CN101339131B - 岩心显微多种光谱成像信息综合处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩心显微多种光谱成像信息综合处理方法，用于石油地质录井对含油岩心的显微荧光、红外和拉曼多种光谱成像资料的综合分析与处理。首先在荧光显微镜下获取岩心光片的全色光彩色图像，然后分别使用显微荧光、红外和拉曼三种光谱成像分析系统对录井中岩心样品进行测量，获取相应的成像“光谱立方体”或光谱“图像立方体”，再对三种光谱成像信息采用像素级融合技术方法进行数据处理和综合分析，通过DWT变换，图像除噪，各级子图像分别进行加权融合，最后再通过DWT逆变换，得到融合后的多光谱影像。

Description

岩心显微多种光谱成像信息综合处理方法

技术领域：

本发明属于石油地质勘探录井技术领域；特别是一种含油岩心的显微荧光、红外和拉曼多种光谱成像测量与结果的综合分析技术方法等。

背景技术：

矿物学、岩石学和地球化学研究方法首先是观察、描述和识别目的物。常用的经典技术是光学显微镜和X射线衍射，并辅以扫描或透射电子显微镜和电子与离子束分析。但这些检测手段不能区分同构异形体或测定部分有序度。因此，需要既可以产生样品的分子指纹谱，又能用于研究包含结晶和无定形材料的复杂样品的另一种微束方法。然而通常对诸如岩心等样品物性的光谱学(红外、拉曼和荧光等)实验研究是对样品宏观体积取统计平均值得到的结果。例如石油录井技术中的常规荧光检测、同步荧光光谱分析、三维荧光光谱分析等，对岩心样品的荧光分析都存在一定的局限性：通常是预先用某种溶剂萃取出岩心中的石油烃类物质，并对其进行荧光光谱分析。这种方法破坏了岩石的本来面貌，无法了解岩石的组构信息和烃类在岩石中的分布情况等在评价油气水层中必需的重要信息的缺点；而目前应用的荧光录井显微图像技术虽可以较准确地进行岩心的组构和烃类荧光的分布观察，但仍是依靠人眼或真彩色摄像头对荧光颜色和强度的感知，这种根据人的色觉的分析方法不是完全的光谱方法，存在同色异谱的根本缺点，为取得正确结果，必须采集足够多的样本，建立物理模型。与荧光光谱显微探针类似，红外和拉曼光谱显微探针法研究岩心中碳质物的已有工作中，通常实验研究多是局限于对经过复杂处理分离出的微小样品(如干酪根)或样品中个别位点所得的结果，缺乏对复杂样品各组分(或基团)的空间分布及其相互关系的研究。特别是，至今对岩心样品的显微荧光、红外和拉曼光谱成像的测量结果进行统一综合分析的方法尚未见著报道。这种情况远远不能满足石油地质勘探录井技术进一步发展的需要。

发明内容：

本发明旨在利用显微荧光、红外和拉曼光谱成像分析系统在光谱和空间两个方面对录井中岩心样品进行分析和识别，特别是将分别由显微荧光、红外和拉曼光谱成像分析系统得到的实验结果利用图像光谱信息的数据融合技术进行数据处理和综合分析，得到岩心样品中不同化学组分的空间分布图等。

本发明解决其技术问题采取的方案是：首先在显微镜下获取岩心光片的全色光彩色图像，并参考该图像选定测量区域；然后分别使用显微荧光、红外和拉曼三种光谱成像分析系统对录井中岩心样品进行测量，获取相应的成像“光谱立方体”或光谱“图像立方体”，最后对岩心样品显微荧光、红外和拉曼三种光谱成像信息利用融合技术方法进行数据处理和综合分析。数据融合采用像素级融合，其实现过程是直接在荧光、红外和拉曼重构图像的基础上进行数据的综合分析，具体是先将每个待融合的图像进行离散小波变换(DWT变换)，消除图像的噪音，再将分解的各级子图像分别进行加权融合，即将待融合的子影像赋予一定的权值，然后将它们中同一级的叠加起来，得到融合后的多光谱子影像。其计算公式是：

