CN113029911A - 一种岩石孔隙度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩石孔隙度计算方法，包括：基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离；确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标；确定岩样范围，对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标；对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面；基于空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积；计算岩石孔隙度。本发明对孔隙度的测量不依赖于岩心，解决了深部取心困难情况下岩石孔隙度的测量难题以及可快速实现孔隙度的测量，尤其可以实现整孔段孔隙度连续测量，为岩土工程设计提供更加丰富的参数。

Description

一种岩石孔隙度计算方法

技术领域

本发明涉及岩石勘探领域，更具体地，涉及一种岩石孔隙度计算方法。

背景技术

岩石孔隙度是岩石中所有孔隙空间体积之和与岩石总体积的比例，它是岩体质量评价、储层分类和渗流特性研究的重要岩石物理参数之一。目前岩石孔隙度主要还是通过岩心室内试验的方式获取，首先分别测得岩石的总体积和孔隙体积，再进行孔隙度大小的计算。但是通过岩心室内试验方式获取是一次只能获取一小段的岩石孔隙度，无法对全井段岩石孔隙度进行连续测量，并且在取心困难的深部工程中难以实现孔隙度的测量。

通过岩石图像来计算孔隙度的方法已经非常成熟。例如，通过光学显微镜等设备获取岩石薄片图像，进而就可以计算得到孔隙度，但是其仍然依赖于岩心。另外，通过测井图像也可以得到岩石孔隙度，并且还能获取其分布特征。但是值得注意的是，目前基于岩石图像而计算得到的孔隙度大多是岩石的面孔隙度，而非岩石力学领域所常用的体积孔隙度。尽管已经证明了岩石面孔隙度与体积孔隙度有一定的关系，但受岩石均质性和尺寸影响，现有基于岩石图像获取的孔隙度与真实体积孔隙度之间是有差异的。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种岩石孔隙度计算方法，基于获取的岩石孔壁图像，计算岩石孔隙度，对孔隙度的测量不依赖于岩心，解决了深部取心困难情况下岩石孔隙度的测量难题以及可快速实现孔隙度的测量。

本发明提供了一种岩石孔隙度计算方法，包括：在钻孔深入岩体内部时，基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离；建立孔壁图像的空间坐标系，基于孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离，确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标，其中，孔壁图像的左上角为空间坐标系的原点，孔壁图像的宽度方向为x轴方向，孔壁图像的长度方向为y轴方向，像素点距钻孔壁面的距离方向为z轴方向；确定岩样范围，使得所有的岩样孔隙被包围为岩样范围内；对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标，使得重新赋值后的每一个像素点的第二空间坐标均被包含在岩样范围内；对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面；基于所述空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积；根据岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，计算岩石孔隙度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述成像系统为双锥面镜成像系统，所述基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离，包括：

其中，R_i为第i个像素点与成像系统中心轴之间的距离，h为孔壁上任一测量点P在双锥面镜成像系统的上锥面镜反射点F₁与下锥面镜反射点F₂间的高程差；R₁、R₂分别为孔壁上任一测量点P在下锥面镜上的反射点F₂到成像中心轴的距离和上锥面镜上的反射点F₁到成像中心轴的距离；α₁、α₂分别为经下锥面镜的底端和上锥面镜的顶端进入成像部件中心的光线与成像中心轴的夹角；β₁、β₂分别为下、上锥面镜的底面内角。

可选的，所述建立孔壁图像的空间坐标系，确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标，包括：

将任一个像素点在孔壁图像的宽度方向上的坐标作为所述任一个像素点的x坐标，将任一个像素点在孔壁图像的长度方向上的坐标作为所述任一个像素点的y轴坐标，所述任一个像素点的z轴坐标为z＝R_i-R，其中，R为钻孔半径。

