CN106570269A - 一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法 - Google Patents

一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，在细观尺度上利用数字图像处理技术表征页岩中由于方解石矿物的形状、大小及分布对页岩造成的非均匀性，并映射到有限元网格中，结合基于细观结构的岩石破裂过程分析系统RFPA2D‑DIP建立能准确反映页岩细观结构的数值模型。利用该模型进行页岩单轴压缩数值试验，研究在不同方向加载下页岩细观结构对其抗压强度和破坏模式的影响。以解决现有针对页岩抗压强度及破坏模式的研究，很少涉及页岩细观尺度下自身非均匀性引起的应力分布非均匀性和由此诱发的局部破坏问题，难以得到页岩脆性破坏机制的本质的问题。本发明属于岩石力学领域。

Description

一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法
技术领域
本发明涉及一种页岩气勘探开发中基于数字图像的页岩破裂模式的新方法，属于岩石力学领域。
背景技术
针对页岩的抗压强度及破坏模式国内外学者做了比较多的研究，特别是针对页岩在不同围压、不同倾角下的强度、变形与破坏模式等有了很细致的分析，但这些研究都是主要基于页岩的宏观尺度破坏，很少涉及页岩细观尺度下自身非均匀性引起的应力分布非均匀性和由此诱发的局部破坏问题，因此，难以得到页岩脆性破坏机制的本质。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，以解决现有针对页岩抗压强度及破坏模式的研究，很少涉及页岩细观尺度下自身非均匀性引起的应力分布非均匀性和由此诱发的局部破坏问题，难以得到页岩脆性破坏机制的本质的问题。
为解决上述问题，提供一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，其步骤如下：
第一步，用数码相机对页岩进行拍照，获取页岩的表面图像；
第二步，数字图像处理中采用阈值分割或边缘检测的方法对具有不同特征的图像区域进行划分，根据不同的图像特征，选择合适的颜色空间进行图像分割；
第三步，采用数字图像处理技术表征页岩中方解石矿物与页岩基质的空间分布；
第四步，在方解石与基质内部采用统计的方法来描述其非均匀性，建立与有限元模型网格数据之间的关系；
第五步，建立页岩细-微观尺度耦合分析的页岩损伤数值模型；
第六步，利用RFPA2D的破坏过程分析优势，模拟页岩在单轴载荷作用下的破坏过程，研究页岩抗压强度及破坏形态与不同方位角的变化。
前述分析方法的第二步中，对于页岩的图像，选择HSI颜色空间进行图像分割。
前述分析方法的第四步中，假定页岩与方解石内部的细观单元的弹性模量和强度服从Weibull分布，
式中a代表细观单元的力学性质参数；a0是细观单元力学性质的平均值；m是分布函数的形状参数，其物理意义反映材料的均质性，定义为材料的均匀性系数；f(a)为细观单元力学性质a的统计分布密度。
前述分析方法中，在获取页岩数字图像过程中，利用50mmx50mm的正方形框架为工具，然后固定正方形的中心，逆时针方向每隔15°获取1幅页岩数字图像，一共获取7幅图像，分别为方位角α＝0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的数字图像，研究不同方位角下页岩的强度变形特征。
页岩作为一种非均质材料，其宏观力学响应是其内部各细观介质力学响应的总体外在表现，内部细观介质几何分布控制着材料的破裂演化过程。
与现有技术相比，本发明通过数字图像处理技术表征了页岩中常见矿物方解石和页岩基质的空间分布，并且在方解石与基质内部采用统计的方法来描述其非均匀性，然后结合RFPA岩石破裂过程分析系统软件，模拟了页岩在单轴载荷作用下的破坏过程，研究了页岩抗压强度及破裂模式与不同方位角的变化，并分析了页岩声发射空间演化分布规律和分形维数特征与不同方位角的关系。这不仅对海相页岩岩石力学理论体系的建立具有重要的科学价值，而且对南方地区寒武系页岩气的勘探开发具有重要的指导作用和实践意义。
附图说明
图1是实施例的页岩表面图；
图2是图1中AA’扫描线上I值变化曲线图；
图3是实施例阈值分割后的图像；
图4是实施例页岩数字图像转化后的数值模型与网格；
图5是实施例模型加载示意图；
图6是实施例不同方位角下页岩数字图像；
图7是实施例不同方位角下页岩抗压强度和弹性模量变化趋势图；
图8是实施例不同方位角下页岩破裂模式图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述，
实施例：
本实施例提供一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，步骤如下：
第一步，用数码相机对页岩进行拍照，获取页岩的表面图像，在图1中较亮的部分为方解石，较暗的部分为页岩。
第二步，数字图像处理中采用阈值分割或边缘检测的方法对具有不同特征的图像区域进行划分，根据不同的图像特征，选择合适的颜色空间进行图像分割。对于页岩的图像，多为灰度图像，可以选择HSI颜色空间进行图像分割。参照图1中AB线穿过的方解石脉与页岩的位置与图2中曲线的变化情况可以看出，页岩的亮度(I值)在145以下，方解石的亮度在145以上波动，通过反复试验的方法，最终选择I＝145作为区域分割的阈值进行图像分割根据反复调试，选择I值为145进行分割。
第三步，采用数字图像处理技术表征页岩中方解石矿物与页岩基质的空间分布。图3为分割后的结果，黄色表示方解石，浅蓝色表示页岩。由图3可以看出，经过数字图像处理后图像比较准确的反映出方解石脉在页岩中的形状和空间分布。
第四步，在方解石与基质内部采用统计的方法来描述其非均匀性，建立与有限元模型网格数据之间的关系。假定页岩与方解石内部的细观单元的弹性模量和强度服从Weibull分布，
式中这里a代表细观单元的力学性质参数(弹性模量、强度等)；a0是细观单元力学性质的平均值；m是分布函数的形状参数，其物理意义反映材料的均质性，定义为材料的均匀性系数；f(a)为细观单元力学性质a的统计分布密度。通过数字图像处理后的图像转化成的数值模型如图4所示。图中颜色愈亮表示弹性模量愈大
第五步，建立页岩细-微观尺度耦合分析的页岩损伤数值模型。图5是页岩单轴加载示意图。
第六步，利用RFPA2D的破坏过程分析优势，模拟了页岩在单轴载荷作用下的破坏过程，研究了页岩抗压强度及破坏形态与不同方位角的变化。为了研究页岩中细观结构的影响，在获取页岩数字图像过程中，利用50mmx50mm的正方形框架为工具，然后固定正方形的中心，逆时针方向每隔15°获取1幅页岩数字图像，一共获取7幅图像，分别为方位角α＝0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的数字图像，如图6所示，方位角α为方解石脉与水平方向的夹角。试验中，保证页岩试件的细观结构基本相同来研究不同方位角下页岩的强度变形特征。图7为页岩在不同方位角下的抗压强度以及弹性模量变化趋势。图8为不同方位角下页岩破裂模式图。

