專利名稱：基于連續(xù)切片圖像的網(wǎng)絡模型建立方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術領域，特別是對地下原油、天然氣、地下水等流體所在 的多孔介質(巖石)表征的網(wǎng)絡模型的建立方法。
技術背景在油田開發(fā)過程中，常常需要借助網(wǎng)絡模擬手段，從微觀角度來研究油水運動規(guī) 律。網(wǎng)絡模擬優(yōu)勢在于能夠方便、靈活的構造出巖石各種類型的孔隙結構特征和潤濕 特征，較好地表征多孔介質的微觀靜態(tài)特征，快速高效地模擬不同靜態(tài)特征巖石的微 觀流動參數(shù)。同時，隨著數(shù)字化巖心技術的發(fā)展，將逐步實現(xiàn)巖心數(shù)據(jù)在計算機中的 存儲，利用微觀模擬模型可以模擬巖心中的孔隙/喉道大小分布、孔隙的網(wǎng)絡拓撲結 構、相對滲透率曲線，毛管壓力曲線等。微觀滲流實驗研究近十多年來發(fā)展較快。目 前常用的微觀研究手段包括層析成像儀(CT)、核磁共振成像儀(NMRI或MRI)和顯 微物理模擬。其中，CT的工作原理是利用X射線在被測物上衰減程度不同檢測其內(nèi) 部結構。在滲流研究中，它可以直觀地反映流體在孔隙介質中的滲流狀態(tài)，掃描多個 切片便能重建三維特征。要實現(xiàn)微觀實驗和模擬的結合，需要解決的關鍵技術在于在 準確表征三維微觀孔喉結構。其核心技術是建立三維多孔介質的數(shù)據(jù)場以及孔隙和喉 道大小分布以及拓撲信息的提取。在建立三維多孔介質的數(shù)據(jù)場方面，目前，建立三 維多孔介質數(shù)據(jù)場的方法主要有①根據(jù)CT切片等二維圖像的統(tǒng)計信息，得到巖石 顆粒、孔隙尺寸的分布，進而通過隨機模擬的方法建立三維數(shù)據(jù)場；②直接在三維空 間中通過高斯隨機模擬的方法建立三維數(shù)據(jù)場。目前獲取孔隙和喉道大小分布以及拓 撲信息的方法主要靠人為地給定，這種方法缺點是和實際巖石中的孔隙空間分布差異 較大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種基于連續(xù)切片圖像的網(wǎng)絡模型建立方法，對地下原 油、天然氣、地下水等流體所在的多孔介質(巖石)進行表征。本發(fā)明實現(xiàn)其目的所采取的技術方案是在對連續(xù)的二維切片圖像進行分割圖像 處理的基礎上，進行三維重建，再通過計算機細化算法得到真實巖石孔隙空間分布的 孔隙和喉道大小分布以及拓撲信息，最終建立網(wǎng)絡模型，具體過程如下(1) 通過CT掃描手段獲取微觀模型內(nèi)部一組連續(xù)的二維切片圖像。(2) 確定研究的矩形區(qū)域，對圖像進行亮度調(diào)整、對比度調(diào)整、銳化操作，進而在圖像重建方向上利用距離加權平均方法進行圖像插值。。)利用指示克里金方法提取出圖像中的巖石部分和孔隙空間部分。首先以巖心實測孔隙度參數(shù)為標準，與圖像中灰度值頻率分布曲線相結合確定基礎閾值。然后再 給定兩個閾值7b和r!，它們的取值范圍分別為基礎閾值的75n/。 85n/。和120n/。 130M。將需要識別的圖像按以下規(guī)則確定對于灰度值小于&的部分就標記為孔隙空間； 對于灰度值大于7\的部分就標記巖石顆粒；對于灰度值介于To和T,之間的部分， 就根據(jù)指示變量計算該處條件概率的線性概率，分割出相應的孔隙空間和巖石顆粒部 分。分割圖像完成后，進一步通過計算機三維圖像重建得到孔隙空間的三維分布圖像。(4) 對上述步驟得到的孔隙空間部分利用細化算法得到節(jié)點和路徑，并進一步結合形態(tài)學、拓撲學原理對節(jié)點和路徑數(shù)據(jù)，根據(jù)體素的空間分布計算節(jié)點的位置，與 每個孔隙相連的路徑的數(shù)目、節(jié)點的燃燒數(shù)、路徑的長度、節(jié)點和路徑的數(shù)目，最終 得到喉道以及孔隙的幾何參數(shù)和拓撲結構。