本發(fā)明屬于油氣田開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測試壓裂支撐劑圓球度的方法。

背景技術(shù)：

壓裂支撐劑是油田開發(fā)過程中壓裂環(huán)節(jié)使用到的重要材料。支撐劑性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到在閉合壓力下的裂縫導(dǎo)流能力，對地層壓裂起到非常重要的作用。支撐劑圓球度是壓裂支撐劑性能評價的重要參數(shù)。在QSH 1020 1598-2008壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測定方法、QSY 125-2007壓裂支撐劑性能制表及評價測試方法、SYT 5108-200壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測試推薦方法等標(biāo)準(zhǔn)中，評價方法都采用了圖版對比法，此方法存在誤差大、主觀性強及測試時間長等缺點。近幾年也出現(xiàn)了使用計算機圖像采集與公式計算相結(jié)合的方法，計算速度和客觀性得到了很大提高，但其測試精度低；而不同分辨率下顆粒的圓球度計算結(jié)果差距較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種測試壓裂支撐劑圓球度的方法，設(shè)計合理，克服了不同分辨率顆粒圓球度差距大的問題，增加了圓球度的測試精度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種測試壓裂支撐劑圓球度的方法，采用體視顯微鏡，包括如下步驟：

步驟1：通過體視顯微鏡對多粒支撐劑顆粒進行圖像采集，并對采集的圖像初步預(yù)處理，根據(jù)圖像特征判斷支撐劑顆粒的類型；

若：判斷結(jié)果是支撐劑顆粒為石英砂類支撐劑顆粒，則執(zhí)行步驟2；

或判斷結(jié)果是支撐劑顆粒為陶瓷類支撐劑顆粒，則執(zhí)行步驟3；

步驟2：通過計算支撐劑顆粒的輪廓上所有角點處的內(nèi)切圓半徑，計算支撐劑顆粒的圓度；通過計算支撐劑顆粒的輪廓的長軸、短軸，計算支撐劑顆粒的球度，具體包括如下步驟：

步驟2.1：圖像預(yù)處理：去噪、二值化，并獲取輪廓點集；

采用自動閾值法將圖像二值化，使用二維中值濾波法去除圖像噪聲，從預(yù)處理完成的圖像中獲取單一支撐劑顆粒的輪廓，并記錄輪廓點；

步驟2.2：曲線平滑處理；

步驟2.3：角點判定；

步驟2.4：計算圓度；

步驟2.5：計算球度；

步驟3：通過計算支撐劑顆粒的周長、面積以及最小外接圓的半徑，計算支撐劑顆粒的圓度和球度，具體包括如下步驟：

步驟3.1：圖像預(yù)處理：去噪、二值化；

步驟3.2：圖像閉處理，消除尖銳角；

通過設(shè)置結(jié)構(gòu)元素消除輪廓線上的凸起，使輪廓線更光滑；

步驟3.3：曲線平滑處理；

步驟3.4：計算支撐劑顆粒的周長、面積以及最小外接圓的半徑；

步驟3.5：根據(jù)公式(3)計算圓度，根據(jù)公式(4)計算球度；

$Roundness=\frac{4\mathrm{\π}S}{P^2}---\left(3\right);Sphericity=\frac{\sqrt{S/\mathrm{\π}}}{R}---\left(4\right);$

其中，P為支撐劑顆粒的周長、S為支撐劑顆粒的面積、R為最小外接圓的半徑。

優(yōu)選地，在步驟2.2中，具體包括：

步驟2.2.1：特征點檢測

使用Harris角點檢測算子對輪廓點集中的點進行特征點檢測，獲取圖像輪廓特征點；

步驟2.2.2：曲線擬合

以圖像輪廓特征點為邊界，將輪廓線分成若干區(qū)間；計算各區(qū)間內(nèi)的三次貝塞爾曲線的控制點，最終獲得各區(qū)間的貝塞爾曲線，按照各個區(qū)間在總區(qū)間內(nèi)的比例，獲取各區(qū)間點個數(shù)，記錄點總個數(shù)。