可选的，所述确定岩样范围，使得所有的岩样孔隙被包围为岩样范围内，包括：

选取平面Z＝0和平面

所围成的岩样作为岩样范围，其中，R_max为计算的像素点与成像中心轴的最大距离值，R为钻孔半径。

可选的，所述对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标，包括：

基于任一个像素点的空间坐标，若任一个像素点在平面Z＝0和平面

所围成的岩样内，则所述任一个像素点的空间坐标不变；

若任一个像素点在平面

和平面Z＝R_max-R所围成的岩样内，则将所述任一个像素点的空间坐标的z坐标重新赋值为

可选的，所述对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面，包括：

基于每一个像素点的第二空间坐标，进行拟合，得到由所有像素点的第二空间坐标构成的空间曲面，所述空间曲面记为Z＝F(x，y)，Z为像素点与孔壁内表面的距离，x为像素点的x轴坐标，y为像素点的y轴坐标。

可选的，所述基于所述空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，包括：

所有像素点构成的空间曲面与平面Z＝0所围成的空间为岩样内的孔隙体积，记为V_p；平面Z＝0和平面

所围成空间为岩样体积，记为V；

孔隙体积V_p和岩样体积V的计算公式为：

V_p＝∫∫F(x，y)dxdy；

可选的，所述根据岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，计算岩石孔隙度，包括：

根据岩样中的孔隙体积V_p和岩样的总体积V，得到岩石孔隙度

为：

本发明提供的一种岩石孔隙度计算方法，基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离；确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标；确定岩样范围，对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标；对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面；基于空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积；计算岩石孔隙度。本发明对孔隙度的测量不依赖于岩心，解决了深部取心困难情况下岩石孔隙度的测量难题以及可快速实现孔隙度的测量，尤其可以实现整孔段孔隙度连续测量，为岩土工程设计提供更加丰富的参数。

附图说明

图1为本发明提供的一种岩石孔隙度计算方法流程图；

图2为双锥面镜成像系统的成像原理图；

图3为孔壁图像中包含的每一个像素点的深度信息和方位信息的示意图；

图4为孔壁图像的空间坐标系示意图；

图5为选择的岩样示意图；

图6为本发明提供的岩石孔隙度计算方法的整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在对本发明实施例提供的岩石孔隙度计算方法说明之前，对出现的名词概念进行解释，双锥面镜是一种由两组不同坡度镜面构成的，可反射光线的光学部件；孔壁图像是由孔内成像设备捕获的钻孔内壁360°图像的展开图；孔隙度是指岩样中孔隙体积之和与该岩样体积的比值。

图1为本发明提供的一种岩石孔隙度计算方法流程图，如图1所示，方法包括：101、在钻孔深入岩体内部时，基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离；102、建立孔壁图像的空间坐标系，基于孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离，确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标，其中，孔壁图像的左上角为空间坐标系的原点，孔壁图像的宽度方向为x轴方向，孔壁图像的长度方向为y轴方向，像素点距钻孔壁面的距离方向为z轴方向；103、确定岩样范围，使得所有的岩样孔隙被包围为岩样范围内；104、对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标，使得重新赋值后的每一个像素点的第二空间坐标均被包含在岩样范围内；105、对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面；106、基于所述空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积；107、根据岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，计算岩石孔隙度。

可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明基于成像系统获取钻孔时的孔壁图像，其中，采用成像系统获取孔壁图像不受钻孔深度的影响，克服了传统取心困难的问题，基于孔壁图像计算每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离，并建立每一个像素点的三维空间坐标。确定计算孔隙度的岩样范围，并基于确定的岩样范围，对每一个像素点的空间坐标进行重新赋值，使得每一个像素点的空间坐标均被包含于确定的岩样范围内。

基于重新赋值后的每一个像素点的空间坐标，构建对应的曲面，基于构建的曲面，分别计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，按照岩石孔隙度的定义，计算岩石孔隙度。

本发明基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离；确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标；确定岩样范围，对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标；对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面；基于空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积；计算岩石孔隙度。本发明对孔隙度的测量不依赖于岩心，解决了深部取心困难情况下岩石孔隙度的测量难题以及可快速实现孔隙度的测量，尤其可以实现整孔段孔隙度连续测量，为岩土工程设计提供更加丰富的参数。