(5) 利用計算機圖像處理中的細化算法進行細化操作，根據(jù)Poiseuille定律、網(wǎng)絡 模型中孔隙空間大小不變原理、孔隙之間喉道的唯一性、孔隙和喉道形狀因子等價這些原則對提取的孔隙和喉道大小分布以及拓撲結構進行修正，具體步驟包括a.網(wǎng)絡模型中每個喉道對應到唯一的一組和它相連的孔隙修正如果兩個孔隙之間可能會存在多個喉道相連，那么需要根據(jù)Poiseuille定律，考慮形狀因子的影響， 對喉道的面積、形狀、長度進行等效計算。其中，孔隙和喉道形狀因子G定義為它們 的截面面積X和周長P的函數(shù)，即b.網(wǎng)絡模型中喉道的長度修正:通過細化算法得到的喉道長度包括了一部分孔隙半徑的長度，而網(wǎng)絡模型中喉道的長度不包含孔隙半徑的長度，因而需要根據(jù)其連接 關系消除孔隙半徑的影響。C.喉道形狀的修正由于網(wǎng)絡模型喉道形狀只能是三角形、圓形和正方形，因而需要根據(jù)形狀因子進行近似處理。d.孔隙形狀和半徑的修正:孔隙的形狀因子主要根據(jù)其連接的喉道形狀進行面積 加權平均計算，然后按照類似修正喉道形狀的方法進行近似。進一步根據(jù)喉道所占空 間大小以及孔隙的形狀計算孔隙半徑。(6)依照網(wǎng)絡模型規(guī)則對孔隙和喉道大小分布以及拓撲信息迸行修正后，得到以節(jié)點和路徑這樣的拓撲結構來表示的孔隙空間分布信息。其中，節(jié)點表示了孔隙所處 的位置，而路徑則表示了連接相鄰兩個孔隙之間的流動通道，路徑上面積最小的截面 即為喉道截面，與每個孔隙相連的路徑數(shù)目即為孔隙配位數(shù)，節(jié)點的燃燒數(shù)即為孔隙半徑，路徑長度即為喉道長度，最終建立起網(wǎng)絡模型。本發(fā)明利用真實多孔介質的切片圖像，通過計算機圖像處理技術提取了孔隙空間 骨架、喉道信息以及孔隙信息，建立了相應的網(wǎng)絡模型，實現(xiàn)了圖像信息向三維空間 中孔隙/喉道大小分布以及拓撲信息的轉化，克服了傳統(tǒng)方法的缺陷。


圖1為實驗用巖心模型掃描切片圖(512x512像素)。圖2為實驗用巖心模型圖像重建區(qū)域圖(221x221像素)。圖3為CT圖像預處理以后的效果圖。圖4(a)為原始CT切片A。圖4(b)為原始CT切片B。圖4(c)為插值后的圖像效果圖。圖5為用指示克里金方法分割以后的效果圖。圖6為巖心孔隙部分三維圖像。圖7(a)為細化算法步驟中三維圖像體素標記以后結果示意圖。 圖7(b)為孔隙空間部分體素燃燒過程示意圖。 圖8為細化以后得到的節(jié)點和路徑分布圖。 圖9為最終得到的網(wǎng)絡模型圖。 圖IO為網(wǎng)絡模型提取流程圖。
具體實施方式
以下通過對墾東70_ 1井巖心模型構建三維網(wǎng)絡模型的實例并結合附圖來詳細說明本發(fā)明的內(nèi)容及實現(xiàn)原理1. 獲取連續(xù)的二維切片圖像墾東70—1井巖心模型在進行CT切片掃描時，對未飽和流體的空巖心進行掃描。 巖心掃描總長度確定為1.25mm，共掃描切片100張，每兩張CT切片之間的間隔為 0.0125mm。掃描切片如附圖1所示。2. 確定模型區(qū)域、進行預處理和圖像插值由于CT實驗掃描得到的巖心圖片中的巖心區(qū)域是圓形，而進行網(wǎng)絡模擬的模型 一般是一個規(guī)則的長方體或者立方體，所以有必要在一系列連續(xù)的CT圖像中取出一 組定位相同的矩形區(qū)域。實際CT掃描圖像(圖像大小都為512x512像素)截取出的矩 形區(qū)域如附圖2所示。經(jīng)過亮度調(diào)整、對比度調(diào)整、銳化處理操作后的結果如附圖3 所示。墾東70—1井巖心模型的CT 二維切片圖像的分辨率為8.04微米/像素，而每兩 張切片之間的間隔為12.5微米。己知相鄰的兩張連續(xù)的切片A、 B如附圖4(a)、 (b)所示，為保證三維空間各個方向上分辨率相同，對這兩張切片圖像中對應的像素點灰 度值利用距離加權平均方法進行插值處理，得到的插值圖像如4(c)所示。對100張 CT切片圖像進行插值，插值以后得到153張圖像。3. 