優(yōu)選地，在步驟2.3中，具體包括：

步驟2.3.1：以O(shè)為輪廓線的中心點，P_i-1、P_i、P_i+1分別為輪廓線上連續(xù)的三個點，令直線OP_i與直線P_i-1P_i+1的交點P_j；

步驟2.3.2：將線段P_i-1P_i+1的長度‖P_i-1P_i+1‖與線段OP_j的長度||OP_j||進行比較，如果||OP_j||>‖P_i-1P_i+1‖，則P_j為角點；反之，則為非角點。

優(yōu)選地，在步驟2.4中，具體包括：

步驟2.4.1：計算角點內(nèi)切圓半徑，具體包括如下步驟：

步驟2.4.1.1：設(shè)定點集合

假設(shè)輪廓線上共有點P₁、P₂、P₃……P_n，假設(shè)計算過程中使用到的點集合為P₁、P₂、P₃……P_n、P_n+1……P_n+n/2，其中P_n+1＝P₁，P_n+2＝P₂……P_n+n/2＝P_n/2；

步驟2.4.1.2：角點內(nèi)切圓擬合

使用非線性最小二乘法對點集進行擬合，擬合出的曲線以誤差的平方和最小為準(zhǔn)則，記錄擬合圓的半徑和圓心；

步驟2.4.1.3：角點內(nèi)切圓判定

計算擬合圓的圓心到輪廓上點的距離與擬合圓半徑的比值，判斷此處擬合圓是否為內(nèi)切圓；若：判斷結(jié)果是此處擬合圓不為內(nèi)切圓，則刪除最后一個點，繼續(xù)對剩余的點集擬合判定，直至剩余2個點為止；若無滿足條件的內(nèi)切圓，則刪除第一個點，繼續(xù)對剩余的點集擬合判定，直至剩余2個點為止；記錄所有滿足條件的內(nèi)切圓半徑集合{r_m}，其中，m為滿足上述條件的內(nèi)切圓個數(shù)；

步驟2.4.2：計算角點最大內(nèi)切圓半徑，具體包括如下步驟：

步驟2.4.2.1：根據(jù)輪廓點集構(gòu)造泰森多邊形；

步驟2.4.2.2：判定獲取輪廓內(nèi)的泰森多邊形頂點集合；

步驟2.4.2.3：計算頂點集合中的每一個點到輪廓點的最短距離；

步驟2.4.4.4：查找最短距離中的最小值，即為最大內(nèi)切圓半徑r_max；

步驟2.4.3：根據(jù)公式(1)計算圓度；

$Roundness=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m\frac{r_m}{r_{max}}}{m}---\left(1\right);$

其中，r_m—角點內(nèi)切圓半徑；r_max—最大內(nèi)切圓半徑；m—內(nèi)切圓個數(shù)。

優(yōu)選地，在步驟2.5中，具體包括：

步驟2.5.1：構(gòu)造輪廓點的最小外接矩形，獲得輪廓的長軸、短軸；

步驟2.5.2：根據(jù)公式(2)計算球度：

$Sphericity=\frac{Width}{Length}---\left(2\right);$

其中，width為輪廓的短軸；length為輪廓的長軸。

本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明提出了一種測試壓裂支撐劑圓球度的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用體視顯微鏡完成數(shù)據(jù)采集工作，節(jié)省了人力，自動化程度高；采用原始定義測試方式，以圓度初始定義為出發(fā)點計算顆粒圓球度，測試精度高；借助混合編程數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提高了計算速度和精度；克服了不同分辨率顆粒圓球度差距大的問題；解決了現(xiàn)有技術(shù)測試數(shù)量少、速度慢、精度低等缺點，提高了支撐劑顆粒的檢測水平；有力地支持了現(xiàn)場壓裂技術(shù)的開展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種測試壓裂支撐劑圓球度的方法的流程框圖。

圖2為本發(fā)明的測試結(jié)果示例圖。

圖3為支撐劑圓球度的測試標(biāo)準(zhǔn)模板圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明：

