双能量CT扫描在岩石特性检测中的应用外文翻译资料

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SPE(国际石油工程师协会)90520

双能量CT扫描在岩石特性检测中的应用

发表于沙特阿拉伯 达兰，作者是SPE的Shameem Siddiqui和沙特阿美石油公司Ramp;D中心的Aon A. Khamees

版权归石油工程师协会有限公司所有--2004年

本文是为2004年9月26到29号的美国德克萨斯州的休斯顿SPE技术年会演讲而准备的。

本文被SPE工程委员会选作展示品是征求了作者的同意，本文的内容正如上文所提到的，没有被国际石油工程师协会审查，并且内容可被作者修改。本文内容正如所提到的不反映任何国际石油工程师协会的观点。本文被SPE会议提出是SPE的编辑委员会的提议。禁止任何未经作者同意而被复制，传播电子档作为商业用途，印刷复制仅允许不超过300字并且插图不可复制，且前言必须明确提到本文的作者。

著述：SPE, P.O. Box 833836, Richardson, TX 75083-3836, U.S.A., 传真01-972-952-9435.

摘要

使用双能量CT扫描来分析岩石成分不是一项新技术。它用两种不同能量的x射线来扫描岩石的同一部位在。Wellington和Vinegar在1987年的一篇论文中说到物体样品在高(高于100千伏,主要产生康普顿散射)和低(低于100千伏,主要是光电效应即x射线吸收)得到的两张图像可以得到物体的原子序数从而可以得到物体的密度分布。就是说它们生成的CT 图像可以显示密度和原子序数变化情况。虽然双能CT扫描在流体流动可视化研究中已经使用地相当成功，但是它在研究岩石核心特征的领域的使用是有限的，特别是在三相流体的情况中。一部分原因是由于没有合适的软件和程序从高和低能的CT数据和图像生成体积密度和原子序数，一部分是由于缺乏必要的步骤来利用密度和原子序数的核心数据。商业可用的软件现在可以从双能图像中生成密度和原子序数的数据。本文描述了使用的一些技术可以更好地通过密度和原子序数数据来描述岩石特性。该技术首次应用于小型样本，且是已知的岩石物性性能的验证试验中。之后，在沙特阿拉伯这项技术应用于60英尺长的保留核心的上侏罗统碳酸盐岩储层上，每隔5厘米(2英寸)用两个不同能量的x射线得到CT图相。让人感兴趣的定性结果,可以提高我们对碳酸盐类岩石的分析。本文还一步一步地展示了计算密度值近似的矿物成分的分析方法。

CT简介

电脑断层成像(CT)是一种无损成像技术,它利用x射线技术和数学方法通过查看样品的横断面切片重建算法得到数据。虽然CT扫描仪是医学诊断工具，但是他们已经广泛使用在石油工业中研究岩石成分20多年了。在石油行业卓越的使用CT应用的评论在文献1-8中可以找到。基本上, 石油工业CT的应用的分布可分为两个主要领域：核心特征分析和流体流动可视化领域。

核心特征分析包括核心分析和外部分析，主要是得到扫描保存完好的核心尽管不完整核心也扫描。定性CT 提供异构性信息，比如折断、岩穴和泥浆侵入破坏的岩性变化, 定量CT 提供的数据是用来测量体积密度和孔隙度，量化物体的非均质性，深度比较核心到表面的匹配和校准。

流体流动可视化构成了CT在石油工业更普遍的使用，几乎可以完全监控示踪剂(掺杂物)在岩心内流体运动的过程。搀杂剂可以提供足够的对比各种流体的视图，量化饱和度分布和阶段变化,捕获重力和粘性对流动的影响。CT是一个可以很好处理岩石各种视图效果的工具，CT监测为三相流实验提供了一个非常有效的方法，文献8提供一个全面的CT的应用程序列表。

在本文中,我们主要关注双能x射线技术的核心特征方面的使用。

双能量CT扫描

双能ct使用高和低能的射线扫描对象相同的位置的两次，通过高和低能扫描,可以得到主要发生光电效应和主要发生康普顿散射的两张图像。这些,反过来又可以得到原子序数和电子密度。可以通过康普顿散射和光电吸收的量测量x射线的衰减，通过扫描两个x射线能量的增加和减少，可以计算出有效原子序数(Zeff)和电子密度。

