CN105279794B - 基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法 - Google Patents

基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Micro‑CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,该方法以岩心的Micro‑CT扫描图像为基础,通过图像处理、表面模型构建、四面体分割等方法,重构出岩心的四面体模型,然后建立多组织岩心的模型。本发明构建出的多组织模型能够有效还原储层岩心的结构,提高储层岩心多组织模型构建结果的准确性,为下一步对储层岩心多组织结构进行数值分析与模拟奠定基础,适用于结构复杂、细节较多的储层岩心的多组织模型构建。

Description

基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法
技术领域
本发明涉及模型构建技术,具体地说,涉及一种基于储层岩心真实结构建立其三维实体模型的方法。
背景技术
储层岩石是一种天然非均质材料,可看作是由具有复杂几何形态的不同矿物颗粒、云母及裂纹等组成的非均质多组织复合材料。各组织的物理和力学性质存在很大的差异,各组织之间的相互作用直接影响了储层岩石的宏观力学特性和受力分布特征。普通岩石物理试验过程中,研究人员难以观测研究岩石内部裂缝扩展情况和确定各组织之间的受力情况。而通过构建储层岩石多组织模型,有助于研究人员对岩石破坏机理、裂缝扩展情况及岩石内各组织之间的相互作用等有更深入的研究。
目前,多组织建模技术在医学方面的应用较为广泛。国外从人体断层图像到多组织人体模型技术的研究开展的较早,其中最具代表性的是SimBio和GEMSS项目。目前已实现商业化的图像重建软件中,比较有代表性的有Amira和SimPleware等,两者均可以实现原始图像预处理、面网格生成、体网格生成及材料属性复制等功能。国内对于多组织建模软件关键技术的研究仍处于起步阶段。具有代表性的是清华大学的杨晓松提出的一种直接建立四面体网格的方法,通过医学图像的体数据的分类,直接建立四面体网格,并且可以生成具有自适应密度的多组织四面体模型。
多组织岩心建模不同于医学中的多组织,其表面结构极其粗糙,表面细节多,组织间的分界面复杂。现有医学方面的多组织建模方法针对人体器官,其组织表面较为平滑、连续,不适用于储层岩心,模型构建效果较差,构建出的多组织模型无法还原储层岩心的结构。在石油地质领域,Micro-CT技术主要用于岩心的快速无损检测,包括岩心的密度、孔隙度及饱和度变化等。目前也存在利用Micro-CT扫描图像对岩心模型进行三维重建,并用于物理参数计算的研究,进行岩心结构重建并进行数值分析的研究也已存在,但基于Micro-CT图像多组织岩心建模技术尚没有相关应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷和不足,提供了一种基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,该方法构建的多组织模型能够很好的还原储层岩心组织的结构,提高储层岩心多组织模型构建结果的准确性。
根据本发明一实施例,提供了一种基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,含有以下步骤:
(一)采用Micro-CT技术对储层岩心进行扫描,获得储层岩心的断面扫描图像;
(二)采用中值滤波算法对图像进行预处理,去除图像所含噪声;采用分水岭算法对滤波后的图像进行图像分割,并提取分割后图像的三维数据(x,y,z,gray),其中x、y为像素在图像中的坐标,z为像素所在图像的序列号,gray为像素的灰度图像;
(三)根据步骤(二)中获得的图像三维数据,利用Marching Cubes算法生成储层岩心的表面模型;
(四)利用约束Delaunay四面体剖分算法,以步骤(三)中重构得到的储层岩心的表面模型为约束,生成储层岩心的四面体模型;
(五)对四面体模型顶点属性信息插值进行组织标记,找出与岩心的四面体模型顶点属性信息插值相对应的多组织体数据点,将组织标记信息复制***至岩心的四面体模型中;经点对点的组织标记信息,得到一系列顶点带有组织标记的四面体单元,根据顶点的组织信息,对四面体单元进行组织标记;
