孫華峰*，史維鑫，高鵬鑫，陳瀟，張弘，高卿楠

（1.中國地質調查局自然資源實物地質資料中心；2.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

0 引言

能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎。油氣資源作為人類社會最重要的能源，對于世界各國的政治、經(jīng)濟、軍事等具有重要的戰(zhàn)略影響。面對油氣資源供需格局新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，習近平總書記從保障國家能源安全的全局高度，提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略［1］。新戰(zhàn)略給出了重要指示：要保障能源安全和大力推廣能源技術革命和發(fā)展綠色低碳能源?；诖?，中國地質調查局全力加大常規(guī)油氣資源評價，在油氣資源潛力巨大但現(xiàn)有勘探程度仍較低的某盆地，優(yōu)選并完鉆了幾口關鍵井，取得了該盆地幾十年以來的重大勘探突破。同時，為大力發(fā)展頁巖氣等低碳能源開發(fā)，著力構建長江經(jīng)濟帶頁巖氣勘查開發(fā)新格局，在長江經(jīng)濟帶某地區(qū)部署了多口重要參數(shù)井，在國內頁巖氣勘探中取得了重大突破。

為了掌握地下地質的情況，在鉆井過程中需要用取心工具將巖心取到地表，通過觀測、實驗、分析等手段獲得地下巖石的一些參數(shù)，目的是發(fā)現(xiàn)油氣層、了解含油氣情況和儲集特征，從而確定油氣層的巖性、物性、厚度等基礎數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)建立地層剖面并分析油氣的生成、儲集和運移等特征，這對于油氣的勘探和開采階段都是重要的一手資料［2］。油氣鉆井巖心獲取后，保存時通常直接暴露于空氣中，極易遭受破碎與風化，部分巖心甚至直接就地掩埋，失去了研究價值，如何有效保存油氣鉆井巖心成為亟待解決的關鍵問題。同時，傳統(tǒng)巖心測試也面臨分析周期長、實驗條件受限、巖心易受損等局限性。因此，尋求一種用于巖心的長久保存、重復利用、縮短測試時間、無損的方法尤為重要。

20 世紀末，美國前副總統(tǒng)戈爾在開放地理信息協(xié)會年會上首次提出“數(shù)字地球”的概念，展望了其未來前景，隨后又出現(xiàn)了“數(shù)字中國”“數(shù)字城市”“數(shù)字油田”［3］等概念。直到“數(shù)字巖心”的提出，才解決了傳統(tǒng)巖心分析測試遇到的瓶頸。數(shù)字巖心就是通過一系列方法和手段，將真實的巖心數(shù)字化，得到巖心表面及內部結構的二維、三維的圖像信息，結合圖像處理和數(shù)值模擬，對巖心進行物理和化學等各方面研究，推算巖心及地層的各種性質［4］。通過巖心數(shù)字化，不但可以永久保存巖心表面及內部的各種細節(jié)，而且可以通過圖像分析和數(shù)值模擬計算得到巖心的多尺度參數(shù)，因此可以對巖心進行經(jīng)濟的、重復的研究和利用，從而實現(xiàn)油氣巖心永久、有效的保存，促進能源綠色勘探和發(fā)展。

1 巖心收集、保存和數(shù)字化的必要性

《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》中明確規(guī)定，地質工作的巖心、測試樣品和其他實物標本資料，應當按照有關規(guī)定保護和保存，隨后發(fā)布的條例和實施辦法也規(guī)定將巖心等實物地質資料納入國家地質資料統(tǒng)一管理范疇，明確了國家對成果地質資料、原始地質資料和實物地質資料實物統(tǒng)一匯交管理［5］。中國地質調查局布置的油氣資源調查工作中，前期基礎調查工作獲取的巖心多來自調查井和參數(shù)井，屬于勘探井巖心，往往位于研究程度不高的區(qū)域，這樣的巖心具有典型性、代表性，且在后續(xù)進一步研究過程中具有重大的利用價值。對其采集、接收并安全妥善保管，是貫徹國務院令第349 號《地質資料管理條例》、國土資規(guī)〔2016〕11 號《實物地質資料管理辦法》等的重要體現(xiàn)。

