CN109374436B - 一种基于ct图像的水合物沉积物剪切带识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，公开了一种基于CT图像的水合物沉积物剪切带识别方法，通过X射线CT系统和低温高压水合物三轴仪，获得不同轴向应变下水合物沉积物试样纵向CT扫描剖面图。采用图像阈值分割技术方法，将沉积物颗粒从水合物、气体和水等分离出来，并进行二值化处理。对分离出来的沉积物颗粒二值化图像各局部进行颗粒长轴倾角统计，确定颗粒倾角随轴向应变的旋转方向变化，图像中普遍发生顺时针旋转的部分与普遍发生逆时针旋转的部分之间的过渡区即为剪切带。通过此方法实现剪切带位置、厚度以及倾角的测量。该方法识别水合物沉积物剪切带精度高，并获得试样内部剪切带形态变化特征，对研究水合物开采过程储层失稳具有重要意义。

Description

一种基于CT图像的水合物沉积物剪切带识别方法
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物沉积物剪切带识别方法，属于岩土工程技术领域。
背景技术
天然气水合物是非常规油气资源中的一名重要成员，广泛分布于海底和永久冻土层。据估计，其中蕴含的天然气共计1-150×1015m3，相当于目前已探明的煤、石油以及常规天然气碳当量总和的两倍，是全球所有常规天然气总量的10倍以上。通常，气体水合物以胶结的形式存在于储层中，由于它是一种亚稳态物质，温度的升高和压力的降低都极易造成水合物分解，可能导致地层沉降和剪切破坏，最终可能引起海底滑坡等地质灾害，对水合物资源开采工程安全造成了极大的威胁。
滑坡的形成是由于滑移面上的剪应力超过了该滑移面上的抗剪强度所致，而岩土体滑移面的破坏与剪切带的形成密切相关。对于由离散颗粒和相关孔隙组成的沉积层材料，研究其局部变形如剪切带的演变机理对从微观尺度进行力学特性分析和建模有着重要意义。
局部变形试验调查的侧重点主要包含两方面：1、剪切带倾角的影响因素；2、剪切带厚度的影响因素。在此之前，亟需一种能够准确获得剪切带厚度和倾角的识别方法。此前，已有PIV(Particle Image Velocimety)，即粒子图像测试技术，在沉积层剪切带识别中已有应用报道，其基本原理是将土体变形前后拍摄的灰度图像分割成若干均匀网格，将变形前某一网格在变形后图像指定范围内进行全场匹配和相关运算，确定位移场，从而达到识别土体剪切带的目的。但这种方法有着非常大的局限，该方法只能通过土体外部物理形态变化特征识别土体内部剪切带形态变化特征，对于外部无明显物理形态变化特征的土体，PIV方法无法得到其内部剪切带形态变化特征。本发明涉及的剪切带识别方法可以很好的克服这一点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于CT图像的水合物沉积物剪切带识别方法，获得水合物沉积物在剪切变形过程中剪切带的位置、厚度和倾角。
本发明的技术方案：
一种基于CT图像的水合物沉积物剪切带识别方法，该方法主要通过统计水合物沉积物剪切变形过程中颗粒倾角变化的概率累计曲线和优势倾角分布曲线来确定和识别剪切带，步骤如下：
1)结合微焦点X射线CT系统和低温高压水合物三轴仪，获得水合物沉积物试样剪切变形过程中不同轴向应变下纵向CT扫描剖面图；
2)将得到的纵向CT扫描剖面图采用中值滤波去噪提高图像质量，然后进行灰度分布处理，根据密度线性找到沉积层颗粒峰值，对沉积层颗粒峰值中间值进行区域划分出各物质对应的阈值范围；通过分割不相关区域的阈值去除水合物、气体和水等的干扰，将沉积层颗粒从水合物、气体和水等物质中分离出来；然后，对图像进行二值化处理；
3)选取二值化后的试样纵向剖面图的局部，将二值图像信息赋值给矩阵，然后对获得的矩阵使用8通道边缘分割以实现各个颗粒的分离；对图形中的每个颗粒进行最小外接椭圆处理并标号，根据最小外接椭圆的长轴与X轴正方向的夹角实现倾角角度判别，夹角位于X轴上为正，位于X轴下为负，统计颗粒倾角大小；其中，X轴正方向为水平向右方向；
4)对比剪切前后倾角变化概率累计曲线以及优势倾角分布曲线，在相同累计概率下，剪切后颗粒的倾角小于剪切前颗粒倾角，表明颗粒整体有顺时针转动的趋势；剪切后颗粒的倾角大于剪切前颗粒倾角，表明颗粒整体有逆时针转动的趋势；
5)循环执行步骤3)和步骤4)，确定沉积层中各局部普遍发生顺时针旋转的部分与普遍发生逆时针旋转的部分；图像中普遍发生顺时针旋转的部分与普遍发生逆时针旋转的部分之间的过渡区即为剪切带，通过这种方法可以将剪切带的位置、厚度以及倾角确定。
本发明的有益效果：该方法识别水合物沉积物剪切带精度高，并可获得试样内部剪切带形态变化特征，对研究水合物开采过程储层失稳具有重要意义。
附图说明
图1是水合物沉积物灰度值频数分布图。
图2是试样纵向截面图(仅砂土颗粒)。
图3是一种选取过程示意图。
图4是局部试样纵向截面图。
图5是图4选取条件下的倾角变化概率累计曲线。
图6是图4选取条件下的优势倾角分布曲线。
图7是另一种选取过程示意图。
图8是图7选取条件下的倾角变化概率累计曲线。
图9是图7选取条件下的优势倾角分布曲线。
图10(a)是倾角角度为正的示意图。
图10(b)是倾角角度为负的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
一种基于CT图像的水合物沉积物剪切带识别方法，步骤如下：
1)结合微焦点X射线CT系统和低温高压水合物三轴仪，获得水合物沉积物试样剪切变形过程中不同轴向应变下纵向CT扫描剖面图；
2)将得到的纵向CT扫描剖面图采用中值滤波去噪提高图像质量，然后进行灰度分布处理，根据密度线性找到沉积层颗粒峰值，对沉积层颗粒峰值中间值进行区域划分出各物质对应的阈值范围，划分方法如图1；通过分割不相关区域的阈值去除水合物、气体和水等的干扰，将沉积层颗粒从水合物、气体和水等物质中分离出来，分离后图像如图2；然后，对图像进行二值化处理，所得图像如图3；
3)选取二值化后的试样纵向剖面图的局部区域1，如图3所示，将二值图像信息赋值给矩阵，然后对获得的矩阵使用8通道边缘分割以实现各个颗粒的分离；对图形中的每个颗粒进行最小外接椭圆处理并标号，如图4，根据最小外接椭圆的长轴与水平向右方向的夹角(上为正，下为负)实现倾角角度判别，统计颗粒倾角大小；
4)对比局部区域1剪切前后倾角变化概率累计曲线(图5)：在相同累计概率下，剪切后颗粒的倾角几乎总是小于剪切前颗粒倾角，表明颗粒整体有顺时针转动的趋势；对比局部区域1剪切前后优势倾角分布曲线(图6)，剪切后优势倾角分布曲线主峰从-20°左移至-30°和-70°，说明颗粒发生顺时针转动。
5)选取局部区域2，如图7所示，对比局部区域2剪切前后倾角变化概率累计曲线(图8)：在相同累计概率下，剪切后颗粒的倾角几乎总是大于剪切前颗粒倾角，表明颗粒整体有逆时针转动的趋势；对比局部区域2剪切前后优势倾角分布曲线(图9)，剪切后优势倾角分布曲线主峰从-45°和15°分别右移至-20°和-75°，说明颗粒发生逆时针转动。
5)循环执行步骤3)和步骤4)，确定沉积层中各局部普遍发生顺时针旋转的部分与普遍发生逆时针旋转的部分。图像中普遍发生顺时针旋转的部分与普遍发生逆时针旋转的部分之间的过渡区即为剪切带，通过这种方法可以将剪切带的位置、厚度以及倾角确定。