$I_j=a_j\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ij}}{A}_{\mathrm{ij}}+b_j---\left(1\right)$

式中，I_j为融合子影像，a_j、b_j为常数，P_ij为各待融合图像的权值，A_ij为第i个待融合图像A_i的第j级子图像，N为待融合图像的总数量。融合图像的效果好坏主要与P_ij的选择有关，如果权值选择适当，则可以获得较好的效果。最后将融合后所得的各级子图像进行DWT逆变换得到最终的融合结果图像I，具体的计算机程序流程框图见附图1。

在本发明中，利用显微荧光、红外和拉曼光谱成像分析系统在光谱和空间两个方面对录井中岩心样品进行分析和识别，特别是将分别由显微荧光、红外和拉曼光谱成像分析系统得到的实验结果利用图像光谱信息的数据融合技术进行数据处理和综合分析，得到岩心样品中不同化学组分、结构和基团的空间分布图等，从而直观地揭示不同烃类在岩石中的分布情况、孔隙的连通性等信息，对油气水层进行预测。实验证明，多种显微光谱成像的图像光谱信息的数据融合技术方法比各自独立的光谱成像方法对矿物学、岩石学和岩心的地球化学研究具有更高的实用价值。

附图说明：

图1为本发明所提出的基于MATLAB平台编写的岩心样品多种显微图像光谱信息的数据融合及综合处理计算机程序流程框图。

具体实施方式：

下面结合实施例来详细描述本发明。

测量所用岩心样品预先按国家石油天然气行业标准SY/T5913-2004“岩石制片方法”制成光片(厚30微米)粘在玻璃载物片上，分别使用如下三种光谱成像方法：

1、荧光显微光谱成像实验：采用荧光显微镜，光源为超高压汞灯时，配置的激发滤光片为BG12(2mm)，其中心透过波长在405nm左右，而配置的发射截止滤光片为JB510，只有波长大于510nm以上的荧光才能通过。为了本方法易于普及，选用上述两种滤光片组合对于储存于岩心中烃类的荧光激发、发射效率是较高的，效果也较理想。实验中所用的成像光谱数据采集系统为九维光电科技有限公司的显微成像光谱仪，其波长范围400-700nm，仪器的光谱分辨率为10nm。样品微动平台精度为10微米。由该系统特性决定，它同时需要光谱重构和图像重构。其实验过程为：预先将成像光谱数据采集系统置于荧光显微镜的三目镜筒上方，将样品置于荧光显微镜的载物台上。首先用溴钨灯照明被观察的样品并进行调焦，在计算机屏幕上得到最为清晰的岩心图像后，选取研究区域。然后打开汞灯对样品进行荧光激发，利用荧光显微成像技术得到含油岩心样品在400-600nm范围内的荧光成像光谱立方体，选择一个石油芳烃的荧光发射特征波长的单色像，从中可以初步清楚地看出岩心中的芳烃发光区域及其连通情况，再次，利用差谱方法，选取两幅荧光单色图进行相减处理后，得到更清晰的荧光分布图，能够十分容易地分析油气在岩心中的强度及分布、连通情况，从而克服了人眼观察的主观性。根据各种油分的不同特征荧光光谱，利用光谱相似性制图的方法进行荧光光谱图像处理，不仅可分辨出其所含油质的轻重，而通过其荧光强度的差别，又能够大致判断其所处点的油气含量。

2、红外显微光谱成像实验：岩心样品光片在Shimadzu公司生产的IRPrestige-21型红外傅立叶变换分光光度计和AIM8800型红外显微镜下利用自动X-Y扫描工作台对样品上设定的位点阵列作红外光谱测定而进行显微红外光谱成像(mapping)。实验中选择两种工作方式：

(1)透射模式：特别适合样品是微小固体颗粒或纤维的情况。采用透射法时，必须考虑样品的厚度(一般样品厚度以不大于20微米为宜)，如样品数量少且吸收系数过大，则需要用KBr稀释并压制成片。应避免检测信号饱和而导致吸收谱带变形。

