CN101556703B - 基于连续切片图像的网络模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于连续切片图像的网络模型建立方法，属于图像处理技术领域，涉及到对地下原油、天然气、地下水等流体所在的多孔介质(岩石)表征的网络模型的建立方法，特征是对微观模型内部一组连续的二维切片图像进行图像处理，进而分割出岩石颗粒和孔隙空间，在对孔隙空间进行三维图像重建的基础上，提取孔隙和喉道大小分布及拓扑信息，最终建立网络模型，实现了图像信息向三维空间中孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息的转化。本发明是基于真实多孔介质的切片图像进行网络模型的建立，针对性强、实用性高，可有效地用于真实岩石孔隙空间及其渗流特性的描述和数字化管理。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，特别是对地下原油、天然气、地下水等流体所在的多孔介质(岩石)表征的网络模型的建立方法。
背景技术
在油田开发过程中，常常需要借助网络模拟手段，从微观角度来研究油水运动规律。网络模拟优势在于能够方便、灵活的构造出岩石各种类型的孔隙结构特征和润湿特征，较好地表征多孔介质的微观静态特征，快速高效地模拟不同静态特征岩石的微观流动参数。同时，随着数字化岩心技术的发展，将逐步实现岩心数据在计算机中的存储，利用微观模拟模型可以模拟岩心中的孔隙/喉道大小分布、孔隙的网络拓扑结构、相对渗透率曲线，毛管压力曲线等。微观渗流实验研究近十多年来发展较快。目前常用的微观研究手段包括：层析成像仪(CT)、核磁共振成像仪(NMRI或MRI)和显微物理模拟。其中，CT的工作原理是利用X射线在被测物上衰减程度不同检测其内部结构。在渗流研究中，它可以直观地反映流体在孔隙介质中的渗流状态，扫描多个切片便能重建三维特征。要实现微观实验和模拟的结合，需要解决的关键技术在于在准确表征三维微观孔喉结构。其核心技术是建立三维多孔介质的数据场以及孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息的提取。在建立三维多孔介质的数据场方面，目前，建立三维多孔介质数据场的方法主要有：①根据CT切片等二维图像的统计信息，得到岩石颗粒、孔隙尺寸的分布，进而通过随机模拟的方法建立三维数据场；②直接在三维空间中通过高斯随机模拟的方法建立三维数据场。目前获取孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息的方法主要靠人为地给定，这种方法缺点是和实际岩石中的孔隙空间分布差异较大。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于连续切片图像的网络模型建立方法，对地下原油、天然气、地下水等流体所在的多孔介质(岩石)进行表征。
本发明实现其目的所采取的技术方案是在对连续的二维切片图像进行分割图像处理的基础上，进行三维重建，再通过计算机细化算法得到真实岩石孔隙空间分布的孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息，最终建立网络模型，具体过程如下：
(1)通过CT扫描手段获取微观模型内部一组连续的二维切片图像。
(2)确定研究的矩形区域，对图像进行亮度调整、对比度调整、锐化操作，进而在图像重建方向上利用距离加权平均方法进行图像插值。
(3)利用指示克里金方法提取出图像中的岩石部分和孔隙空间部分。首先以岩心实测孔隙度参数为标准，与图像中灰度值频率分布曲线相结合确定基础阈值。然后再给定两个阈值T0和T1，它们的取值范围分别为基础阈值的75％～85％和120％～130％。将需要识别的图像按以下规则确定：对于灰度值小于T0的部分就标记为孔隙空间；对于灰度值大于T1的部分就标记岩石颗粒；对于灰度值介于T0和T1之间的部分，就根据指示变量计算该处条件概率的线性概率，分割出相应的孔隙空间和岩石颗粒部分。分割图像完成后，进一步通过计算机三维图像重建得到孔隙空间的三维分布图像。
