CN104819915A - 一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气田压裂支撑剂检验技术领域，具体涉及一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，步骤如下：1)立体显微镜拍摄支撑剂颗粒图像；2)根据立体显微镜显示的颗粒信息计算支撑剂的圆度、球度；3)通过图像处理方法得出每粒支撑剂与标准模板20个颗粒的匹配度；4)匹配度最高的标准模板中的颗粒圆度、球度即为支撑剂颗粒的圆度、球度值。本发明解决了现有技术支撑剂颗粒圆度、球度测试效率低、准确度低误差大的问题，大大降低劳动强度以及人为因素对检验结果的影响，防止圆度、球度不合格的支撑剂进入油气田生产现场。

Description

一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法

技术领域

本发明属于油气田压裂支撑剂检验技术领域，具体涉及一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法。

背景技术

压裂支撑剂的作用在于充填压裂产生的人工裂缝，在地层形成高导流能力的油气渗流通道，支撑剂的性能和在不同地层条件对支撑剂裂缝的渗透率的影响差异较大。

支撑剂的球度和圆度对支撑剂的性能评价有很重要的影响，是正确选择和使用支撑剂的基础之一。依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5108-1997《压裂支撑剂性能测试推荐方法》定义：支撑剂的球度是指支撑剂颗粒接近球星的程度；支撑剂的圆度是指其棱角的相对锐角和曲率的量度。在实际的压裂支撑剂圆球度测试过程中，主要使用本标准推荐的API RP56和API RP60中Krumbein与Sloss1963年发表的球度、圆度图版。具体的操作方法是：在被测试的支撑剂样品中任意取出20～30粒支撑剂，放在实体显微镜下观察，或拍下显微照片。根据图版人工确定每粒支撑剂颗粒的球度和圆度，最后再计算这批支撑剂样品颗粒的平均球度与平均圆度。

目前，健雄职业技术学院的张学军为了科学准确评价支撑剂的性能，采用理论分析和实验的方法，通过颗粒投影数学图像的面积和周长的求解，推导了压裂支撑剂球度和圆度的算法，揭示了它们的特征规律，突破了用传统手工和显微镜方法的测量方法，见文献“张学军.压裂支撑剂球度与圆度测量分析.辽宁工程技术大学学报,2006,25(6):827-829.”。

目前，上述现有的方法主要存在以下三个缺点：

(1)二维实体显微镜只能观察到支撑剂的一个面，无法准确判断出圆度与球度值；

(2)人为因素影响较大，存在较大判定误差；

(3)人工观测、计算20～30粒支撑剂圆球度平均值，效率低；

(4)利用颗粒投影数字图像的面积和周长计算颗粒球度和圆度的方法，直接计算模版中20个颗粒的圆度和球度值，所得数据与标准值相差较大，该方法只能揭示圆度和球度值的变化趋势，无法直接应用到实践中。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术支撑剂颗粒圆度、球度测试效率低、准确度低误差大的问题。

为此，本发明提供了一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，包括如下步骤：

步骤1)，人工随机选取20～30粒支撑剂颗粒放在立体显微镜下观察，并拍摄图片；

步骤2)，根据立体显微镜所显示的每粒支撑剂颗粒的长度、宽度和面积，求出每粒支撑剂颗粒的圆度和球度值；

步骤3)，对于立体显微镜所拍摄的每粒支撑剂颗粒，利用图像匹配方法与标准模版中的20个支撑剂颗粒图像进行匹配，计算每个支撑剂颗粒相对于标准模版中的每个颗粒图像的匹配度；

所述匹配度的计算按如下步骤进行：

(1)对标准模版中的20个支撑剂颗粒图像进行处理；

(2)采用每一粒支撑剂颗粒图像中颗粒边缘和标准模版中20个支撑剂颗粒图像边缘的相似性作为两幅图像中颗粒边缘的相似性判定度量；

相似性公式为：S＝|p_j-p_i|

其中，p_i为标准模板中任意一个模板图像颗粒边缘的特征向量，p_j表示待检测的支撑剂颗粒图像中颗粒边缘的特征向量，S为相似度；

步骤4)，以步骤2)计算所得的支撑剂的圆度和球度值为参考，根据步骤3)求得的每粒支撑剂颗粒与标准模版中20个支撑剂颗粒的匹配度，取标准模版中匹配度最高的支撑剂颗粒图像的圆度和球度值作为该粒支撑剂颗粒的圆度和球度值。

