CN106153507B - 一种测试压裂支撑剂圆球度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，属于油气田开发技术领域，本发明采用体视显微镜完成数据采集工作，节省了人力，自动化程度高；采用原始定义测试方式，以圆度初始定义为出发点计算颗粒圆球度，测试精度高；借助混合编程数据处理技术，提高了计算速度和精度；克服了不同分辨率颗粒圆球度差距大的问题；解决了现有技术测试数量少、速度慢、精度低等缺点，提高了支撑剂颗粒的检测水平；有力地支持了现场压裂技术的开展。
Description
技术领域
本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种测试压裂支撑剂圆球度的方法。
背景技术
压裂支撑剂是油田开发过程中压裂环节使用到的重要材料。支撑剂性能的优劣直接关系到在闭合压力下的裂缝导流能力，对地层压裂起到非常重要的作用。支撑剂圆球度是压裂支撑剂性能评价的重要参数。在QSH 1020 1598-2008压裂支撑剂性能指标及测定方法、QSY 125-2007压裂支撑剂性能制表及评价测试方法、SYT 5108-200压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法等标准中，评价方法都采用了图版对比法，此方法存在误差大、主观性强及测试时间长等缺点。近几年也出现了使用计算机图像采集与公式计算相结合的方法，计算速度和客观性得到了很大提高，但其测试精度低；而不同分辨率下颗粒的圆球度计算结果差距较大。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，设计合理，克服了不同分辨率颗粒圆球度差距大的问题，增加了圆球度的测试精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，采用体视显微镜，包括如下步骤：
步骤1：通过体视显微镜对多粒支撑剂颗粒进行图像采集，并对采集的图像初步预处理，根据图像特征判断支撑剂颗粒的类型；
若：判断结果是支撑剂颗粒为石英砂类支撑剂颗粒，则执行步骤2；
或判断结果是支撑剂颗粒为陶瓷类支撑剂颗粒，则执行步骤3；
步骤2：通过计算支撑剂颗粒的轮廓上所有角点处的内切圆半径，计算支撑剂颗粒的圆度；通过计算支撑剂颗粒的轮廓的长轴、短轴，计算支撑剂颗粒的球度，具体包括如下步骤：
步骤2.1：图像预处理：去噪、二值化，并获取轮廓点集；
采用自动阈值法将图像二值化，使用二维中值滤波法去除图像噪声，从预处理完成的图像中获取单一支撑剂颗粒的轮廓，并记录轮廓点；
步骤2.2：曲线平滑处理；
步骤2.3：角点判定；
步骤2.4：计算圆度；
步骤2.5：计算球度；
步骤3：通过计算支撑剂颗粒的周长、面积以及最小外接圆的半径，计算支撑剂颗粒的圆度和球度，具体包括如下步骤：
步骤3.1：图像预处理：去噪、二值化；
步骤3.2：图像闭处理，消除尖锐角；
通过设置结构元素消除轮廓线上的凸起，使轮廓线更光滑；
步骤3.3：曲线平滑处理；
步骤3.4：计算支撑剂颗粒的周长、面积以及最小外接圆的半径；
步骤3.5：根据公式(3)计算圆度，根据公式(4)计算球度；
其中，P为支撑剂颗粒的周长、S为支撑剂颗粒的面积、R为最小外接圆的半径。
优选地，在步骤2.2中，具体包括：
步骤2.2.1：特征点检测
使用Harris角点检测算子对轮廓点集中的点进行特征点检测，获取图像轮廓特征点；
步骤2.2.2：曲线拟合
以图像轮廓特征点为边界，将轮廓线分成若干区间；计算各区间内的三次贝塞尔曲线的控制点，最终获得各区间的贝塞尔曲线，按照各个区间在总区间内的比例，获取各区间点个数，记录点总个数。
优选地，在步骤2.3中，具体包括：
步骤2.3.1：以O为轮廓线的中心点，Pi-1、Pi、Pi+1分别为轮廓线上连续的三个点，令直线OPi与直线Pi-1Pi+1的交点Pj；
步骤2.3.2：将线段Pi-1Pi+1的长度‖Pi-1Pi+1‖与线段OPj的长度||OPj||进行比较，如果||OPj||>‖Pi-1Pi+1‖，则Pj为角点；反之，则为非角点。
优选地，在步骤2.4中，具体包括：
步骤2.4.1：计算角点内切圆半径，具体包括如下步骤：