(4)对上述步骤得到的孔隙空间部分利用细化算法得到节点和路径，并进一步结合形态学、拓扑学原理对节点和路径数据，根据体素的空间分布计算节点的位置，与每个孔隙相连的路径的数目、节点的燃烧数、路径的长度、节点和路径的数目，最终得到喉道以及孔隙的几何参数和拓扑结构。
(5)利用计算机图像处理中的细化算法进行细化操作，根据Poiseuille定律、网络模型中孔隙空间大小不变原理、孔隙之间喉道的唯一性、孔隙和喉道形状因子等价这些原则对提取的孔隙和喉道大小分布以及拓扑结构进行修正，具体步骤包括：
a.网络模型中每个喉道对应到唯一的一组和它相连的孔隙修正：如果两个孔隙之间可能会存在多个喉道相连，那么需要根据Poiseuille定律，考虑形状因子的影响，对喉道的面积、形状、长度进行等效计算。其中，孔隙和喉道形状因子G定义为它们的截面面积A和周长P的函数，即
G＝A/P2
b.网络模型中喉道的长度修正：通过细化算法得到的喉道长度包括了一部分孔隙半径的长度，而网络模型中喉道的长度不包含孔隙半径的长度，因而需要根据其连接关系消除孔隙半径的影响。
c.喉道形状的修正：由于网络模型喉道形状只能是三角形、圆形和正方形，因而需要根据形状因子进行近似处理。
d.孔隙形状和半径的修正：孔隙的形状因子主要根据其连接的喉道形状进行面积加权平均计算，然后按照类似修正喉道形状的方法进行近似。进一步根据喉道所占空间大小以及孔隙的形状计算孔隙半径。
(6)依照网络模型规则对孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息进行修正后，得到以节点和路径这样的拓扑结构来表示的孔隙空间分布信息。其中，节点表示了孔隙所处的位置，而路径则表示了连接相邻两个孔隙之间的流动通道，路径上面积最小的截面即为喉道截面，与每个孔隙相连的路径数目即为孔隙配位数，节点的燃烧数即为孔隙半径，路径长度即为喉道长度，最终建立起网络模型。
本发明利用真实多孔介质的切片图像，通过计算机图像处理技术提取了孔隙空间骨架、喉道信息以及孔隙信息，建立了相应的网络模型，实现了图像信息向三维空间中孔隙/喉道大小分布以及拓扑信息的转化，克服了传统方法的缺陷。
附图说明
图1为实验用岩心模型扫描切片图(512×512像素)。
图2为实验用岩心模型图像重建区域图(221×221像素)。
图3为CT图像预处理以后的效果图。
图4(a)为原始CT切片A。
图4(b)为原始CT切片B。
图4(c)为插值后的图像效果图。
图5为用指示克里金方法分割以后的效果图。
图6为岩心孔隙部分三维图像。
图7(a)为细化算法步骤中三维图像体素标记以后结果示意图。
图7(b)为孔隙空间部分体素燃烧过程示意图。
图8为细化以后得到的节点和路径分布图。
图9为最终得到的网络模型图。
图10为网络模型提取流程图。
具体实施方式
以下通过对垦东70-1井岩心模型构建三维网络模型的实例并结合附图来详细说明本发明的内容及实现原理：
1.获取连续的二维切片图像
垦东70-1井岩心模型在进行CT切片扫描时，对未饱和流体的空岩心进行扫描。岩心扫描总长度确定为1.25mm，共扫描切片100张，每两张CT切片之间的间隔为0.0125mm。扫描切片如附图1所示。
2.确定模型区域、进行预处理和图像插值
由于CT实验扫描得到的岩心图片中的岩心区域是圆形，而进行网络模拟的模型一般是一个规则的长方体或者立方体，所以有必要在一系列连续的CT图像中取出一组定位相同的矩形区域。实际CT扫描图像(图像大小都为512×512像素)截取出的矩形区域如附图2所示。经过亮度调整、对比度调整、锐化处理操作后的结果如附图3所示。