所述步骤(1)中对标准模版中的20个支撑剂颗粒的图像处理过程按如下步骤进行：

①二值化每一幅模板图像，并检测每一幅图像中支撑剂颗粒的边缘；

②计算颗粒边缘的最大内接圆和最小外接圆的直径之比；

③对检测到的边缘进行角点检测；

④计算每个角点所处位置相邻两边的夹角；

⑤计算相邻两个角点的直线距离和实际距离之比；

⑥生成每一个模板颗粒的特征向量并保存。

所述步骤⑤具体如下：

分别计算相邻两个角点(x_i,y_i)和(x_i+1,y_i+1)的直线距离Dis₁和实际距离Dis₂，并计算两者之间的比值R＝Dis₁/Dis₂

       ${\mathrm{Dis}}_1=\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}$

Dis₂为两个角点(x_i,y_i)和(x_i+1,y_i+1)之间实际间隔的像素个数。

所述步骤⑥具体如下，每一颗粒的特征向量包含以下信息：

{p|直径比D_in/D_out，角点个数，夹角θ，距离比R}。

所述步骤(2)中实际颗粒与标准模板颗粒相似度测定过程具体如下：得到待测定的实际颗粒其特征向量，并将该特征向量与标准模板中的20幅图像对应的特征向量相对比，相似度最高的模板图像对应的圆度和球度值即为该实际颗粒的圆度和球度值，其中，在球度测定中主要利用直径比D_in/D_out信息，圆度测定中依次利用夹角θ，角点个数，距离比R信息。

本发明的有益效果是：本发明采用了立体显微镜对支撑剂颗粒进行拍摄，并利用数字图象处理的方法对支撑剂颗粒图像进行处理，进而求得支撑剂颗粒的圆度和球度，与现有技术相比具有如下优点：

(1)利用立体显微镜进行支撑剂颗粒图像的拍摄能够比普通显微镜获得更多的支撑剂颗粒的有效信息；

(2)利用数字图象处理方法中的图像匹配技术所求得的支撑剂圆度和球度值比人工判定的精度要高；

(3)利用所发明的设备进行压裂支撑剂圆度和球度的判定自动化程度和效率非常高，极大地节省了人力成本；

(4)防止圆度和球度值小于0.8的支撑剂颗粒进入油气田生产现场。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2是本发明中图像处理的流程图；

图3是实施例2测试的支撑剂颗粒图像；

图4是本发明压裂支撑剂对比标准模版。

具体实施方式

实施例1：

为了解决现有技术支撑剂颗粒圆度、球度测试效率低、准确度低误差大的问题。本实施例提供了一种如图1所示的压裂支撑剂圆度、球度测试方法，包括如下步骤：

步骤1)，人工随机选取20～30粒支撑剂颗粒放在立体显微镜下观察，并拍摄图片；

步骤2)，根据立体显微镜所显示的每粒支撑剂颗粒的长度、宽度和面积，求出每粒支撑剂颗粒的圆度和球度值；

步骤3)，对于立体显微镜所拍摄的每粒支撑剂颗粒，利用图像匹配方法与《SYT 5108-2006压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》标准模版中的20个支撑剂颗粒图像进行匹配，计算每个支撑剂颗粒相对于标准模版中的每个颗粒图像的匹配度；匹配度的计算按如下步骤进行：

(1)对标准模版中的20个支撑剂颗粒图像进行处理，过程如下：

①二值化每一幅模板图像，并检测每一幅图像中支撑剂颗粒的边缘：首先采用大津阈值法对图像进行二值化，然后采用Canny算子对图像进行边缘检测，并保存所有边缘点的坐标{(x,y)|(x_i,y_i)}，其中(x_i,y_i)表示任一边缘点的坐标；

②计算颗粒边缘的最大内接圆和最小外接圆的直径之比：对提取的边缘内部区域进行距离变换，最大内接圆的圆心是图像中心线上距离边缘最远的点，利用边缘收缩方法，求取最大内接圆的直径D_in；