依據(jù)上述有關規(guī)定，為加強巖心匯交管理，提高巖心數(shù)字化與信息共享工作水平，創(chuàng)新保管與服務機制，構建全國統(tǒng)籌、有效匯集、高度共享的巖心大數(shù)據(jù)共享服務格局，自然資源部辦公廳在2020 年5月21 日下發(fā)了自然資辦函〔2020〕907 號《關于做好巖心數(shù)字化與信息共享工作的通知》，并規(guī)定在油氣、海洋和深地等重點領域，各級組織所屬相關單位在匯交實物資料前率先完成巖心的圖像、礦物成分、元素濃度及物性參數(shù)等的數(shù)字化，推動巖心數(shù)據(jù)更好地共享利用［6］。圖1 所示為巖心數(shù)字化保存的意義。

圖1 巖心數(shù)字化保存的意義

2 傳統(tǒng)巖心分析方法

傳統(tǒng)的巖心分析包括利用顯微技術、分光技術及其他測試方法對巖心進行宏觀和微觀的描述及分析，從而得到巖石的物理性質、孔隙特征、礦物類型、粒度分布信息等。

2.1 巖石物理性質測量

巖石物理性質包括：孔隙度、滲透率、比表面、相對滲透率和潤濕性等［7］?？诐B測量可以利用孔隙度儀及滲透率儀按照一定的巖心制樣和測試流程進行測量。比表面可以通過壓汞或等溫吸附方法進行測量。相對滲透率可以通過穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法進行測量。潤濕性的測定可以通過接觸角測量、離心機法毛管壓力曲線獲得。

2.2 巖石結構與礦物分析

巖石結構和礦物分析主要研究巖石的孔隙結構、骨架顆粒、填隙物等。巖石的孔隙結構主要通過鑄體薄片、電鏡掃描、X 射線、核磁共振、壓汞等方法研究孔隙和喉道的類型、大小、形態(tài)、連通性和分布等。砂巖的骨架顆粒主要由石英、長石、云母等礦物組成，可以通過篩析法、薄片粒度圖像分析等手段研究其接觸關系、成分、含量、成巖和產(chǎn)狀等。填隙物主要由黏土礦物和非黏土礦物等組成，可以通過鑄體薄片、電鏡掃描圖片、電子探針及能譜、XRD（X-Ray Diffraction，X 射線衍射）分析等手段，來研究其類型、成分、含量和產(chǎn)狀等。

2.3 常規(guī)巖心分析的優(yōu)缺點

巖心的常規(guī)分析通過實驗手段可以獲得巖石的物理性質、孔隙特征、礦物類型和成分、粒徑信息等，可為儲層評價和油藏描述提供基本的參數(shù)。但僅通過實驗方法獲取這些參數(shù)存在一些缺陷，如，有的實驗達不到儲層條件，導致測量結果不準確；有的實驗測試時間很長（如相滲實驗），可達幾個月甚至幾年；有的實驗只能測量一次，樣品便被破壞，不能再用。另外，實驗室的測量僅停留在宏觀層次上，很多微觀層次上的機理無法考慮。要想更深入地研究油氣儲集和運移機理，就必須從微觀角度出發(fā)，研究儲層巖石內部的本質問題，才能從根本上認識宏觀和微觀的聯(lián)系，找到提高油氣采收率的方法和技術手段，為油藏描述和現(xiàn)場生產(chǎn)提供指導。

3 巖心數(shù)字化技術

由于常規(guī)巖心分析存在一些缺點，一定程度上制約了油氣勘探領域的發(fā)展腳步?；诖?，巖心圖像和數(shù)值模擬算法的數(shù)字巖心技術成為了當今巖石物理學研究的重要手段。數(shù)字巖心通過一些實驗技術和儀器將真實的巖心樣品數(shù)字化，在計算機上以二維或三維圖像的形式將巖心表面及內部的圖像、結構等還原，然后利用圖像分析技術和數(shù)值模擬計算得到儲層巖石的各種性質，如孔隙度、滲透率、地層因素、電磁性質等。相較于傳統(tǒng)的實驗室測量，數(shù)字巖心技術達到了孔隙尺度的觀察和測量，提高了測量精度，揭示了微納米尺度的物理機制，大大縮短了測試時間從而降低了測量成本。同時，結合實驗室數(shù)據(jù)可分析和研究更多的儲層巖石物理性質，從而能更有效地為油藏描述和油氣田開發(fā)提供指導。