Claims (1)

1.一种基于CT图像的水合物沉积物剪切带识别方法，该方法主要通过统计水合物沉积物剪切变形过程中颗粒倾角变化的概率累计曲线和优势倾角分布曲线来确定和识别剪切带，其特征在于，步骤如下：
1)结合微焦点X射线CT系统和低温高压水合物三轴仪，获得水合物沉积物试样剪切变形过程中不同轴向应变下纵向CT扫描剖面图；
2)将得到的纵向CT扫描剖面图采用中值滤波去噪提高图像质量，然后进行灰度分布处理，根据密度线性找到沉积层颗粒峰值，对沉积层颗粒峰值中间值进行区域划分出各物质对应的阈值范围；通过分割不相关区域的阈值去除水合物、气体和水的干扰，将沉积层颗粒从水合物、气体和水中分离出来；然后，对图像进行二值化处理；
3)选取二值化后的试样纵向剖面图的局部，将二值图像信息赋值给矩阵，然后对获得的矩阵使用8通道边缘分割以实现各个颗粒的分离；对图形中的每个颗粒进行最小外接椭圆处理并标号，根据最小外接椭圆的长轴与X轴正方向的夹角实现倾角角度判别，夹角位于X轴上为正，位于X轴下为负，统计颗粒倾角大小；其中，X轴正方向为水平向右方向；
4)对比剪切前后倾角变化概率累计曲线以及优势倾角分布曲线，在相同累计概率下，剪切后颗粒的倾角小于剪切前颗粒倾角，表明颗粒整体有顺时针转动的趋势；剪切后颗粒的倾角大于剪切前颗粒倾角，表明颗粒整体有逆时针转动的趋势；
5)循环执行步骤3)和步骤4)，确定沉积层中各局部普遍发生顺时针旋转的部分与普遍发生逆时针旋转的部分；图像中普遍发生顺时针旋转的部分与普遍发生逆时针旋转的部分之间的过渡区即为剪切带，通过这种方法将剪切带的位置、厚度以及倾角确定。
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