(六)通过插值计算,将属性不唯一的四面体单元进行分割,获得属性单一的四面体单元,最终获得组织属性单一的多组织岩心四面体模型。
在根据本发明实施例的储层岩心多组织模型构建方法中,步骤(二)中,采用分水岭算法分割图像的步骤为:设A表示窗口,Ax,y为A的平移,其原点为(x,y),
(1)利用灰度腐蚀运算和灰度膨胀运算对滤波后的图像进行图像简化,去掉图像的噪声干扰,则图像B的腐蚀算子εA(B)为:
图像B的膨胀算子δA(B)为:
式中,(k,l)为转化后的图像B的平移坐标;
(2)计算灰度图像的形态学梯度,形态梯度图像为膨胀变换减去腐蚀变换:
g(x,y)=εA(B)(x,y)-δA(B)(x,y) (3)
(3)根据梯度进行图像分割:
fB(f)=g(x,y)×g(x,y)/255.0 (4)
式中,fB(f)为分割后图像,f为灰度图像的形态学梯度。
在根据本发明实施例的储层岩心多组织模型构建方法中,步骤(三)中,利用Marching Cubes算法生成储层岩心的表面模型的步骤为:
(1)读入步骤(二)中获得的图像三维数据,且每两张图像上下相对应的四个点构成一个立方体体素;
(2)通过线性插值方法计算出体素棱边与等值面的交点,其中,等值面是空间中所有具有某个相同值的点的集合,设C为三维重构过程中给定的阈值,P为等值点坐标,P1、P2为两个端点的坐标,V1、V2为两个端点的灰度;则对于某棱边,若V1≠V2,那么等值面一定与此棱边相交,且交点坐标为:P=P1+(C-V1)(P1-P2)/(V1-V2);
(3)根据体素中顶点与等值面的位置绘制三角面片,生成表面模型。
在根据本发明实施例的储层岩心多组织模型构建方法中,步骤(四)中,利用约束Delaunay四面体剖分算法生成储层岩心的四面体模型的步骤为:
(1)设包含储层岩心表面模型全部顶点的四面体为T,储层岩心表面模型的顶点数据集合为C;
(2)依次取集合C中一点p作为***点,假设该点位于四面体T的一个四面体单元t内。依据Delaunay剖分的空球准则进行判断,判断与四面体单元t的共面的四个邻接四面体的外接球是否包含***点p,若包含p,将该邻接四面体加入到Delaunay空腔中,若不包含p,则四面体单元t与邻接该四面体单元的公共三角面构成Delaunay空腔的边界面;
(3)删除Delaunay空腔中的四面体,留下空腔边界面的四个邻接四面体,连接***点p与Delaunay空腔边界面的顶点,形成新的四面体单元,并存入以储层岩心表面模型为约束的Delaunay四面体集合D中;
(4)重复进行步骤(2)、(3),直到所有的集合C中的点均被***到四面体网格中,生成以储层岩心表面模型为约束的储层岩心四面体模型。
在根据本发明实施例的储层岩心多组织模型构建方法中,步骤(五)中,根据四面体单元的顶点组织标记信息,将得到的四面体单元分为四面体四个顶点均无属性信息、四面体单元中存在有属性的顶点和无属性的顶点、四面体单元的四个顶点均有属性值三类。
在根据本发明实施例的储层岩心多组织模型构建方法中,步骤(六)中,对属性不唯一的四面体单元进行分割的步骤为:
(1)棱边插值:假设四面体T(d1d2d3d4)顶点d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)属性不同,根据两点之间的灰度值通过公式(5)进行插值计算,得到组织分割点d12(x12,y12,z12),公式(5)的表达式如下:
(2)面分割:根据边分割点***面分割点,对分割点进行连接;
(3)四面体切分:根据分割点***及分割点、顶点的连接方式,对四面体进行切分处理。
在根据本发明实施例的储层岩心多组织模型构建方法中,步骤(2)中,边分割点***后,分割点连接时采用两种连接方式,一种方式采用顶点编号最小的方法,在需要进行连接的点中始终选择顶点编号最小的点作为起点,连向对边的插值点;另一种方式采用面的插值点作为分割点,面的插值点为面的重心。
根据本发明实施例提出的基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,以岩心的Micro-CT扫描图像为基础,通过图像处理、表面模型构建、四面体分割等方法,重构出岩心的四面体模型,然后建立多组织岩心的模型,构建出的多组织模型能够有效还原储层岩心的结构。通过根据本发明实施例的基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法构建的多组织模型,能够很好的还原储层岩心各组织的结构,并适用于结构复杂、细节较多的储层岩心的多组织模型构建;且在重构得到的储层岩心多组织模型的基础上进行储层岩心力学性质的研究,可以更直观的观测各组织之间的相互作用及受力情况,并方便研究人员通过数值模拟的方法预测不同组织受力时裂缝的产生和扩展情况,为储层岩心在微观层次的力学性能的研究提供新思路。