3.1 巖心表面圖像采集

利用照相機和巖心圖像采集與管理系統(tǒng)，可以在野外鉆井現(xiàn)場或巖心庫中將放置在巖心盒中的巖心樣品進行表面圖像的采集，同時記錄項目和巖心相關信息，并可以補充錄入或導入（模板）巖心的描述信息。完成采集后，在圖像采集和管理系統(tǒng)里可以查詢巖心的各種信息，并下載相應圖像。

3.2 光譜礦物和X 熒光元素掃描

光譜礦物和X 熒光元素掃描通過臺式或者手持式掃描儀器，并在儀器配套的軟件上設置相應的掃描參數(shù)，如文件名稱、巖心箱號、巖心箱參數(shù)、巖心長度、起始深度、結束深度、掃描間隔、保存路徑等，對盛放在巖心盒里的巖心依次進行掃描。在獲得光譜反射率數(shù)據(jù)和X 熒光元素數(shù)據(jù)后，再利用各種方法進行解譯，得到巖心礦物及化學元素等信息，并用于推斷地層的沉積、構造和演化等特征。

3.3 巖心多尺度CT 掃描

巖心多尺度CT 掃描通過利用X 射線成像原理對巖心進行X 射線掃描，獲得樣品的三維圖像和內部結構信息。它包括全直徑CT、微米CT 和納米CT等不同尺度的掃描手段，不但可以分析全直徑巖心宏觀上的裂縫、溶洞和充填礦物的特征等，還可以分析巖心柱塞樣品的微納米孔隙結構等特征。

3.4 大面積二維背散射掃描電鏡成像

大面積二維背散射掃描電鏡成像技術可以對多張掃描電鏡圖像數(shù)據(jù)進行導航、平鋪、拼接、關聯(lián)和分析。將多張掃描電鏡圖片拼接，可讓研究人員在把握整體特征的同時，對感興趣的細節(jié)部分進一步放大，從而進行精細研究。

3.5 礦物成分定量分析

礦物成分定量分析（QEMSCAN）通過分析巖石樣品對X 射線的響應獲得掃描區(qū)域的成分特征，并提供各礦物和黏土含量的數(shù)值。QEMSCAN 通過對制備的巖心薄片逐點掃描，直接揭示巖心上的礦物成分，并統(tǒng)計出總體的含量百分比［8］。

3.6 聚焦離子束掃描電鏡成像和分析

聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）使用離子束對樣品進行連續(xù)切割［9］，同時在電子束下成像。它不僅具有更高的分辨率（最高可達納米級別），還避免了制樣過程中產(chǎn)生的人造孔隙，能夠真實地還原致密巖心中孔隙結構特征，是目前研究頁巖等納米級孔隙致密儲層的較好手段。FIB-SEM 是SEM（掃描電鏡）與FIB（聚焦離子束）的結合，打破傳統(tǒng)的二維掃描電鏡成像與單一的聚焦離子束刻蝕，利用掃描電鏡成像與聚焦離子束切割，將二者結合用于樣品內部結構三維立體成像［10］。

3.7 圖像分析及巖心多參數(shù)提取

針對巖心數(shù)字化手段獲得的巖心二維及三維圖像，利用圖像處理和數(shù)值模擬算法可以獲得巖心內部的孔隙網(wǎng)絡結構，將數(shù)字巖心圖像的孔隙、礦物顆粒分布用最直觀的方式呈現(xiàn)，并可以進行孔/喉半徑分布、孔/喉形狀因子、配位數(shù)、孔隙網(wǎng)絡連通特性等特征參數(shù)的分析。結合宏觀、介觀、微觀的數(shù)值模擬方法，還可以獲得巖心的多尺度巖石物理參數(shù)，比如電學性質、流體輸運性質、力學性質、熱學性質、放射性性質及核磁共振參數(shù)等。