實施例1：

為解決不同分辨率顆粒圓球度差距大、速度慢、測試精度低等問題。本發(fā)明提供了一種測試壓裂支撐劑圓球度的方法(如圖1所示)，包括以下步驟：

步驟1：抓取20-50粒支撐劑顆粒，使用體視顯微鏡采集數(shù)據(jù)圖像，圖像初步預(yù)處理，根據(jù)圖像特征觀察分類處理。

步驟2：若為石英砂類支撐劑顆粒，處理數(shù)字圖像并獲取圖像數(shù)據(jù)信息。通過提取測試顆粒輪廓上所有角點處內(nèi)切圓半徑，求取支撐劑圓度；通過提取測試顆粒長邊、短邊，計算支撐劑球度。

步驟3：若為陶瓷類支撐劑顆粒，處理數(shù)字圖像并獲取圖像數(shù)據(jù)信息。通過計算測試顆粒周長P、面積S、最小外接圓半徑R，計算支撐劑圓球度。

在步驟1中對支撐劑顆粒分類處理的步驟如下：

步驟1.1：圖像預(yù)處理：去噪、二值化；

步驟1.2：觀察圖像特征，若顆粒表面光滑的壓裂支撐劑，判定為石英砂類顆粒；若顆粒表面高低不平、尖銳角多，判定為陶瓷類顆粒。

在步驟2中對石英砂類支撐劑顆粒計算圓球度的具體步驟如下：

步驟2.1：圖像預(yù)處理：去噪、二值化、獲取輪廓點集；

采用自動閾值法將顆粒圖像二值化，使用二維中值濾波法去除圖像噪聲。從預(yù)處理完成的圖像中獲取單一顆粒的輪廓，將輪廓點保存在數(shù)組pointSet[i]{i＝0,1,2……}中。

步驟2.2：曲線平滑處理，，具體包括：

步驟2.2.1：特征點檢測

使用Harris角點檢測算子對pointSet[i]中點進行特征點檢測，獲取圖像輪廓特征點。

步驟2.2.2：曲線擬合

以特征點為邊界，將輪廓線分成若干區(qū)間；計算各區(qū)間內(nèi)的三次貝塞爾曲線的控制點(A0、B0)，最終獲得各區(qū)間的貝塞爾曲線。按照各個區(qū)間在總區(qū)間內(nèi)的比例，獲取各區(qū)間點個數(shù)，點總個數(shù)為n。

步驟2.3：角點判定，，具體包括：

步驟2.3.1：以O(shè)為輪廓線的中心點，P_i-1、P_i、P_i+1分別為輪廓線上連續(xù)的三個點，令直線OP_i與直線P_i-1P_i+1的交點P_j；

步驟2.3.2：將線段P_i-1P_i+1的長度‖P_i-1P_i+1‖與線段OP_j的長度||OP_j||進行比較，如果||OP_j||>‖P_i-1P_i+1‖，則P_j為角點；反之，則為非角點。

步驟2.4：計算角點內(nèi)切圓半徑、最大內(nèi)切圓，計算圓度，具體包括：

步驟2.4.1：計算角點內(nèi)切圓半徑

步驟2.4.1.1：設(shè)定點集合

假設(shè)輪廓線上共有點P₁、P₂、P₃……P_n，假設(shè)計算過程中使用到的點集合為P₁、P₂、P₃……P_n、P_n+1……P_n+n/2，其中P_n+1＝P₁，P_n+2＝P₂……P_n+n/2＝P_n/2；

步驟2.4.1.2：角點內(nèi)切圓擬合

使用非線性最小二乘法對點集進行擬合，擬合出的曲線以誤差的平方和最小為準(zhǔn)則，迭代算法采用高斯—牛頓迭代法，其具有收斂快，精確度高的優(yōu)點。記錄擬合圓的半徑r’、圓心o’；