Claims (4)

1.一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，用数码相机对页岩进行拍照，获取页岩的表面图像；
第二步，数字图像处理中采用阈值分割或边缘检测的方法对具有不同特征的图像区域进行划分，根据不同的图像特征，选择合适的颜色空间进行图像分割；
第三步，采用数字图像处理技术表征页岩中方解石矿物与页岩基质的空间分布；
第四步，在方解石与基质内部采用统计的方法来描述其非均匀性，建立与有限元模型网格数据之间的关系；
第五步，建立页岩细-微观尺度耦合分析的页岩损伤数值模型；
第六步，利用RFPA2D的破坏过程分析优势，模拟页岩在单轴载荷作用下的破坏过程，研究页岩抗压强度及破坏形态与不同方位角的变化。
2.根据权利要求1所述一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，其特征在于：第二步中，对于页岩的图像，选择HSI颜色空间进行图像分割。
3.根据权利要求1所述一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，其特征在于：第四步中，假定页岩与方解石内部的细观单元的弹性模量和强度服从Weibull分布，
f ( a ) = m a 0 ( a a 0 ) m - 1 exp [ - ( a a 0 ) m ]
式中a代表细观单元的力学性质参数；a0是细观单元力学性质的平均值；m是分布函数的形状参数，其物理意义反映材料的均质性，定义为材料的均匀性系数；f(a)为细观单元力学性质a的统计分布密度。
4.根据权利要求1所述一种基于数字图像的页岩破裂模式分析方法，其特征在于：在获取页岩数字图像过程中，利用50mmx50mm的正方形框架为工具，然后固定正方形的中心，逆时针方向每隔15°获取1幅页岩数字图像，一共获取7幅图像，分别为方位角α＝0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的数字图像，研究不同方位角下页岩的强度变形特征。
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