(2)衰减全反射(ATR)模式：通过ATR探头(AIM8800M型衰减全反射物镜为半球形晶体，由Ge材料制成，放大倍数15倍，30°入射角，单次反射)与样品表面接触，测定样品表面微区的红外ATR光谱，入射光透入样品深度不仅与工作波长成正比，还与入射角、衰减全反射物镜折射率和样品折射率有关。透入样品深度一般是几分之一个工作波长(在红外区，约为1～2微米，远小于岩石薄片的厚度)，不仅可以实现无损检测，而且完全不受载物片和粘合剂的影响。

红外显微透射光谱成像方法和红外显微ATR光谱成像方法两种模式各有其不同的优缺点。根据所研究的样品的结构特征尺寸大小和光谱特征分辨率高低，以及研究的具体要求，我们应当正确选择合适的光谱成像方法。当样品的结构特征尺寸比较大时，选择使用ATR光谱成像方法是比较合适的，因为它不仅具有相当的灵敏度，而且不受粘合剂和片基吸收的干扰，只是空间分辨率要收到ATR探头尺寸的影响；但当样品的结构特征尺寸比较小而样品吸收很弱时，则应当使用透射光谱成像方法。

3、拉曼显微光谱成像实验：岩心样品光片是在Renishaw公司生产的MKI2000型显微拉曼光谱仪上进行显微拉曼光谱成像测量的。使用氬离子激光器(514.5nm)为激发光源。实验中采用两种工作方式：

(1)显微共焦拉曼“串行-成像”光谱(Mapping)：样品处在共焦显微镜物镜前焦面上，被显微物镜聚焦的激光光斑(束腰)所照射，以背向散射收集拉曼光，利用1000型光路(包括光栅光谱仪)分光进行宽波段高光谱分辨率光谱扫描的同时，利用计算机程序自动控制微电机驱动微动载物平台，进行X-Y方向的逐点扫描，扫描的步长可至0.1微米。为提高横向空间分辨本领，尽量使落在样品上的激光光斑小一些，故常使用50×，100×的显微物镜。这样以来，对样品表面的每个点都可得到一个相应的拉曼光谱，形成了一个所谓“光谱立方体”，X-Y平面两维和拉曼频移(光波长)一维。由光谱立方体数据可以重构相应任意拉曼频移的一系列单色像。由于落在样品表面的经过显微物镜聚焦的激光光斑(束腰)尺寸受到显微物镜数值孔径的限制，不可能太小，一般接近1微米，显著影响了空间分辨率。尽管X-Y平移台的扫描步长精度可达0.1微米，但对空间分辨率改善甚微。

(2)显微拉曼“并行-成像”光谱(Imaging)：与第(1)种工作方式不同，虽然样品仍位于显微镜载物台上，也以背向散射收集拉曼光，但是激光聚焦于样品表面不再呈一个很小的光斑，而是照明整个视场中的样品，并且改用2000型光路(包括干涉滤光片轮)分光。这时，一个完整的二维像可同时产生，经过干涉滤光片轮自动扫描，便可获得一系列单色图像，形成图像立方体。由图像立方体数据可以重构相应样品表面每个点的拉曼光谱。在某些实验时，若事先利用计算机控制驱动干涉滤光片轮选择某一个波长(例如，已知样品组分的某一特征拉曼波长)，则可立即得到某种成分(或基团)在样品中的空间分布。

直接成像光谱方法和间接成像光谱方法各有其不同的优缺点。根据所研究的样品的结构特征尺寸大小和光谱特征分辨率高低，以及研究的具体要求，应当正确选择合适的光谱成像方法。当样品的结构特征尺寸比较大而特征光谱带比较窄时，选择使用“串行-成像”光谱(Mapping)方法是比较合适的；但当样品的结构特征尺寸比较小而特征光谱带比较宽时，则应当使用“并行-成像”光谱(Imaging)方法。