在一种可能的实施例方式中，可以理解的是，随着双锥面镜成像技术的出现，岩体内部精细结构的探测出现了新的方法。双锥面镜成像系统通过钻孔深入岩体内部，从不同角度对同一个目标进行拍摄，实现对结构特征立体空间信息的捕获，从而对岩石孔隙结构特征的计算提供了可能，图2为双锥面镜成像原理。利用双锥面镜成像系统可以获得孔壁像对图像，根据式(1)可计算孔壁上任一像素点与成像中心轴(钻孔中心)的距离R_i。

其中，R_i为第i个像素点与成像系统中心轴之间的距离，h为孔壁上任一测量点P在双锥面镜成像系统的上锥面镜反射点F₁与下锥面镜反射点F₂间的高程差；R₁、R₂分别为孔壁上任一测量点P在下锥面镜上的反射点F₂到成像中心轴的距离和上锥面镜上的反射点F₁到成像中心轴的距离；α₁、α₂分别为经下锥面镜的底端和上锥面镜的顶端进入成像部件中心的光线与成像中心轴的夹角；β₁、β₂分别为下、上锥面镜的底面内角。

利用双锥面镜成像系统可快速获取孔壁的三维立体图像，并计算孔壁上任一像素点与成像中心轴(钻孔中心)的距离R_i。

在一种可能的实施例方式中，建立孔壁图像的空间坐标系，确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标，包括：将任一个像素点在孔壁图像的宽度方向上的坐标作为所述任一个像素点的x坐标，将任一个像素点在孔壁图像的长度方向上的坐标作为所述任一个像素点的y轴坐标，任一个像素点的z轴坐标为z＝R_i-R，其中，R为钻孔半径。

可以理解的是，双锥面镜成像系统获取的孔壁图像包含了每个像素点的深度和方位信息，如图3所示。图4为孔壁图像的坐标示意图，建立如图4中所示的坐标系，图4中任一像素点距成像中心轴展开面的距离与步骤一中该点距成像中心轴的距离相同，坐标原点o距成像中心轴展开面的距离Ri＝R(R为钻孔半径)，x轴为图像的宽度，取值为(0，L)，L为钻孔的周长，y轴为图像的长度，最大取值为钻孔的实际深度，z轴为像素点距钻孔壁面的距离，则孔壁图像上任意像素点P的坐标可表示为P(x_i，y_i，z_i)，其中x和y轴坐标为孔壁图像中已知信息，z坐标与步骤(1)计算结果有关，其计算公式为：

z＝R_i-R。 (2)

在一种可能的实施例方式中，确定岩样范围，使得所有的岩样孔隙被包围为岩样范围内，包括：选取平面Z＝0和平面

所围成的岩样作为岩样范围，其中，R_max为计算的像素点与成像中心轴的最大距离值，R为钻孔半径。

可以理解的是，在计算岩石孔隙度时必须要明确岩样的范围，也即明确在一定岩样体积内进行计算。双锥面镜成像系统具有一定的观测范围，也即所能计算的像素点距成像中心轴的距离存在一个最大值，记为R_max。如图5所示，若选择平面Z＝0和平面Z＝R_max-R所围成的岩样作为计算对象，则可能存在较多的未与平面Z＝0相交的孔隙，而这些孔隙无法被观测到，最终导致计算所得孔隙度小于实际孔隙度。因此，本发明中选择平面Z＝0和平面

所围成的岩样作为计算对象，从而减少存在未与平面Z＝0相交孔隙的可能性，以使计算结果更加接近真实值。

需要说明的是，本发明中只对构成岩样的6个平面中的2个做了限定，也即只对垂直于z轴的两个平面Z＝0和

进行了限定，构成岩样的另外4个平面(即垂直于x轴的2个平面和垂直于y轴的2个平面)可根据钻孔的实际深度、直径进行灵活选取，也就是说，岩样范围实际上是一个体积，本发明只限定了z＝0和

两个边界，其他x、y坐标的边界可以根据实际情况灵活选取，不作特别限定。

需要说明的是，本发明并不限于选取平面Z＝0和平面

所围成的岩样作为计算对象，可以适当调整，目的是尽可能减少存在未与平面Z＝0相交孔隙的可能性。

在一种可能的实施例方式中，对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标，包括：基于任一个像素点的空间坐标，若任一个像素点在平面Z＝0和平面