步骤2.4.1.1：设定点集合
假设轮廓线上共有点P1、P2、P3……Pn，假设计算过程中使用到的点集合为P1、P2、P3……Pn、Pn+1……Pn+n/2，其中Pn+1＝P1，Pn+2＝P2……Pn+n/2＝Pn/2；
步骤2.4.1.2：角点内切圆拟合
使用非线性最小二乘法对点集进行拟合，拟合出的曲线以误差的平方和最小为准则，记录拟合圆的半径和圆心；
步骤2.4.1.3：角点内切圆判定
计算拟合圆的圆心到轮廓上点的距离与拟合圆半径的比值，判断此处拟合圆是否为内切圆；若：判断结果是此处拟合圆不为内切圆，则删除最后一个点，继续对剩余的点集拟合判定，直至剩余2个点为止；若无满足条件的内切圆，则删除第一个点，继续对剩余的点集拟合判定，直至剩余2个点为止；记录所有满足条件的内切圆半径集合{rm}，其中，m为满足上述条件的内切圆个数；
步骤2.4.2：计算角点最大内切圆半径，具体包括如下步骤：
步骤2.4.2.1：根据轮廓点集构造泰森多边形；
步骤2.4.2.2：判定获取轮廓内的泰森多边形顶点集合；
步骤2.4.2.3：计算顶点集合中的每一个点到轮廓点的最短距离；
步骤2.4.4.4：查找最短距离中的最小值，即为最大内切圆半径rmax；
步骤2.4.3：根据公式(1)计算圆度；
其中，rm—角点内切圆半径；rmax—最大内切圆半径；m—内切圆个数。
优选地，在步骤2.5中，具体包括：
步骤2.5.1：构造轮廓点的最小外接矩形，获得轮廓的长轴、短轴；
步骤2.5.2：根据公式(2)计算球度：
其中，width为轮廓的短轴；length为轮廓的长轴。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明提出了一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，与现有技术相比，本发明采用体视显微镜完成数据采集工作，节省了人力，自动化程度高；采用原始定义测试方式，以圆度初始定义为出发点计算颗粒圆球度，测试精度高；借助混合编程数据处理技术，提高了计算速度和精度；克服了不同分辨率颗粒圆球度差距大的问题；解决了现有技术测试数量少、速度慢、精度低等缺点，提高了支撑剂颗粒的检测水平；有力地支持了现场压裂技术的开展。
附图说明
图1为本发明一种测试压裂支撑剂圆球度的方法的流程框图。
图2为本发明的测试结果示例图。
图3为支撑剂圆球度的测试标准模板图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
为解决不同分辨率颗粒圆球度差距大、速度慢、测试精度低等问题。本发明提供了一种测试压裂支撑剂圆球度的方法(如图1所示)，包括以下步骤：
步骤1：抓取20-50粒支撑剂颗粒，使用体视显微镜采集数据图像，图像初步预处理，根据图像特征观察分类处理。
步骤2：若为石英砂类支撑剂颗粒，处理数字图像并获取图像数据信息。通过提取测试颗粒轮廓上所有角点处内切圆半径，求取支撑剂圆度；通过提取测试颗粒长边、短边，计算支撑剂球度。
步骤3：若为陶瓷类支撑剂颗粒，处理数字图像并获取图像数据信息。通过计算测试颗粒周长P、面积S、最小外接圆半径R，计算支撑剂圆球度。
在步骤1中对支撑剂颗粒分类处理的步骤如下：
步骤1.1：图像预处理：去噪、二值化；
步骤1.2：观察图像特征，若颗粒表面光滑的压裂支撑剂，判定为石英砂类颗粒；若颗粒表面高低不平、尖锐角多，判定为陶瓷类颗粒。
在步骤2中对石英砂类支撑剂颗粒计算圆球度的具体步骤如下：
步骤2.1：图像预处理：去噪、二值化、获取轮廓点集；
采用自动阈值法将颗粒图像二值化，使用二维中值滤波法去除图像噪声。从预处理完成的图像中获取单一颗粒的轮廓，将轮廓点保存在数组pointSet[i]{i＝0,1,2……}中。
步骤2.2：曲线平滑处理，，具体包括：
步骤2.2.1：特征点检测
使用Harris角点检测算子对pointSet[i]中点进行特征点检测，获取图像轮廓特征点。
步骤2.2.2：曲线拟合
以特征点为边界，将轮廓线分成若干区间；计算各区间内的三次贝塞尔曲线的控制点(A0、B0)，最终获得各区间的贝塞尔曲线。按照各个区间在总区间内的比例，获取各区间点个数，点总个数为n。
步骤2.3：角点判定，，具体包括：