4 能源綠色勘探新思路

為求全面、客觀、系統(tǒng)地挖掘巖心中蘊含的各類地質信息，為后續(xù)地質科學研究提供數(shù)據(jù)支撐，必須充分考慮巖性、參數(shù)選擇、儀器精度、速度等方面，合理布置流程和規(guī)劃工作量。摸清已有鉆孔數(shù)字化現(xiàn)狀，合理優(yōu)選巖心數(shù)字化掃描方法和參數(shù)，進而制訂切實可行的不同類別油氣鉆井巖心數(shù)字化掃描方案。針對重點調查井和參數(shù)井，可選擇光譜礦物和X 熒光元素掃描等技術，以獲取全井巖心的白光/熒光圖像及所有礦物成分和化學元素信息；針對目的層可開展全直徑CT 掃描，以識別大溶孔、裂縫和薄互層；針對目的層段中感興趣的位置可選取柱塞樣進行微納米CT 掃描及電鏡掃描，以獲取微觀尺度的內部孔隙、礦物分布特征等；若目的層為致密儲層，可再選擇優(yōu)選區(qū)進行大面積二維背散射掃描電鏡成像、聚焦離子束掃描電鏡等高精度掃描，以獲取超高分辨率的二維及三維圖像。因此，通過巖心數(shù)字化手段，可形成從宏觀到微觀（千米級到微納米級）的不同尺度的數(shù)字化數(shù)據(jù)（見圖2）。

圖2 不同尺度的巖心數(shù)字化工作內容

圖3 所示為巖心數(shù)字化的全流程。通過巖心數(shù)字化手段可以獲取從實物巖心表面到內部的圖像信息、從物理到化學的參數(shù)信息、從宏觀到微觀的結構信息，進而形成數(shù)字化巖心信息綜合分析與應用平臺，將多種參數(shù)形成的相對離散的數(shù)據(jù)進行整合、分析。基于云服務器發(fā)布服務，為油氣資源調查、地質科學研究等工作提供及時、高效、權威的數(shù)據(jù)支撐。

圖3 巖心數(shù)字化的全流程

通過油氣巖心的數(shù)字化，可以形成3 個層次的思路：

（1）資料層次。通過油氣巖心采集保管及前置管理，實現(xiàn)所有油氣調查巖心的及時采集與保管防護，從而實現(xiàn)所有油氣調查實體巖心的有效保存，為未來地質調查、科研、科普等工作保留珍貴的第一手研究素材。

（2）數(shù)據(jù)層次。通過巖心數(shù)字化工作，實現(xiàn)所有新產(chǎn)生和歷史積存的重要巖心的數(shù)字化工作，實現(xiàn)重要油氣巖心的數(shù)字化保存，獲取一大批宏觀、微觀相結合，物理、化學相結合，表面、內部相結合，定量、半定量相結合的多參數(shù)數(shù)據(jù)，防止巖心因風化、氧化、取樣等原因造成的信息損失。實現(xiàn)實體巖心與數(shù)字巖心的雙重保管與服務。

（3）產(chǎn)品層次。通過巖心數(shù)字化手段，可以制定油氣巖心全流程管理制度及相關的技術方法，完善地質調查技術方法體系；可以支撐油氣巖心數(shù)據(jù)平臺建設和支撐油氣地質資料服務產(chǎn)品的研發(fā)。

巖心數(shù)字化和數(shù)字巖心分析技術實現(xiàn)了從實體巖心的服務利用向數(shù)字巖心的服務利用的升級，不但提高了服務的效果，而且為能源的勘探提供了綠色新思路。

5 結論

通過油氣巖心數(shù)字化的開展，使得珍貴的油氣巖心得以實體及數(shù)字化保存，并能進行服務利用。同時，形成的數(shù)字化巖心信息綜合分析與應用平臺及巖心數(shù)字化資料，可實現(xiàn)數(shù)字化資料的保存，能夠有效避免重復測試等工作量的投入，節(jié)省了開支。并且，研究的成果能夠為國家油氣資源規(guī)劃、部署、管理和改革提供指導，為科學研究提供基礎數(shù)據(jù)支撐，其經(jīng)濟和社會效益顯著。