双能ct扫描广泛应用于DEXA(双能量X-光线吸收测量学)系统用于测量骨密度，消除由x射线吸收对软组织造成的影响。双能技术也被广泛使用于行李扫描来探测违禁品。后者是利用原子序数和密度快速完成对材料的标识。

Wellington and Vinegar建议使用100千伏作为CT扫描仪两种效果的一个典型阈值(100 kV以上康普顿散射，低于100 kV光电效应)。由于大部分的医疗基础扫描仪最大的能量限制于140kV以内，所以后者可以作为高能岩石扫描。尽管许多的医疗扫描仪的最低能量为90，80,70，甚至60kV，在能量低于70kV的时候让x-射线穿过碳酸盐岩石是非常困难的。

双能量CT扫描中用到的公式

双能量CT中广泛引证的公式是由Wellington 和 Vinegar提出来的：

其中micro;是线性衰减系数，rho;是电子密度，E是x-射线能量，Z是原子序数，a是Klein-Nishina系数，n是Z的指数，b是一个常数。

rho;b电子密度，rho;与体积密度是有关的，大多数材料满足下列表达式：

指数n也用于计算有效原子序数(Zeff)，如公式3所示，Zi是的第i个元素的原子序数，fi是i元素化合物原子的分数的复合表示。

本文中我们常用n=3.6，尽管Wellington和Vinegar用过3.8,3.6和3，但是3.6是文献中常用来分析Zeff和光电因素的。表1展示了一些常见的材料用双能扫描Zeff和相应的体积密度值的计算结果。更加详细的说明参考文献17。

表一 常用的材料的rho;b 和Zeff值

Zeff与光电因素有关，Pe遵循下列公式：

就像Pe，Zeff略受孔隙度变化的影响，通过文献15和公式4的提供的信息发现以水为流体方解石，白云石，石英的Zeff的孔隙度大约有5%-35%的变化，因此Zeff非常好的显示出了岩性指标，而且通过公式4描述的关系，CT导出的zeff值转化为Pe值可以粗略估计出岩石样本的物质成分。

公式1的非线性让计算变得非常复杂，Angulo和Ortiz从CT图像中通过使用多项式来计算这两个值，但是受到普通CT的不利影响（x-射线照射造成的多色现象）。Angulo 和Ortiz提到双能扫描在多组分对象处理时需要提前消除硬化，大多数医疗基础的CT扫描仪是不能处理的，他们通过扫描前照射滤波来消除束硬化获得了较好的结果。

大多数医学扫描仪提供的衰减数据的CT值,是通过对水的衰减水平建立的如公式5：

Vinegar和Kehl通过公式1推导出两个公式，低，高能遵循：

Vinegar和Kehl通过一些小的（1/2直径）已知的样本标定值用公式6和7计算出6个系数A,B,C,D,E,F，从而用来计算未知样本的rho;和Zeff值。一些商用软件所用的功能程序是建立在Vinegar和Kehl提出的元素计算基础上。

双能计算进一步简化方程

在缺乏适当的图像处理软件时可以使用以下过程,通过岩石材料扫描高，低能图像中得到有用的CTN值定量测量rho;b和Zeff值，通过公式2到6可以写成：

可以重新整理简化公式8 ，使用三个新系数m,p和q

公式7可以写成如下形式：

公式2可以写成如下形式：

通过结合公式10和11,通过引入新的系数r,s和t,一个人可以得到以下公式：

数m p和q可以通过使用任何派生公式求解建立三个方程三个未知数,如克莱默法则，同样的方式来计算出r，s和t。大部分未知样品密度的CTNhigh和CTNlow值就可计算出，而Zeff值的计算需要将公式12改成如下形式：

此外，光电因素也可以通过公式4来计算，还有高低能数据的收集必须在标号为高，低能的图像上的同一位置，必须使用同样的RIO，这是很重要的。计算以ROI为基础的rho;b和Zeff数据, 需使用电子表格程序如ms excel，校准常数才可以执行。

实验

本文所描述的所有CT扫描工作仪都是用第四代国际系统HD-350检测CT扫描仪，扫描仪拥有1200 个x射线源和探测器，最小像素大小约为0.47毫米x 0.47毫米。这里所描述的测试操作两个不同能量。图像处理工作是使用一些商业图像处理工作包将原始二进制文件转移到SUN后进行的。以5毫米的间隔水平和5毫米x射线束厚度实现全覆盖扫描。