步骤2.3.1：以O为轮廓线的中心点，Pi-1、Pi、Pi+1分别为轮廓线上连续的三个点，令直线OPi与直线Pi-1Pi+1的交点Pj；
步骤2.3.2：将线段Pi-1Pi+1的长度‖Pi-1Pi+1‖与线段OPj的长度||OPj||进行比较，如果||OPj||>‖Pi-1Pi+1‖，则Pj为角点；反之，则为非角点。
步骤2.4：计算角点内切圆半径、最大内切圆，计算圆度，具体包括：
步骤2.4.1：计算角点内切圆半径
步骤2.4.1.1：设定点集合
假设轮廓线上共有点P1、P2、P3……Pn，假设计算过程中使用到的点集合为P1、P2、P3……Pn、Pn+1……Pn+n/2，其中Pn+1＝P1，Pn+2＝P2……Pn+n/2＝Pn/2；
步骤2.4.1.2：角点内切圆拟合
使用非线性最小二乘法对点集进行拟合，拟合出的曲线以误差的平方和最小为准则，迭代算法采用高斯—牛顿迭代法，其具有收敛快，精确度高的优点。记录拟合圆的半径r’、圆心o’；
步骤2.4.1.3：角点内切圆判定
计算拟合圆的圆心o’到轮廓上点的距离与拟合圆半径r’的比值，即若满足当k∈(i,j)，且当 判定此处拟合圆为内切圆。若不满足，删除最后一个点，继续对剩余的点集(即{Pi-Pj-1})拟合判定，直至剩余2个点为止；若无满足条件的内切圆，则对点集{Pi-1-Pj}拟合判定，直至剩余2个点为止。最终记录所有满足条件的内切圆半径集合{rm}，m为满足以上条件的内切圆个数。
步骤2.4.2：计算角点最大内切圆半径，具体包括：
步骤2.4.2.1：根据轮廓点集构造泰森多边形；
步骤2.4.2.2：判定获取轮廓内的泰森多边形顶点集合{vi}；
步骤2.4.2.3：计算顶点集合{vi}中的每一个点到轮廓点的最短距离{dI}；
步骤2.4.4.4：查找最短距离{dI}中的最小值，即为最大内切圆半径rmax。
步骤2.4.3：根据公式(1)计算圆度；
其中，rm—角点内切圆半径；rmax—最大内切圆半径；m—内切圆个数。
步骤2.5：计算图像长轴、短轴，计算球度，具体包括：
步骤2.5.1：借助函数minboundrect()构造轮廓点的最小外接矩形，获得轮廓的长轴、短轴；
步骤2.5.2：根据公式(2)计算球度：
其中，width为轮廓的短轴；length为轮廓的长轴。
在步骤3中对陶瓷类支撑剂颗粒计算圆球度的具体步骤如下：
步骤3.1：图像预处理：去噪、二值化；
步骤3.2：图像闭处理，消除尖锐角；
借助函数imclose(bw,Se)，通过设置结构元素Se消除轮廓线上的微小凸起，使轮廓线更光滑。
步骤3.3：曲线平滑处理；
步骤3.4：计算支撑剂颗粒的周长P、面积S以及最小外接圆的半径R；
步骤3.5：根据公式(3)计算圆度，根据公式(4)计算球度；
其中，P为支撑剂颗粒的周长、S为支撑剂颗粒的面积、R为最小外接圆的半径。
实施例2：
本实施在实施例1的基础上对本发明进行了具体说明。本发明借助软件Fracture_PRS 1.0平台完成。
第一步，采用体视显微镜获取颗粒点图像，借助软件初步预处理；
第二步，如步骤2所述计算模板中颗粒圆球度得出测试结果如图2所示。
将图2中的测试结果与图3中的标准模板图进行对比，可知所测试结果满足实验需求，精度高、速度快。
本发明采用体视显微镜完成数据采集工作，节省了人力，自动化程度高；采用原始定义测试方式，以圆度初始定义为出发点计算颗粒圆球度，测试精度高；借助混合编程数据处理技术，提高了计算速度和精度；克服了不同分辨率颗粒圆球度差距大的问题；解决了现有技术测试数量少、速度慢、精度低等缺点，提高了支撑剂颗粒的检测水平；有力地支持了现场压裂技术的开展。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，其特征在于：采用体视显微镜，包括如下步骤：
步骤1：通过体视显微镜对多粒支撑剂颗粒进行图像采集，并对采集的图像初步预处理，根据图像特征判断支撑剂颗粒的类型；
若：判断结果是支撑剂颗粒为石英砂类支撑剂颗粒，则执行步骤2；
或判断结果是支撑剂颗粒为陶瓷类支撑剂颗粒，则执行步骤3；
步骤2：通过计算支撑剂颗粒的轮廓上所有角点处的内切圆半径，计算支撑剂颗粒的圆度；通过计算支撑剂颗粒的轮廓的长轴、短轴，计算支撑剂颗粒的球度，具体包括如下步骤：
