shè)備的導(dǎo)軌中，固定好位置，即可進(jìn)行全直徑巖芯掃描。

1.2 CT掃描設(shè)備原理

本試驗(yàn)中所采用的X射線CT掃描設(shè)備由天津三英科技公司生產(chǎn)，型號為GeoScan200。該CT掃描設(shè)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(yàn)樣品。

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

圖2 CT掃描設(shè)備GeoScan200內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)置好的參數(shù)平穩(wěn)向前平移；射線源與探測器固定在轉(zhuǎn)盤上，隨著樣品臺導(dǎo)軌的向前平移，轉(zhuǎn)盤也在緩慢旋轉(zhuǎn)，形成連續(xù)螺旋CT掃描。根據(jù)不同的分辨率需求可對射線源的電壓及功率進(jìn)行調(diào)整。

1.3 CT掃描設(shè)備的分辨率調(diào)整及掃描設(shè)置

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

表1 三種掃描檔位及對應(yīng)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(diào)整，樣品臺高度同樣需要調(diào)整，以適應(yīng)不同直徑試樣的掃描需求。射線源與探測器相對位置調(diào)整后，在對應(yīng)掃描精度下的射線源能量要隨之調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)字巖芯的孔隙提取方案

2.1 數(shù)字巖芯的重建

將掃描獲取的原始.DR數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)重建軟件Voxel Recon，調(diào)整Hu(探測器水平偏移)和Chp(探測器角度偏轉(zhuǎn))這兩個重要參數(shù)，在XY，XZ，YZ這3個切面上均實(shí)現(xiàn)切片的良好重合。若掃描樣品邊界出現(xiàn)明顯高亮于試樣內(nèi)部灰度的情況，需進(jìn)行硬化矯正，實(shí)現(xiàn)同材質(zhì)灰度值的均一化，便于后期進(jìn)行孔隙提取。進(jìn)行硬化校正后，調(diào)整探測器的尺寸，點(diǎn)擊重建獲取.Raw文件(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)重建參數(shù)Fig.3 Data reconstruction parameters

對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行重建后，得到數(shù)據(jù)體切片數(shù)4 720張。數(shù)據(jù)體切片的數(shù)量與試樣進(jìn)行掃描時所使用的分辨率有關(guān)，即掃描的分辨率×切片數(shù)為掃描的試樣長度(包含試驗(yàn)前后多掃描的空段長度)。

2.2 孔隙提取

通過上述數(shù)據(jù)重建軟件獲得的.Raw文件，可導(dǎo)入三維可視化軟件Dragonfly進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

(1) 原始數(shù)據(jù)的預(yù)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(zhì)進(jìn)行閾值)、數(shù)據(jù)體的切割；

(2) 數(shù)據(jù)體閾值(選中總體、孔隙、相交得到基質(zhì)，以避免數(shù)據(jù)體重合)。根據(jù)灰度值的不同，選取基質(zhì)和孔隙部分，分別建立感興趣區(qū)域ROI，計(jì)算巖體整體孔隙度。

(3) 對孔隙ROI進(jìn)行單獨(dú)分析，提取連通孔隙。將孔隙分為連通孔隙和孤立孔隙，運(yùn)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(shù)越高，其連通性也就越強(qiáng)，滲透性越強(qiáng)，在研究巖體滲流中具有重要的意義。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 整體孔隙率分析

將掃描重建后的數(shù)字巖芯導(dǎo)入Dragonfly，進(jìn)行三維可視化處理，三維可視化效果如圖4所示。

礁灰?guī)r由礁灰?guī)r骨架及其內(nèi)部復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)組成。在進(jìn)行CT掃描時，因高密度的礁灰?guī)r骨架與低密度的孔隙結(jié)構(gòu)對X射線能量吸收差異較大，在二維數(shù)值切片中呈現(xiàn)出灰度值差異。運(yùn)用灰度閾值，提取礁灰?guī)r內(nèi)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F(xiàn)ig.5 2D slice diagram after pore thresholding

在原始圖像中對不同灰度值所對應(yīng)的材料進(jìn)行閾值選取與劃分。通過對孔隙三維模型信息分析計(jì)算，獲取孔隙與巖石骨架的體積分別為Vp和Vr，利用式(1)計(jì)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(jì)算結(jié)果見表2，整體孔隙率為7.47%～8.24%，選取的礁灰?guī)r試樣孔隙率較為一致。本次試驗(yàn)獲得的礁灰?guī)r孔隙率與致密砂巖較為接近；與馬爾代夫部分礁灰?guī)r相比，孔隙發(fā)育程度較小。

表2 整體孔隙率計(jì)算Tab.2 Integral porosity calculation

3.2 逐層面孔隙率

海相成因的珊瑚礁灰?guī)r，在其發(fā)育和形成過程中，埋藏作用、膠結(jié)作用和成巖作用可改變礁灰?guī)r的孔隙或裂隙結(jié)構(gòu)及充填結(jié)構(gòu)。因此，珊瑚礁灰?guī)r具備復(fù)雜多孔、非勻質(zhì)性等結(jié)構(gòu)特征。

礁灰?guī)r巖體內(nèi)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(nèi)部的宏觀分布情況。對3個試樣進(jìn)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?guī)r試樣逐層孔隙率進(jìn)行分析。

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

將試樣進(jìn)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?guī)r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?guī)r非勻質(zhì)性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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(yùn)用Dragonfly中Pore Network Modeling分析模塊進(jìn)行最大球算法模型計(jì)算，建立球棒模型，如圖8所示。球棒模型是提取礁灰?guī)r巖體內(nèi)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(shù)越高，兩個孔隙之間的連通性就越強(qiáng)，滲透性也就越強(qiáng)。

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

由于計(jì)算內(nèi)存有限，將試樣進(jìn)行裁切后進(jìn)行計(jì)算，裁切數(shù)為900×900×1200。裁切數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)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(guī)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(shí)際顆粒的直徑。礁灰?guī)r內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且孔隙尺寸大小不一，在分析孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸特征時，用等效球體直徑d表征。圖10為礁灰?guī)r內(nèi)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?guī)r內(nèi)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(jì)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(dú)立孔隙和單連通孔隙的研究對珊瑚礁灰?guī)r滲透特性和力學(xué)特性研究具有十分重要的意義。

4 結(jié) 論

基于X射線掃描技術(shù)對珊瑚礁灰?guī)r試樣進(jìn)行掃描及三維數(shù)字巖芯重構(gòu)，利用三維可視化軟件Dragonfly對數(shù)字巖芯進(jìn)行孔隙提取及定性、定量分析，得出以下結(jié)論。

(1) 選取的珊瑚礁灰?guī)r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(biāo)準(zhǔn)試樣的原始芯樣取自南海島礁不同區(qū)域及深度的珊瑚礁灰?guī)r，整體孔隙率具有代表性。

(3) 通過珊瑚礁灰?guī)r沿Z軸方向連續(xù)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?guī)r具有較強(qiáng)的非勻質(zhì)結(jié)構(gòu)特性；與珊瑚等原生生物骨胳疏松、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及非勻質(zhì)性的固有特征十分吻合。

(4) 3組礁灰?guī)r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(jié)構(gòu)離散性越大。

(5) 運(yùn)用最大球算法計(jì)算得到連通孔隙及其直徑分布。試樣內(nèi)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(dú)立孔隙和單連通孔隙的研究，對珊瑚礁灰?guī)r的滲透特性和力學(xué)特性深入研究具有十分重要的意義。

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