垦东70-1井岩心模型的CT二维切片图像的分辨率为8.04微米/像素，而每两张切片之间的间隔为12.5微米。已知相邻的两张连续的切片A、B如附图4(a)、(b)所示，为保证三维空间各个方向上分辨率相同，对这两张切片图像中对应的像素点灰度值利用距离加权平均方法进行插值处理，得到的插值图像如4(c)所示。对100张CT切片图像进行插值，插值以后得到153张图像。
3.利用指示克里金方法进行分割以后，得到孔隙空间三维图像
根据岩心实测孔隙度(孔隙度为34.0％)和二维图像中灰度值频率分布曲线确定基础阈值为93，分别选择T0为75、T1为120，得到图像的分割效果如附图5所示。分割图像中孔隙空间部分对应的图像灰度值都为1，对应图中的白色部分；而岩石颗粒部分对应的图像灰度值都为0，对应图中的黑色部分。进一步通过计算机三维图像重建得到孔隙空间的三维分布图像，如附图6所示。
4.孔隙/喉道几何信息以及拓扑信息的提取
利用细化算法进行孔隙/喉道大小分布以及拓扑信息的提取，细化算法的步骤为：
①将研究区域以外的所有体素标记为-1，将所有岩石颗粒对应的体素标记为0(即该层体素的燃烧数为0)，而所有孔隙空间对应的体素标记为1，如附图7(a)所示。
②赋值k＝1，沿着燃烧方向，将所有紧连着具有燃烧数为k-1体素的孔隙空间对应的体素(尚未标记燃烧数)标记为k，对于每个这样的体素，记录其相邻的燃烧数为k-1的体素的相对位置，如附图7(b)所示。
③赋值k＝k+1，重复步骤②，直到燃烧结束。
最终通过细化得到孔隙空间中的节点和路径分布，如附图8所示。其中，节点表示了孔隙所处的位置，而路径则表示了连接相邻两个孔隙之间的流动通道，在路径上存在的面积最小截面即为喉道截面。与每个孔隙相连的路径数目即为孔隙配位数，节点的燃烧数即为孔隙半径，路径长度即为喉道长度。
5.网络模型的建立
依照网络模型规则对孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息进行修正，具体包括：
①网络模型中每个喉道对应到唯一的一组和它相连的孔隙修正：如果两个孔隙之间可能会存在多个喉道相连，那么需要根据Poiseuille定律，考虑形状因子的影响，对喉道的面积、形状、长度进行等效计算；
②网络模型中喉道的长度修正：通过细化算法得到的喉道长度包括了一部分孔隙半径的长度，而网络模型中喉道的长度不包含孔隙半径的长度，因而需要根据其连接关系消除孔隙半径的影响；
③喉道形状的修正：由于网络模型喉道形状只能是三角形、圆形和正方形，因而需要根据形状因子进行近似处理；
④孔隙形状和半径的修正：孔隙的形状因子主要根据其连接的喉道形状进行面积加权平均计算，然后按照类似修正喉道形状的方法进行近似。进一步根据喉道所占空间大小以及孔隙的形状计算孔隙半径。
最终得到的网络模型如附图9所示，图中球体代表了孔隙，线段代表了连接孔隙之间的喉道。附图9主要显示出孔隙和喉道的拓扑关系，事实上，每个孔隙和喉道都具有不同的形状和大小。
表1建立的网络模型基本参数
附图10为本发明网络模型提取流程图。与其他方法相比，本发明实现了CT三维图像信息向孔隙/喉道大小分布以及拓扑信息的转化，建立与真实岩石相吻合的网络模型，可有效地用于真实岩石孔隙空间及其渗流特性的描述和数字化管理。
Claims (1)
1.一种基于连续切片图像的网络模型建立方法，其特征在于：对微观模型内部一组连续的二维切片图像进行图像处理，进而分割出岩石颗粒和孔隙空间，在对孔隙空间进行三维图像重建的基础上，提取孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息，最终建立网络模型，按如下过程实现：
(1)通过CT扫描手段获取微观模型内部一组连续的二维切片图像；
(2)确定研究的矩形区域，对图像进行亮度调整、对比度调整、锐化操作，进而在图像重建方向上利用距离加权平均方法进行图像插值；