附图说明
附图1为本发明实施例储层岩心多组织模型构建方法的流程图。
附图2a为本发明实施例储层岩心Micro-CT断层扫描图像。
附图2b为本发明实施例图像中值滤波后的图像。
附图2c为本发明实施例分水岭算法分割图像后的效果图。
附图2d为本发明实施例获取的多组织岩心体数据。
附图3为本发明实施例Marching Cubes算法建立的表面模型。
附图4为本发明实施例利用Delaunay四面体剖分算法生成的储层岩心四面体模型。
附图5为本发明实施例基于顶点属性的四面体属性标记后的结果。
附图6a-6i为本发明实施例储层岩心四面体顶点属性图。
附图7a-7e为本发明实施例四面体顶点组织标记状态图。
附图8a、8b为本发明实施例三角面片边界分割点图。
附图9a、9b为本发明实施例图7a所示三角面片的分割方式。
附图10a、10b为本发明实施例图7b所示三角面片的分割方式。
附图11a-11d为本发明实施例四面体分割方式。
附图12为本发明实施例多组织边界分割结果。
附图13a-13d为本发明实施例各组织单独显示结果。
图中,0为无属性信息,1、2、3、4为不同的组织类型。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步说明。
如图1所示本发明实施例提供的一种基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法的流程图,该方法首先将岩心的Micro-CT图像进行图像处理,图像处理包括降噪、分割,获多组织岩心的提数据,然后用Marching Cubes算法建立岩心表面模型,最后通过约束Delaunay四面体剖分算法计算得到岩心四面体模型,根据岩心四面体模型信息,准确的得到多组织体内部各组织的大小、位置、各组织之间的相对位置关系以及各组织的数字化参数信息,对各组织进行边界划分,精确的找到各组织的四面体网格,建立其多组织模型。其具体步骤如下:
(一)采用Micro-CT技术对储层岩心进行扫描,获得储层岩心的断面扫描图像,断层扫描图像如图2a所示。
(二)采用中值滤波算法对图像进行预处理,去除图像所含噪声;为获得图像灰度数据,采用分水岭算法对滤波后的图像进行图像分割,借用软件MATLAB提取分割后图像的三维数据(x,y,z,gray),其中x、y为像素在图像中的坐标,z为像素所在图像的序列号,gray为像素的灰度图像。
由于实验扫描得到的储层岩心断层图像中存在杂点等干扰图像处理的不良因素,因此需对图像进行中值滤波处理以降低图像噪声。借用Image软件,采用中值滤波的方法,去除图像噪音。经过中值滤波处理后的图像结果如图2b所示。
采用分水岭算法分割图像的具体步骤如下:设A表示窗口,Ax,y为A的平移,其原点为(x,y),
(1)利用灰度腐蚀运算和灰度膨胀运算对滤波后的图像进行图像简化,去掉图像的噪声干扰,则图像B的腐蚀算子εA(B)为:
图像B的膨胀算子δA(B)为:
(2)计算灰度图像的形态学梯度,形态梯度图像为膨胀变换减去腐蚀变换:
g(x,y)=εA(B)(x,y)-δA(B)(x,y) (3)
(3)根据梯度进行图像分割:
fB(f)=g(x,y)×g(x,y)/255.0 (4)
式中,fB(f)为分割后图像,f为灰度图像的形态学梯度。
经过分水岭算法处理后的图像结果如图2c所示。
(三)根据步骤(二)中获得的图像三维数据,利用Marching Cubes算法生成储层岩心的表面模型。其具体步骤如下:
(1)读入步骤(二)中获得的图像三维数据,且每两张图像上下相对应的四个点构成一个立方体体素;
(2)通过线性插值方法计算出体素棱边与等值面的交点,其中,等值面是空间中所有具有某个相同值的点的集合,设C为三维重构过程中给定的阈值,P为等值点坐标,P1、P2为两个端点的坐标,V1、V2为两个端点的灰度;则对于某棱边,若V1≠V2,那么等值面一定与此棱边相交,且交点坐标为:P=P1+(C-V1)(P1-P2)/(V1-V2);
(3)根据体素中顶点与等值面的位置绘制三角面片,生成表面模型,如图3所示。
(四)利用约束Delaunay四面体剖分算法,以步骤(三)中重构得到的储层岩心的表面模型为约束,生成储层岩心的四面体模型。其具体步骤如下:
利用约束Delaunay四面体剖分算法生成储层岩心的四面体模型的步骤为:
(1)设包含储层岩心表面模型全部顶点的四面体为T,储层岩心表面模型的顶点数据集合为C;
(2)依次取集合C中一点p作为***点,假设该点位于四面体T的一个四面体单元t内。依据Delaunay剖分的空球准则进行判断,判断与四面体单元t的共面的四个邻接四面体的外接球是否包含***点p,若包含p,将该邻接四面体加入到Delaunay空腔中,若不包含p,则四面体单元t与邻接该四面单元的公共三角面构成Delaunay空腔的边界面;
(3)删除Delaunay空腔中的四面体,留下空腔边界面的四个邻接四面体,连接***点p与Delaunay空腔边界面的顶点,形成新的四面体单元,并存入以储层岩心表面模型为约束的Delaunay四面体集合D中;
(4)重复进行步骤(2)、(3),直到所有的集合C中的点均被***到四面体网格中,生成以储层岩心表面模型为约束的储层岩心四面体模型,如图4所示。
(五)对四面体模型顶点属性信息插值进行组织标记,找出与岩心的四面体模型顶点属性信息插值相对应的多组织体数据点,将组织标记信息复制***至岩心的四面体模型中;经点对点的组织标记信息,得到一系列顶点带有组织标记的四面体单元,根据顶点的组织信息,对四面体单元进行组织标记,标记结果如图5所示,图中白色部分为待分割的组织边界,其余部分为属性单一的四面体单元。
(1)顶点属性信息差值
岩心模型的四面体顶点中包含有多组织体数据信息,除模型表面的插值计算点,其余顶点与体数据是一一对应的。因此,四面体顶点属性信息差值只需找到与之对应的多组织体数据点,将组织属性信息复制***至岩心的四面体模型中即可。
(2)四面体属性信息差值
顶点属性信息确定后,得到一系列顶点带有组织属性的四面体单元,根据其顶点的组织属性信息,将四面体单元分为三类:
第一类:四面体四个顶点均无属性信息,如图6a所示。此类四面体出现在模型表面拐角处,认为其属性与其邻接的四面体属性相同,将邻接四面体顶点属性信息***。
第二类:四面体中存在带属性的顶点和无属性的顶点,如图6b、6c、6d所示。此类四面体顶点包含表面顶点和多组织体数据点,将带属性的顶点***其余顶点。
第三类:四面体的四个顶点均带有属性值,如图6e、6f、6g、6h、6i所示。此类四面***于模型内部,其顶点属性分为两种,一种为单一属性四面体,如图6e所示,一种为多组织四面体,如图6f、6g、6h、6i所示。顶点属性不同的四面体需要进行下一步的多组织边界分割。
(六)通过插值计算,将属性不唯一的四面体单元进行分割,获得属性单一的四面体单元,最终获得组织属性单一的多组织岩心四面体模型。分割原则为:保证模型拓扑结构正确性,分割后四面体的组织属性单一。
由步骤(五)中已经被标记的四面体属性可知,四面体属性分为两大类:顶点属性值相同、顶点属性值不同。根据四面体单元顶点属性再详细分类,可以分为五类,如图7a-7e所示,图中顶点处的多边形分别代表组织属性。记四面体为T(d1d2d3d4),不同形状表示顶点属于不同的组织,相同形状表示属于同一种组织;同时为方便边界划分,在四面体单元分割过程中分别对四个顶点进行编号,四个顶点编号分别为1、2、3、4。图7a表示四面体四个顶点属性相同,该类四面体单元的属性标记唯一,本实施例中将如图7b、7c、7d、7e所示的四面体分割为如图7a所示的四面体。
对属性不唯一的四面体单元进行分割的步骤为:
(1)棱边插值:假设四面体T(d1d2d3d4)顶点d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)属性不同,根据两点之间的灰度值通过公式(5)进行插值计算,得到组织分割点d12(x12,y12,z12),公式(5)的表达式如下:
(2)面分割:根据边分割点***面分割点,面分割点有两种情况,如图8a、8b所示,图中,多边形表示组织属性,圆形表示边界分割点。
对于图8a、8b两种不同的三角面片,采用不同的处理方式。
①对于图8a所示情况,可以通过如图9a、9b所示的两种连接方式将面片分割为组织单一的三角面片,但在本实施例处理过程中,必须保证四面体网格拓扑结构的正确性,若在两种方式中随机选用分割方式,会导致同一个面出现梯形对角线不一致的情况,导致拓扑结构不一致。本实施例中采用顶点编号最小的方法,对于图8a中所示的三角面片,连接时,在需要进行连接的点中始终选择顶点编号最小的点作为起点,连向对边的插值点。