步骤2.1：图像预处理：去噪、二值化，并获取轮廓点集；
采用自动阈值法将图像二值化，使用二维中值滤波法去除图像噪声，从预处理完成的图像中获取单一支撑剂颗粒的轮廓，并记录轮廓点；
步骤2.2：曲线平滑处理；
步骤2.3：角点判定；
步骤2.4：计算圆度；具体包括：
步骤2.4.1：计算角点内切圆半径，具体包括如下步骤：
步骤2.4.1.1：设定点集合
假设轮廓线上共有点P1、P2、P3……Pn，假设计算过程中使用到的点集合为P1、P2、P3……Pn、Pn+1……Pn+n/2，其中Pn+1＝P1，Pn+2＝P2……Pn+n/2＝Pn/2；
步骤2.4.1.2：角点内切圆拟合
使用非线性最小二乘法对点集进行拟合，拟合出的曲线以误差的平方和最小为准则，记录拟合圆的半径和圆心；
步骤2.4.1.3：角点内切圆判定
计算拟合圆的圆心到轮廓上点的距离与拟合圆半径的比值，判断此处拟合圆是否为内切圆；若：判断结果是此处拟合圆不为内切圆，则删除最后一个点，继续对剩余的点集拟合判定，直至剩余2个点为止；若无满足条件的内切圆，则删除第一个点，继续对剩余的点集拟合判定，直至剩余2个点为止；记录所有满足条件的内切圆半径集合{rm}，其中，m为满足上述条件的内切圆个数；
步骤2.4.2：计算角点最大内切圆半径，具体包括如下步骤：
步骤2.4.2.1：根据轮廓点集构造泰森多边形；
步骤2.4.2.2：判定获取轮廓内的泰森多边形顶点集合；
步骤2.4.2.3：计算顶点集合中的每一个点到轮廓点的最短距离；
步骤2.4.2 .4：查找最短距离中的最小值，即为最大内切圆半径rmax；
步骤2.4.3：根据公式(1)计算圆度；
其中，rm—角点内切圆半径；rmax—最大内切圆半径；m—内切圆个数；
步骤2.5：计算球度；
步骤3：通过计算支撑剂颗粒的周长、面积以及最小外接圆的半径，计算支撑剂颗粒的圆度和球度，具体包括如下步骤：
步骤3.1：图像预处理：去噪、二值化；
步骤3.2：图像闭处理，消除尖锐角；
通过设置结构元素消除轮廓线上的凸起，使轮廓线更光滑；
步骤3.3：曲线平滑处理；
步骤3.4：计算支撑剂颗粒的周长、面积以及最小外接圆的半径；
步骤3.5：根据公式(3)计算圆度，根据公式(4)计算球度；
其中，P为支撑剂颗粒的周长、S为支撑剂颗粒的面积、R为最小外接圆的半径。
2.根据权利要求1所述的测试压裂支撑剂圆球度的方法，其特征在于：在步骤2.2中，具体包括：
步骤2.2.1：特征点检测
使用Harris角点检测算子对轮廓点集中的点进行特征点检测，获取图像轮廓特征点；
步骤2.2.2：曲线拟合
以图像轮廓特征点为边界，将轮廓线分成若干区间；计算各区间内的三次贝塞尔曲线的控制点，最终获得各区间的贝塞尔曲线，按照各个区间在总区间内的比例，获取各区间点个数，记录点总个数。
3.根据权利要求1所述的测试压裂支撑剂圆球度的方法，其特征在于：在步骤2.3中，具体包括：
步骤2.3.1：以O为轮廓线的中心点，Pi-1、Pi、Pi+1分别为轮廓线上连续的三个点，令直线OPi与直线Pi-1Pi+1的交点Pj；
步骤2.3.2：将线段Pi-1Pi+1的长度‖Pi-1Pi+1‖与线段OPj的长度||OPj||进行比较，如果||OPj||>‖Pi-1Pi+1‖，则Pj为角点；反之，则为非角点。
4.根据权利要求1所述的测试压裂支撑剂圆球度的方法，其特征在于：在步骤2.5中，具体包括：
步骤2.5.1：构造轮廓点的最小外接矩形，获得轮廓的长轴、短轴；
步骤2.5.2：根据公式(2)计算球度：
其中，width为轮廓的短轴；length为轮廓的长轴。
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| 《压裂支撑剂球度与圆度测量分析》;张学军.;《辽宁工程技术大学学报》;20061231;第25卷(第6期);第827-829页 * |
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| CN106153507A (zh) | 2016-11-23 |
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