(3)利用指示克里金方法提取出图像中的岩石部分和孔隙空间部分，首先以岩心实测孔隙度参数为标准，与图像中灰度值频率分布曲线相结合确定基础阈值，然后再给定两个阈值T0和T1，它们的取值范围分别为基础阈值的75％～85％和120％～130％；将需要识别的图像按以下规则确定：对于灰度值小于T0的部分就标记为孔隙空间；对于灰度值大于T1的部分就标记岩石颗粒；对于灰度值介于T0和T1之间的部分，就根据指示变量计算该处条件概率的线性概率，分割出相应的孔隙空间和岩石颗粒部分，分割图像完成后，进一步通过计算机三维图像重建得到孔隙空间的三维分布图像；
(4)对上述步骤得到的孔隙空间部分利用细化算法得到节点和路径，并进一步结合形态学、拓扑学原理对节点和路径数据，根据体素的空间分布计算节点的位置，与每个孔隙相连的路径的数目、节点的燃烧数、路径的长度、节点和路径的数目，得到喉道以及孔隙的几何参数和拓扑结构；
(5)利用计算机图像处理中的细化算法进行细化操作，根据Poiseuille定律、网络模型中孔隙空间大小不变原理、孔隙之间喉道的唯一性、孔隙和喉道形状因子等价这些原则对提取的孔隙和喉道大小分布以及拓扑结构进行修正，具体步骤包括：
a.网络模型中每个喉道对应到唯一的一组和它相连的孔隙修正：如果两个孔隙之间存在多个喉道相连，那么需要根据Poiseuille定律，考虑形状因子的影响，对喉道的面积、形状、长度进行等效计算，其中，孔隙和喉道形状因子G定义为它们的截面面积A和周长P的函数，即
G＝A/P2
b.网络模型中喉道的长度修正：通过细化算法得到的喉道长度包括了一部分孔隙半径的长度，而网络模型中喉道的长度不包含孔隙半径的长度，因而需要根据其连接关系消除孔隙半径的影响；
c.喉道形状的修正：由于网络模型喉道形状只能是三角形、圆形和正方形，因而需要根据形状因子进行近似处理；
d.孔隙形状和半径的修正：孔隙的形状因子根据其连接的喉道形状进行面积加权平均计算，然后按照类似修正喉道形状的方法进行近似，进一步根据喉道所占空间大小以及孔隙的形状计算孔隙半径；
(6)依照网络模型规则对孔隙和喉道大小分布以及拓扑信息进行修正后，得到以节点和路径这样的拓扑结构来表示的孔隙空间分布信息，其中，节点表示了孔隙所处的位置，而路径则表示了连接相邻两个孔隙之间的流动通道，路径上面积最小的截面即为喉道截面，与每个孔隙相连的路径数目即为孔隙配位数，节点的燃烧数即为孔隙半径，路径长度即为喉道长度，最终建立起网络模型。
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| CN1545043A (zh) * | 2003-11-10 | 2004-11-10 | 魏 茹 | 可视化电子图书馆 |
| CN1746896A (zh) * | 2005-10-14 | 2006-03-15 | 清华大学 | 基于vrml模型的有约束协同装配工艺规划的仿真方法 |
-
2009
- 2009-05-16 CN CN2009100156042A patent/CN101556703B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5913052A (en) * | 1997-01-24 | 1999-06-15 | Lucent Technologies Inc. | System and method for debugging digital signal processor software with an architectural view and general purpose computer employing the same |
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