步驟2.4.1.3：角點內(nèi)切圓判定

計算擬合圓的圓心o’到輪廓上點的距離與擬合圓半徑r’的比值，即若滿足當(dāng)k∈(i,j)，且當(dāng)判定此處擬合圓為內(nèi)切圓。若不滿足，刪除最后一個點，繼續(xù)對剩余的點集(即{P_i-P_j-1})擬合判定，直至剩余2個點為止；若無滿足條件的內(nèi)切圓，則對點集{P_i-1-P_j}擬合判定，直至剩余2個點為止。最終記錄所有滿足條件的內(nèi)切圓半徑集合{r_m}，m為滿足以上條件的內(nèi)切圓個數(shù)。

步驟2.4.2：計算角點最大內(nèi)切圓半徑，具體包括：

步驟2.4.2.1：根據(jù)輪廓點集構(gòu)造泰森多邊形；

步驟2.4.2.2：判定獲取輪廓內(nèi)的泰森多邊形頂點集合{v_i}；

步驟2.4.2.3：計算頂點集合{v_i}中的每一個點到輪廓點的最短距離{d_I}；

步驟2.4.4.4：查找最短距離{d_I}中的最小值，即為最大內(nèi)切圓半徑r_max。

步驟2.4.3：根據(jù)公式(1)計算圓度；

$Roundness=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m\frac{r_m}{r_{max}}}{m}---\left(1\right);$

其中，r_m—角點內(nèi)切圓半徑；r_max—最大內(nèi)切圓半徑；m—內(nèi)切圓個數(shù)。

步驟2.5：計算圖像長軸、短軸，計算球度，具體包括：

步驟2.5.1：借助函數(shù)minboundrect()構(gòu)造輪廓點的最小外接矩形，獲得輪廓的長軸、短軸；

步驟2.5.2：根據(jù)公式(2)計算球度：

$Sphericity=\frac{Width}{Length}---\left(2\right);$

其中，width為輪廓的短軸；length為輪廓的長軸。

在步驟3中對陶瓷類支撐劑顆粒計算圓球度的具體步驟如下：

步驟3.1：圖像預(yù)處理：去噪、二值化；

步驟3.2：圖像閉處理，消除尖銳角；

借助函數(shù)imclose(bw,Se)，通過設(shè)置結(jié)構(gòu)元素Se消除輪廓線上的微小凸起，使輪廓線更光滑。

步驟3.3：曲線平滑處理；

步驟3.4：計算支撐劑顆粒的周長P、面積S以及最小外接圓的半徑R；

步驟3.5：根據(jù)公式(3)計算圓度，根據(jù)公式(4)計算球度；

$Roundness=\frac{4\mathrm{\π}S}{P^2}---\left(3\right);Sphericity=\frac{\sqrt{S/\mathrm{\π}}}{R}---\left(4\right);$

其中，P為支撐劑顆粒的周長、S為支撐劑顆粒的面積、R為最小外接圓的半徑。

實施例2：

本實施在實施例1的基礎(chǔ)上對本發(fā)明進行了具體說明。本發(fā)明借助軟件Fracture_PRS 1.0平臺完成。

第一步，采用體視顯微鏡獲取顆粒點圖像，借助軟件初步預(yù)處理；

第二步，如步驟2所述計算模板中顆粒圓球度得出測試結(jié)果如圖2所示。

將圖2中的測試結(jié)果與圖3中的標(biāo)準(zhǔn)模板圖進行對比，可知所測試結(jié)果滿足實驗需求，精度高、速度快。

本發(fā)明采用體視顯微鏡完成數(shù)據(jù)采集工作，節(jié)省了人力，自動化程度高；采用原始定義測試方式，以圓度初始定義為出發(fā)點計算顆粒圓球度，測試精度高；借助混合編程數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提高了計算速度和精度；克服了不同分辨率顆粒圓球度差距大的問題；解決了現(xiàn)有技術(shù)測試數(shù)量少、速度慢、精度低等缺點，提高了支撐劑顆粒的檢測水平；有力地支持了現(xiàn)場壓裂技術(shù)的開展。

當(dāng)然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。