所围成的岩样内，则所述任一个像素点的空间坐标不变；若任一个像素点在平面

和平面Z＝R_max-R所围成的岩样内，则将所述任一个像素点的空间坐标的z坐标重新赋值为

可以理解的是，在上述步骤中已经得到了孔壁图像任一像素点的空间坐标，但并不是所有点的坐标都包含在孔隙度计算范围内。因此在还需要对像素点坐标进行判断和赋值，若像素点在平面Z＝0和平面

所围成的岩样内，也即

此时像素点坐标不变；若像素点在平面

和平面Z＝R_max-R所围成的岩样内，也即

此时需要将像素点的z坐标重新赋值为

在像素点坐标重新赋值以后，所有像素点都包含在平面Z＝0和平面

所围成的岩样内。

在一种可能的实施例方式中，对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面，包括：基于每一个像素点的第二空间坐标，进行拟合，得到由所有像素点的第二空间坐标构成的空间曲面，所述空间曲面记为Z＝F(x，y)，Z为像素点与孔壁内表面的距离，x为像素点的x轴坐标，y为像素点的y轴坐标。

可以理解的是，在对像素点坐标重新赋值以后，得到了平面Z＝0和平面

所围成的岩样内所有像素点的空间坐标。对所有像素点坐标进行拟合，得到由像素点坐标构成的空间曲面，该曲面记为Z＝F(x，y)，Z为像素点距孔壁内表面(平面Z＝0)的距离，x为像素点的水平位置坐标，即为像素点在x轴的坐标，y为像素点的竖直位置坐标，即为像素点在y轴的坐标。

在一种可能的实施例方式中，可以理解的是，在岩石孔隙度计算中需要先得到岩样的总体积以及岩样中的孔隙体积，在上述步骤中已经明确了岩样的计算范围以及获取了像素点构成的空间曲面。其中像素点构成的空间曲面与平面Z＝0所围成的空间即为岩样内的孔隙体积，记为V_p，平面Z＝0和平面

所围成空间即为岩样体积，记为V。则孔隙体积V_p和岩样体积V的计算公式为：

V_p＝∫∫F(x，y)dxdy； (3)

在一种可能的实施例方式中，可以理解的是，孔隙度是指岩样中所有孔隙体积之和与该岩样体积的比值，在上述步骤中已经计算出了孔隙体积V_p和岩样体积V，于是可得到岩石孔隙度

为：

下面根据图6对本发明提供的岩石孔隙度计算方法进行说明，图6为岩石孔隙度计算方法的整体流程图，主要是通过计算像素点距成像中心轴的距离、合成像素点空间坐标、确定孔隙度计算范围、像素点坐标重新赋值、拟合像素点曲面、计算孔隙体积和岩样体积、计算岩石孔隙度等步骤，能够快速准确的计算出岩石的孔隙度大小，为工程实践和科学研究提供一个有意义的参数。

岩石孔隙度计算方法主要包括以下步骤：

(1)计算像素点距成像中心轴的距离：计算孔壁图像上每一个像素点距成像中心轴(钻孔中心)的距离，并记为R_i。

(2)合成像素点的空间坐标：在孔壁图像上建立坐标系，以像素点所在的周向位置为x轴坐标；深度位置为y轴坐标；并将像素点距成像中心轴的距离Ri转换为z轴坐标，形成像素点的三维空间坐标。

(3)根据钻孔摄像设备的观测范围，合理确定岩样的计算范围：

(4)对像素点坐标进行重新赋值，使所有像素点坐标均在孔隙度的计算范围内；

(5)对像素点坐标进行拟合，形成像素点构成的三维空间曲面；

(6)利用积分的方式计算岩样内的孔隙体积和岩样总体积，再根据定义计算岩石孔隙度。

本发明提供一种岩石孔隙度计算方法，基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离；确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标；确定岩样范围，对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标；对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面；基于空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积；计算岩石孔隙度。本发明对孔隙度的测量不依赖于岩心，解决了深部取心困难情况下岩石孔隙度的测量难题以及可快速实现孔隙度的测量，尤其可以实现整孔段孔隙度连续测量，为岩土工程设计提供更加丰富的参数。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种岩石孔隙度计算方法，其特征在于，包括：