单一传感器影像数据通常不能提取足够的信息来满足某些应用的需要。某一种光谱方法的图像仅能表达与其相关的目标(样品)特征。荧光光谱只含有与电子态跃迁有关的特征；而红外和拉曼光谱都含有与分子和晶格振动态跃迁有关的特征，且因产生红外和拉曼光谱的机制不同，在反映分子和晶格的特征上也有所不同，形成互补关系。另外，一方面，即使是同一种光谱，而不同波长或波数的谱峰反映了不同化学组分、结构和基团的化学和物理状态；另一方面，不同光谱的谱峰之间却有可能存在某种关系。这是进行综合分析的原理基础，也是本专利利用图像光谱信息的数据融合技术进行数据处理的动机。

在本专利中数据处理所使用的软件是matlab的WaveLab工具箱和image工具箱。其多种图像光谱信息的数据融合技术的计算机程序流程如图1所示。

在本发明中，具体实施例实验所用岩心样品来自黄骅凹陷张东地区构造。岩心镜下定名：岩屑长石粉砂-细砂岩。岩心呈粉砂-细砂状结构，偶见中砂。岩石主要由石英、长石、中酸性喷出岩岩块、花岗岩岩块、燧石岩岩块、和泥晶灰岩岩块组成。重结晶方解石、泥晶方解石沿孔隙分布。碎屑含量：石英20％，斜长石25％，钾长石25％，岩块30％(沉积岩4％，变质岩1％，岩浆岩25％)。

首先，在显微镜下获取岩心光片的全色光彩色图像，并参考该图像选定测量区域(一般情况下，有机质大多存在于暗色的区域中，但实际上可见光彩色图像并非完全反映有机质分布)。用N(x，y)表示岩心不同位点，其中N是格点数码，x，y分别表示位点N的X，Y坐标值(单位微米)。

然后，分别利用下述不同光谱成像系统获取成像“光谱立方体”或光谱“图像立方体”：

1、利用荧光显微光谱成像数据采集系统得到含油岩心光片在400～600nm范围的荧光成像光谱立方体。从中提取520nm和540nm两个荧光发射特征波长的单色像，并利用差分法求得它们的差分图像。

2、利用显微红外透射光谱成像系统得到含油岩心光片在4000～2000cm^-1范围内的红外透射成像光谱立方体。因玻璃片基在波数小于2000cm^-1的长波区不透明，故透射光谱范围为4000～2000cm^-1，选用光谱分辨率～4cm^-1，在不同位点的光谱曲线中，分别出现了若干各自的特征吸收峰，反映了不同位点包含的化合物和基团的种类及其多少有所不同。2866cm^-1和2928cm^-1分别相应于甲基(亚甲基)的对称和不对称伸缩振动频带，3618cm^-1相应于羟基的伸缩振动吸收频带，2515cm^-1相应于S-H，P-H类化学键的振动频带。从得到的红外透射成像光谱立方体中提取2866cm^-1、2928cm^-1、3618cm^-1和2515cm^-1特征波长的单色图像。

3、利用显微红外ATR光谱成像系统得到含油岩心光片在4000～700cm^-1范围内的红外ATR成像光谱立方体。因为在ATR光谱中的透入样品深度，一方面它仅涉及样品表面一薄层，与粘合剂和片基的吸收无关，故光谱扫描范围很大：700～4000cm^-1，另一方面透入样品深度相当于透射光谱中的有效光程，而且它在这里是与光波长成正比的，所以吸光度A值必须进行波长修正。除了短波区出现的2866cm^-1，3618cm^-1等谱带以外，在长波区还出现了1400cm^-1，1038cm^-1，783cm^-1等强吸收谱带。1400cm^-1宽谱带对应于甲基(亚甲基)对称和不对称弯曲振动；1038cm^-1和783cm^-1宽吸收谱带对应于石英石某些E模和A₂模，以及长石中四面体[SiO₄]和[AlO₄]的伸缩振动的组合谱带。它们与红外透射光谱成像一样，也反映了化合物和基团的不同空间分布。从得到的红外ATR成像光谱立方体中提取2866cm^-1、1038cm^-1、1400cm^-1和783cm^-1特征波长的单色图像。