利用Hough变换对提取的边缘进行圆形适配，求得最小外接圆的直径D_out，并计算每一个颗粒的最大内接圆和最小外接圆的直径比D_in/D_out；

③对检测到的边缘进行角点检测：利用Harris角点检测方法检测每一幅颗粒边缘的角点，并存储其位置信息；

④计算每个角点所处位置相邻两边的夹角：根据颗粒边缘的周长的长短，取角点前后各10-20(周长较长的边缘，取的像素点数量可多；周长较短的边缘，取的像素点数量可少)个像素拟合出两条直线段，分别为y₁＝k₁x+b₁和y₂＝k₂x+b₂，计算两条直线段的夹角θ＝arctan(|(k₁-k₂)/(1+k₁k₂)|)，由于夹角计算公式得到的值区间为[0,90°]，因此需要根据两条拟合直线的实际位置关系确定角点前后两条直线段的夹角

⑤计算相邻两个角点的直线距离和实际距离之比：分别计算相邻两个角点(x_i,y_i)和(x_i+1,y_i+1)的直线距离Dis₁和实际距离Dis₂，并计算两者之间的比值R＝Dis₁/Dis₂

       ${\mathrm{Dis}}_1=\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}$

Dis₂为两个角点(x_i,y_i)和(x_i+1,y_i+1)之间实际间隔的像素个数；

⑥生成每一个模板颗粒的特征向量并保存：

每一颗粒的特征向量包含以下信息：

{p|直径比D_in/D_out，角点个数，夹角θ，距离比R}；

(2)采用每一粒支撑剂颗粒图像中颗粒边缘和标准模版中20个支撑剂颗粒图像边缘的相似性作为两幅图像中颗粒边缘的相似性判定度量；

相似性公式为：S＝|p_j-p_i|

其中，p_i为标准模板中任意一个模板图像颗粒边缘的特征向量，p_j表示待检测的支撑剂颗粒图像中颗粒边缘的特征向量，S为相似度；

步骤4)，以步骤2)计算所得的支撑剂的圆度和球度值为参考，根据步骤3)求得的每粒支撑剂颗粒与标准模版中20个支撑剂颗粒的匹配度，取标准模版中匹配度最高的支撑剂颗粒图像的圆度和球度值作为该粒支撑剂颗粒的圆度和球度值。

其中，步骤(2)中实际颗粒与标准模板颗粒相似度测定过程按如下步骤进行：

得到待测定的实际颗粒其特征向量，并将该特征向量与标准模板中的20幅图像对应的特征向量相对比，相似度最高的模板图像对应的圆度和球度值即为该实际颗粒的圆度和球度值，其中，在球度测定中主要利用直径比D_in/D_out信息，圆度测定中依次利用夹角θ，角点个数，距离比R信息(顺序表示优先级)。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，对本发明的效果做进一步说明。

本实验软件平台为VZCJ1.0，对图3中的各支撑剂颗粒进行处理，其中以序号1的支撑剂颗粒为例：

第一步，提取标准模板中20幅图像的边缘和序号1支撑剂颗粒的边缘；

第二步，利用步骤2)中方法计算序号1支撑剂颗粒的圆度和球度，具体见表1；

表1支撑剂球度圆度计算结果

      

序号	1	2	3	4	5	6	7	平均值
									球度	0.9	0.9	0.9	0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
圆度	0.9	0.9	0.9	0.9	0.9	0.7	0.9	0.87

第三步，利用步骤3)中方法分别求得标准模板中20幅图像的所有特征点的特征向量和序号1支撑剂颗粒图像中所有点的特征向量；

第四步，计算序号1支撑剂颗粒图像中所有特征点的特征向量与20幅标准模板图像中所有特征点的特征向量的欧式距离，并利用欧氏距离判定序号1支撑剂颗粒图像与20幅标准模板图像的匹配度，计算结果如表2所示。

表2序号1支撑剂颗粒与2幅标准模板图像的匹配度

      

根据匹配度发现：序号1支撑剂颗粒与第一行第五列的标准模板最为相似，因此取该模板的圆度和球度值作为序号1支撑剂颗粒的圆度和球度，即均为0.9。

图中序号1～5、7的颗粒都与对比模板图4中第一行第五列的图形最接近，因此圆度和球度值为0.9，序号6的颗粒边缘存在一个突起点，因此圆度稍低，判为0.7，但这7颗支撑剂的平均圆度和平均球度仍在0.8以上，满足实际需要。

本发明没有详细叙述的测试方法为本领域内常用的测试方法或现有方法，在此不一一叙述。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，人工随机选取20～30粒支撑剂颗粒放在立体显微镜下观察，并拍摄图片；