在钻孔深入岩体内部时，基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离；

建立孔壁图像的空间坐标系，基于孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离，确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标，其中，孔壁图像的左上角为空间坐标系的原点，孔壁图像的宽度方向为x轴方向，孔壁图像的长度方向为y轴方向，像素点距钻孔壁面的距离方向为z轴方向；

确定岩样范围，使得所有的岩样孔隙被包围为岩样范围内；

对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标，使得重新赋值后的每一个像素点的第二空间坐标均被包含在岩样范围内；

对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面；

基于所述空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积；

根据岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，计算岩石孔隙度。

2.根据权利要求1所述的岩石孔隙度计算方法，其特征在于，所述成像系统为双锥面镜成像系统，所述基于成像系统获取岩石的孔壁图像，计算孔壁图像上每一个像素点距成像系统中心轴之间的距离，包括：

其中，R_i为第i个像素点与成像系统中心轴之间的距离，h为孔壁上任一测量点P在双锥面镜成像系统的上锥面镜反射点F₁与下锥面镜反射点F₂间的高程差；R₁、R₂分别为孔壁上任一测量点P在下锥面镜上的反射点F₂到成像中心轴的距离和上锥面镜上的反射点F₁到成像中心轴的距离；α₁、α₂分别为经下锥面镜的底端和上锥面镜的顶端进入成像部件中心的光线与成像中心轴的夹角；β₁、β₂分别为下、上锥面镜的底面内角。

3.根据权利要求2所述的岩石孔隙度计算方法，其特征在于，所述建立孔壁图像的空间坐标系，确定孔壁图像上每一个像素点的第一空间坐标，包括：

将任一个像素点在孔壁图像的宽度方向上的坐标作为所述任一个像素点的x坐标，将任一个像素点在孔壁图像的长度方向上的坐标作为所述任一个像素点的y轴坐标，所述任一个像素点的z轴坐标为z＝R_i-R，其中，R为钻孔半径。

4.根据权利要求1或3所述的岩石孔隙度计算方法，其特征在于，所述确定岩样范围，使得所有的岩样孔隙被包围为岩样范围内，包括：

选取平面Z＝0和平面

所围成的岩样作为岩样范围，其中，R_max为计算的像素点与成像中心轴的最大距离值，R为钻孔半径。

5.根据权利要求4所述的岩石孔隙度计算方法，其特征在于，所述对每一个像素点的空间坐标重新赋值，得到对应的第二空间坐标，包括：

基于任一个像素点的空间坐标，若任一个像素点在平面Z＝0和平面

所围成的岩样内，则所述任一个像素点的空间坐标不变；

若任一个像素点在平面

和平面Z＝R_max-R所围成的岩样内，则将所述任一个像素点的空间坐标的z坐标重新赋值为

6.根据权利要求1或5所述的岩石孔隙度计算方法，其特征在于，所述对所有像素点的空间坐标进行拟合，获取由所有像素点构成的空间曲面，包括：

基于每一个像素点的第二空间坐标，进行拟合，得到由所有像素点的第二空间坐标构成的空间曲面，所述空间曲面记为Z＝F(x,y)，Z为像素点与孔壁内表面的距离，x为像素点的x轴坐标，y为像素点的y轴坐标。

7.根据权利要求6所述的孔隙度计算方法，其特征在于，所述基于所述空间曲面，计算岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，包括：

所有像素点构成的空间曲面与平面Z＝0所围成的空间为岩样内的孔隙体积，记为V_p；平面Z＝0和平面

所围成空间为岩样体积，记为V；

孔隙体积V_p和岩样体积V的计算公式为：

V_p＝∫∫F(x,y)dxdy；

8.根据权利要求7所述的岩石孔隙度计算方法，其特征在于，所述根据岩样的总体积和岩样中的孔隙体积，计算岩石孔隙度，包括：

根据岩样中的孔隙体积V_p和岩样的总体积V，得到岩石孔隙度

为：

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