4、利用显微共焦拉曼“串行-成像”光谱(Mapping)系统获取拉曼成像光谱立方体。光谱扫描包括了样品主要拉曼光谱特征峰的光谱范围300～1800cm^-1。实验结果显示出有机质‘类石墨’两个特征峰：1605.9cm^-1和1348.8cm^-1，前者相应于层内双碳原子伸缩振动模，通称为‘石墨峰’，而后者是由于石墨结晶尺寸有限导致量子跃迁波矢选择定则放宽引起的来自布里渊区边界K点附近声子的散射，它是石墨无序程度的反映，通称为‘缺陷峰’。此外，还出现了位于462.69cm^-1的弱散射峰，它属于岩心基质中主要成分石英的具有拉曼活性的非极性光学模。从得到的拉曼成像光谱立方体中分别提取1605.9cm^-1、1348.8cm^-1和462.69cm^-1拉曼散射峰积分面积的图像。

5、利用显微拉曼“并行-成像”光谱(Imaging)系统获取拉曼光谱图像立方体。从得到的拉曼光谱图像立方体中提取1605.9cm^-1、1348.8cm^-1和462.69cm^-1拉曼散射峰积分面积的图像。

最后，在以上图像光谱的实验数据结果基础上进行数据融合和综合分析。

比较分别由红外透射和ATR光谱得到的都是在同一频率2866cm^-1(对应甲基(亚甲基)的对称伸缩振动)进行光谱图像重构的图像，可以看出，除了空间分辨率不同以外，两者重构的图像特征是非常相似的。对红外ATR光谱中的1038cm^-1和783cm^-1与拉曼光谱中的463cm^-1进行光谱图像重构的图像予以比较，它们的图像特征也是非常相似的，这是因为它们都反映石英石的存在。这就为上述实验结果的真实性和可靠性作了相互认证。

将红外2866cm^-1(对应甲基(亚甲基)的对称伸缩振动)重构图像与拉曼1605.9cm^-1和1348.8cm^-1重构图像比较，它们之间不存在相关的特征。因为它们分别反映烷烃与已石墨化碳质物的存在。

利用红外2866cm^-1的重构图像和拉曼1605.9cm^-1的重构图像，按照图1的流程进行数据融合处理。具体步骤是：先将这些经过重构的图像进行DWT变换，消除图像的噪音，再将分解的各级子图像分别进行加权融合，其中选取参数值为：a＝0.5，b＝0，P₁＝0.43，P₂＝0.66，按照公式(1)计算得到各级子图像的融合结果，最后将融合后的各级子图像进行DWT逆变换得到最终的融合结果图像I，图像I较好的反映了实验所用岩心样品的总碳的空间分布。

Claims (2)

1.一种岩心显微多种光谱成像信息综合处理方法，先在显微镜下获取岩心光片的全色光彩色图像，并参考该图像选定测量区域，然后分别使用显微荧光、红外和拉曼三种光谱成像分析系统对录井中岩心样品进行测量，获取相应的成像“光谱立方体”或光谱“图像立方体”，其特征是对岩心样品的显微荧光、红外和拉曼三种光谱成像信息利用融合技术方法进行数据处理和综合分析，所述融合技术采用像素级融合，其实现过程是直接在荧光、红外和拉曼重构图像的基础上进行数据的综合分析，具体是：首先将待融合的每个图像A_i(i＝1，...，N)分别进行离散小波变换，即DWT变换，分解成M级子图像，消除图像的噪音，再将分解的各级子图像A_ij(j＝1，...，M)分别进行加权融合，即将待融合的子影像A_ij赋予一定的权值P_ij，然后分别按级j对i求和，将它们叠加起来，得到融合后的第j级多光谱子影像，其计算公式为：

式中，I_j为第j级融合子影像，a_j、b_j为常数，P_ij为第i个待融合图像A_i的第j级子图像A_ij的权值，N为待融合图像的总数量，最后，再进行DWT逆变换，得到最终融合后的图像I。

2.根据权利要求1所述的岩心显微多种光谱成像信息综合处理方法，其特征是利用红外2866cm^-1的重构图像和拉曼1605.9cm^-1的重构图像，选取参数a＝0.5，b＝0，P₁＝0.43，P₂＝0.66，按照权利要求1所述的计算公式进行数据融合处理。

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