步骤2)，根据立体显微镜所显示的每粒支撑剂颗粒的长度、宽度和面积，求出每粒支撑剂颗粒的圆度和球度值；

步骤3)，对于立体显微镜所拍摄的每粒支撑剂颗粒，利用图像匹配方法与标准模版中的20个支撑剂颗粒图像进行匹配，计算每个支撑剂颗粒相对于标准模版中的每个颗粒图像的匹配度；

所述匹配度的计算按如下步骤进行：

(1)对标准模版中的20个支撑剂颗粒图像进行处理；

(2)采用每一粒支撑剂颗粒图像中颗粒边缘和标准模版中20个支撑剂颗粒图像边缘的相似性作为两幅图像中颗粒边缘的相似性判定度量；

相似性公式为：S＝|p_j-p_i|

其中，p_i为标准模板中任意一个模板图像颗粒边缘的特征向量，p_j表示待检测的支撑剂颗粒图像中颗粒边缘的特征向量，S为相似度；

步骤4)，以步骤2)计算所得的支撑剂的圆度和球度值为参考，根据步骤3)求得的每粒支撑剂颗粒与标准模版中20个支撑剂颗粒的匹配度，取标准模版中匹配度最高的支撑剂颗粒图像的圆度和球度值作为该粒支撑剂颗粒的圆度和球度值。

2.根据权利要求1所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中对标准模版中的20个支撑剂颗粒的图像处理过程按如下步骤进行：

①二值化每一幅模板图像，并检测每一幅图像中支撑剂颗粒的边缘；

②计算颗粒边缘的最大内接圆和最小外接圆的直径之比；

③对检测到的边缘进行角点检测；

④计算每个角点所处位置相邻两边的夹角；

⑤计算相邻两个角点的直线距离和实际距离之比；

⑥生成每一个模板颗粒的特征向量并保存。

3.根据权利要求2所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤①具体如下：

首先采用大津阈值法对图像进行二值化，然后采用Canny算子对图像进行边缘检测，并保存所有边缘点的坐标{(x,y)|(x_i,y_i)}，其中(x_i,y_i)表示任一边缘点的坐标。

4.根据权利要求2所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤②具体如下：

对提取的边缘内部区域进行距离变换，最大内接圆的圆心是图像中心线上距离边缘最远的点，利用边缘收缩方法，求取最大内接圆的直径D_in；

利用Hough变换对提取的边缘进行圆形适配，求得最小外接圆的直径D_out，并计算每一个颗粒的最大内接圆和最小外接圆的直径比D_in/D_out。

5.根据权利要求2所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤③具体如下：

利用Harris角点检测方法检测每一幅颗粒边缘的角点，并存储其位置信息。

6.根据权利要求2所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤④具体如下：

根据颗粒边缘的周长的长短，取角点前后各10-20个像素拟合出两条直线段，分别为y₁＝k₁x+b₁和y₂＝k₂x+b₂，计算两条直线段的夹角θ＝arctan(|(k₁-k₂)/(1+k₁k₂)|)，由于夹角计算公式得到的值区间为[0,90°]，因此需要根据两条拟合直线的实际位置关系确定角点前后两条直线段的夹角

7.根据权利要求2所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤⑤具体如下：

分别计算相邻两个角点(x_i,y_i)和(x_i+1,y_i+1)的直线距离Dis₁和实际距离Dis₂，并计算两者之间的比值R＝Dis₁/Dis₂

${\mathrm{Dis}}_1=\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{\left(y_i{-y}_{i+1}\right)}^2}$

Dis₂为两个角点(x_i,y_i)和(x_i+1,y_i+1)之间实际间隔的像素个数。

8.根据权利要求2所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤⑥具体如下：

每一颗粒的特征向量包含以下信息：

{p|直径比D_in/D_out，角点个数，夹角θ，距离比R}。

9.根据权利要求2所述的一种压裂支撑剂圆度、球度测试方法，其特征在于，所述步骤(2)中实际颗粒与标准模板颗粒相似度测定过程按如下步骤进行：

得到待测定的实际颗粒其特征向量，并将该特征向量与标准模板中的20幅图像对应的特征向量相对比，相似度最高的模板图像对应的圆度和球度值即为该实际颗粒的圆度和球度值，其中，在球度测定中主要利用直径比D_in/D_out信息，圆度测定中依次利用夹角θ，角点个数，距离比R信息。