利用指示克里金方法進行分割以后，得到孔隙空間三維圖像 根據(jù)巖心實測孔隙度(孔隙度為34.0%)和二維圖像中灰度值頻率分布曲線確定基礎閾值為93，分別選擇T0為75、 Tl為120，得到圖像的分割效果如附圖5所示。分 割圖像中孔隙空間部分對應的圖像灰度值都為1，對應圖中的白色部分；而巖石顆粒 部分對應的圖像灰度值都為O，對應圖中的黑色部分。進一步通過計算機三維圖像重 建得到孔隙空間的三維分布圖像，如附圖6所示。4. 孔隙/喉道幾何信息以及拓撲信息的提取利用細化算法進行孔隙/喉道大小分布以及拓撲信息的提取，細化算法的步驟為① 將研究區(qū)域以外的所有體素標記為-1，將所有巖石顆粒對應的體素標記為 O(即該層體素的燃燒數(shù)為0)，而所有孔隙空間對應的體素標記為1，如附圖7(a)所示。② 賦值k二l，沿著燃燒方向，將所有緊連著具有燃燒數(shù)為k-l體素的孔隙空間 對應的體素(尚未標記燃燒數(shù))標記為k，對于每個這樣的體素，記錄其相鄰的燃燒數(shù) 為k-l的體素的相對位置，如附圖7(b)所示。③ 賦值k二k+l，重復步驟②，直到燃燒結束。最終通過細化得到孔隙空間中的節(jié)點和路徑分布，如附圖8所示。其中，節(jié)點表 示了孔隙所處的位置，而路徑則表示了連接相鄰兩個孔隙之間的流動通道，在路徑上 存在的面積最小截面即為喉道截面。與每個孔隙相連的路徑數(shù)目即為孔隙配位數(shù)，節(jié) 點的燃燒數(shù)即為孔隙半徑，路徑長度即為喉道長度。5. 網(wǎng)絡模型的建立依照網(wǎng)絡模型規(guī)則對孔隙和喉道大小分布以及拓撲信息進行修正，具體包括① 網(wǎng)絡模型中每個喉道對應到唯一的一組和它相連的孔隙修正如果兩個孔隙之間可能會存在多個喉道相連，那么需要根據(jù)Poiseuille定律，考慮形狀因子的影響， 對喉道的面積、形狀、長度進行等效計算；② 網(wǎng)絡模型中喉道的長度修正通過細化算法得到的喉道長度包括了一部分孔隙半徑的長度，而網(wǎng)絡模型中喉道的長度不包含孔隙半徑的長度，因而需要根據(jù)其連接 關系消除孔隙半徑的影響；③ 喉道形狀的修正由于網(wǎng)絡模型喉道形狀只能是三角形、圓形和正方形，因而需要根據(jù)形狀因子進行近似處理；④孔隙形狀和半徑的修正孔隙的形狀因子主要根據(jù)其連接的喉道形狀進行面積 加權平均計算，然后按照類似修正喉道形狀的方法進行近似。進一步根據(jù)喉道所占空 間大小以及孔隙的形狀計算孔隙半徑。最終得到的網(wǎng)絡模型如附圖9所示，圖中球體代表了孔隙，線段代表了連接孔隙 之間的喉道。附圖9主要顯示出孔隙和喉道的拓撲關系，事實上，每個孔隙和喉道都 具有不同的形狀和大小。表l建立的網(wǎng)絡模型基本參數(shù)網(wǎng)絡模型基本參數(shù)參數(shù)值網(wǎng)絡模型基本參數(shù)參數(shù)值喉道數(shù)目15686平均孔隙體積，^m387110.59孔隙數(shù)目11602平均孔隙半徑，nm20.42平均喉道體積，Mm321114.48喉道總體積，pm3331201662平均喉道半徑，Mm8.92孔隙總體積，Mm31010657102平均配位數(shù)2.71平均孔喉比2.97附圖10為本發(fā)明網(wǎng)絡模型提取流程圖。與其他方法相比，本發(fā)明實現(xiàn)了 CT三 維圖像信息向孔隙/喉道大小分布以及拓撲信息的轉化，建立與真實巖石相吻合的網(wǎng) 絡模型，可有效地用于真實巖石孔隙空間及其滲流特性的描述和數(shù)字化管理。
權利要求
