基于CT扫描技术研究页岩水化细观损伤特性

马天寿，陈平

摘要：目的：井壁失稳问题是钻井工程中经常遇到的复杂问题之一，在硬脆性页岩地层钻水平井使井壁失稳问题更加突出，容易导致卡钻和埋钻等井下复杂事故，严重时甚至导致井眼报废，造成巨大的经济损失。泥页岩井壁稳定研究难点在于力学-化学的耦合，其中页岩水化问题是研究的关键，但现有方法并不能有效解决该问题。利用CT扫描技术和数字图像处理技术，探索建立定量评价页岩水化引起的细观损伤特性的方法，以期为定量研究页岩水化问题提供新的思路和方法。方法：为了研究页岩水化过程中的细观损伤特性，将岩样在常温、常压环境中以清水进行浸泡，并在不同的水化阶段（初始、5 d后、10 d后和15 d后），采用MicroXCT-400型CT扫描仪沿垂直方向对岩样进行上、中、下3个断面的扫描。通过对CT扫描图像进行灰度图像直观分析、伪彩色增强处理，揭示页岩水化过程中微裂隙起裂到宏观破坏的演化过程；采用最大方差自动取阈值方法对CT扫描图像进行分割处理，并以完整度与破损度计算、灰度直方图分析辅助确定最佳分割阈值。选择以空隙面积为基准的损伤变量来定量描述页岩水化细观损伤特性，并根据CT图像分割处理后得到的二值化图像，统计计算页岩水化过程中出现的微裂隙、孔隙等纯白色区域的像素数，从而得到损伤变量的演化规律。结果：从CT扫描图像及其灰度直方图分析发现：浸泡前期岩样内部微裂隙快速形成，这是产生水化损伤的主要时期；……