小岩心样品实验结果

第一个样本测试时三个小岩心样本，碳酸盐石灰岩，贝雷砂岩和砾岩，

三个同类标准已知的体积密度和有效原子序数是为了计算六个系数m p,q,r,s和t。CTN值在高和低能相应的测量值rho;和Zeff表2中给出了三个标准，双能扫描结果系数在表3中给出。

表二 CTN, 三个相同标准中的CTN，rho;b 和 Zeff值

表三 双能扫描中小型样本的系数值

三个样本在140 kV(高能)和80 kV(低能)在同一位置扫描，5毫米x射线和5毫米扫描间隔的结果可以得到，高能和低能的CTN值通过公式9和13以及表3转化为rho;b 和 Zeff值，这些值列到表4中.

表4还给出了 三个样本的Zeff和rho;b的平均值，测量的体积密度值分别为1906.2、1906.2和2120.0毫克/毫升，相对误差分别为-7.1%,-1.7%和-3.2% 。虽然有可能可以计算出每一个像素点的rho;b 和 Zeff的平均值，但是这需要一个拥有数组能力和数学函数的计算机图像处理软件来转换。图1、2和3显示出三个岩石样本的密度和有效原子序数的图像，每一张图的上面是Zeff，下面是 rho;b，使用的配色方案是类似于在加工工业中的RAINBOW颜色方案使用的图像。这些鲜艳的颜色,如红色和橙色代表高值参数(如Zeff和rho;b)和暗色如深蓝色、蓝色代表低的参数值。

表四 小型样本的Zeff和rho;b的计算值

整个岩心部分实验结果

为了检查双能扫描的应用程序，对20个沙特阿拉伯的上侏罗统碳酸盐岩心管（总长度大概60英尺）进行CT扫描，两个x-射线能量为-140kV和80kV。在扫描的时候,岩心是处于保留状态的，以50厘米为间隔。图像处理使用的是VoxelCalc的双能量内嵌式模组，用三种材料作为参考标准。这个过程也用到6个系数，但是与本文之前提到的m, p, q, r, s 和 t这些系数不同。

图像4,5,6的双能扫描图（(Zeff在上面 ，rho;b在下面）是选自三个岩心管（#19，#18，#17）的扫描图的上半部分，本部分包含多土碳酸盐(微晶灰岩)层和生物扰动岩层，这些是由于无脊椎动物的爬行轨迹和风暴造成的。碳酸盐岩部分有一些白云石化的间隔，它们往往是深色的。使用同一个能源检测扫描通常是很困难的（通常用140千伏)。根据孔隙度内容和比例来看，由于白云石的石化作用,白云石和普通的方解石(石灰岩的主要成分)不同，它的CTN或高或低，因此,单个能量扫描不足够提供白云石的信息。

虽然显示的ROI选择的是远离核的外围,但是图4、5和6还是存在一些束硬化,不使用一些预处理和后期处理修正束硬化造成的数据影响是不能消除的。总体而言,这证明了双能扫描对识别薄白云石的条纹和特性的分析是非常有用的。

使用双能扫描孔隙度测量数据

从双能ct扫描很容易推导计算出准确的体积密度和孔隙度数据。选用孔隙度和矿物比例比较常见的岩石，例如石英、白云石、石灰石。下面给出的步骤。

1.每次使用不同的x射线能量扫描岩石的同一位置的岩心两次, 　　

2.用相同的能量扫描标准样品，与步骤1方式一样,生成双能系数

3.用高低能提供的数据得到双能系数之后推导出每个像素点的rho;b 和Zeff值

4.用公式4将Zeff转换为Pe

5.用公式11计算出电子密度rho;和rho;b

6.通过rho;和Pe值用以下方程来计算体积光电吸收指数U：

7.利用交会图法得到孔隙度岩性和饱和度确定近似矿物的成分,这些测定方法可以文献16和18中查到

8.矿物百分比rho;ma可以使用混合物孔隙度计算出来，使用下面的公式计算:

总结

本文非常深入地回顾总结了双能ct扫描的过程和公式。基于双能rho;b和Zeff值简单地计算推导出必要的公式系数，基于CT控制台得到高低能图像。尽管双能扫描数据rho;b和Zeff平均值可以计算出来放在在一个电子表格中,但是通过高和低能图像得到rho;b和Zeff需

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