1.一種基于連續(xù)切片圖像的網(wǎng)絡模型建立方法，其特征在于對微觀模型內(nèi)部一組連續(xù)的二維切片圖像進行圖像處理，進而分割出巖石顆粒和孔隙空間，在對孔隙空間進行三維圖像重建的基礎上，提取孔隙和喉道大小分布以及拓撲信息，最終建立網(wǎng)絡模型，按如下過程實現(xiàn)(1)通過CT掃描手段獲取微觀模型內(nèi)部一組連續(xù)的二維切片圖像；(2)確定研究的矩形區(qū)域，對圖像進行亮度調(diào)整、對比度調(diào)整、銳化操作，進而在圖像重建方向上利用距離加權平均方法進行圖像插值；(3)利用指示克里金方法提取出圖像中的巖石部分和孔隙空間部分。首先以巖心實測孔隙度參數(shù)為標準，與圖像中灰度值頻率分布曲線相結合確定基礎閾值。然后再給定兩個閾值T0和T1，它們的取值范圍分別為基礎閾值的75％～85％和120％～130％。將需要識別的圖像按以下規(guī)則確定對于灰度值小于T0的部分就標記為孔隙空間；對于灰度值大于T1的部分就標記巖石顆粒；對于灰度值介于T0和T1之間的部分，就根據(jù)指示變量計算該處條件概率的線性概率，分割出相應的孔隙空間和巖石顆粒部分，分割圖像完成后，進一步通過計算機三維圖像重建得到孔隙空間的三維分布圖像；(4)對上述步驟得到的孔隙空間部分利用細化算法得到節(jié)點和路徑，并進一步結合形態(tài)學、拓撲學原理對節(jié)點和路徑數(shù)據(jù)，根據(jù)體素的空間分布計算節(jié)點的位置，與每個孔隙相連的路徑的數(shù)目、節(jié)點的燃燒數(shù)、路徑的長度、節(jié)點和路徑的數(shù)目，得到喉道以及孔隙的幾何參數(shù)和拓撲結構；(5)利用計算機圖像處理中的細化算法進行細化操作，根據(jù)Poiseuille定律、網(wǎng)絡模型中孔隙空間大小不變原理、孔隙之間喉道的唯一性、孔隙和喉道形狀因子等價這些原則對提取的孔隙和喉道大小分布以及拓撲結構進行修正，具體步驟包括a.網(wǎng)絡模型中每個喉道對應到唯一的一組和它相連的孔隙修正如果兩個孔隙之間可能會存在多個喉道相連，那么需要根據(jù)Poiseuille定律，考慮形狀因子的影響，對喉道的面積、形狀、長度進行等效計算，其中，孔隙和喉道形狀因子G定義為它們的截面面積A和周長P的函數(shù)，即G＝A/P2b.網(wǎng)絡模型中喉道的長度修正通過細化算法得到的喉道長度包括了一部分孔隙半徑的長度，而網(wǎng)絡模型中喉道的長度不包含孔隙半徑的長度，因而需要根據(jù)其連接關系消除孔隙半徑的影響；c.喉道形狀的修正由于網(wǎng)絡模型喉道形狀只能是三角形、圓形和正方形，因而需要根據(jù)形狀因子進行近似處理；d.孔隙形狀和半徑的修正孔隙的形狀因子主要根據(jù)其連接的喉道形狀進行面積加權平均計算，然后按照類似修正喉道形狀的方法進行近似，進一步根據(jù)喉道所占空間大小以及孔隙的形狀計算孔隙半徑；(6)依照網(wǎng)絡模型規(guī)則對孔隙和喉道大小分布以及拓撲信息進行修正后，得到以節(jié)點和路徑這樣的拓撲結構來表示的孔隙空間分布信息，其中，節(jié)點表示了孔隙所處的位置，而路徑則表示了連接相鄰兩個孔隙之間的流動通道，路徑上面積最小的截面即為喉道截面，與每個孔隙相連的路徑數(shù)目即為孔隙配位數(shù)，節(jié)點的燃燒數(shù)即為孔隙半徑，路徑長度即為喉道長度，最終建立起網(wǎng)絡模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于連續(xù)切片圖像的網(wǎng)絡模型建立方法，屬于圖像處理技術領域，涉及到對地下原油、天然氣、地下水等流體所在的多孔介質(巖石)表征的網(wǎng)絡模型的建立方法，特征是對微觀模型內(nèi)部一組連續(xù)的二維切片圖像進行圖像處理，進而分割出巖石顆粒和孔隙空間，在對孔隙空間進行三維圖像重建的基礎上，提取孔隙和喉道大小分布及拓撲信息，最終建立網(wǎng)絡模型，實現(xiàn)了圖像信息向三維空間中孔隙和喉道大小分布以及拓撲信息的轉化。本發(fā)明是基于真實多孔介質的切片圖像進行網(wǎng)絡模型的建立，針對性強、實用性高，可有效地用于真實巖石孔隙空間及其滲流特性的描述和數(shù)字化管理。
文檔編號G06T17/00GK101556703SQ20091001560
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月16日 優(yōu)先權日2009年5月16日
發(fā)明者健 侯, 宋新旺, 張順康, 施曉樂, 曹緒龍, 李振泉, 強 盛 申請人:中國石油大學(華東)