假设面F(d1,d2,d3)为四面体单元的一个面,三个顶点的编号依次为0、1、2,当遇到图7a所示情形时,选择需要连接的点中编号最小的点d2与对边分割点d13连线,如图8a中所示。
②对于图8b所示情况,连接方式有两种,分别如图10a、10b所示。图中10a所示连接方式形成四个三角面片,但由于点d12、d13、d23均为分割点,导致面F(d12,d13,d23)的组织属性无法确定,这会导致后续四面体分割产生组织属性不唯一的四面体。基于以上分析,本实施例选择图中10b所示处理方式,添加面分割点d123,点d123为三角形的重心,以保证分割后的四面体组织属性单一。
(3)四面体切分:根据分割点***及分割点、顶点的连接方式,对四面体进行切分处理。
本实施例对需分割的四类四面体进行处理,对于图7b、7c、7d、7e所示需进行分割的四类四面体,分别提出如下分割方法,如图11a-11d所示,图中,圆形表示分割点,多边形表示带属性的顶点。
进行分割处理后获得四面体多组织实体模型,如图12所示,图中白色部分为待分割的四面体单元,其它部分为属性单一的四面体单元。图13a-13d为各组织单独显示的结果。
上述实施例用来解释本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权力要求的保护范围内,对本发明做出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,其特征在于:含有以下步骤:
(一)采用Micro-CT技术对储层岩心进行扫描,获得储层岩心的断面扫描图像;
(二)采用中值滤波算法对图像进行预处理,去除图像所含噪声;采用分水岭算法对滤波后的图像进行图像分割,并提取分割后图像的三维数据(x,y,z,gray),其中x、y为像素在图像中的坐标,z为像素所在图像的序列号,gray为像素的灰度图像;
(三)根据步骤(二)中获得的图像三维数据,利用Marching Cubes算法生成储层岩心的表面模型;
(四)利用约束Delaunay四面体剖分算法,以步骤(三)中重构得到的储层岩心的表面模型为约束,生成储层岩心的四面体模型;
(五)对四面体模型顶点属性信息插值进行组织标记,找出与岩心的四面体模型顶点属性信息插值相对应的多组织体数据点,将组织标记信息复制***至岩心的四面体模型中;经点对点的组织标记信息,得到一系列顶点带有组织标记的四面体单元,根据顶点的组织信息,对四面体单元进行组织标记;
(六)通过插值计算,将属性不唯一的四面体单元进行分割,获得属性单一的四面体单元,最终获得组织属性单一的多组织岩心四面体模型。
2.根据权利要求1所述的基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,其特征在于:步骤(三)中,利用Marching Cubes算法生成储层岩心的表面模型的步骤为:
(1)读入步骤(二)中获得的图像三维数据,且每两张图像上下相对应的四个点构成一个立方体体素;
(2)通过线性插值方法计算出体素棱边与等值面的交点,其中,等值面是空间中所有具有某个相同值的点的集合,设C为三维重构过程中给定的阈值,P为等值点坐标,P1、P2为两个端点的坐标,V1、V2为两个端点的灰度;则对于某棱边,若V1≠V2,那么等值面一定与此棱边相交,且交点坐标为:P=P1+(C-V1)(P1-P2)/(V1-V2);
(3)根据体素中顶点与等值面的位置绘制三角面片,生成表面模型。
3.根据权利要求1所述的基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,其特征在于:步骤(四)中,利用约束Delaunay四面体剖分算法生成储层岩心的四面体模型的步骤为:
(1)设包含储层岩心表面模型全部顶点的四面体为T,储层岩心表面模型的顶点数据集合为C;
(2)依次取集合C中一点p作为***点,假设该点位于四面体T的一个四面体单元t内,依据Delaunay剖分的空球准则进行判断,判断与四面体单元t的共面的四个邻接四面体的外接球是否包含***点p,若包含p,将该邻接四面体加入到Delaunay空腔中,若不包含p,则四面体单元t与邻接该四面体单元t的公共三角面构成Delaunay空腔的边界面;
(3)删除Delaunay空腔中的四面体,留下空腔边界面的四个邻接四面体,连接***点p与Delaunay空腔边界面的顶点,形成新的四面体单元,并存入以储层岩心表面模型为约束的Delaunay四面体集合D中;
(4)重复进行步骤(2)、(3),直到所有的集合C中的点均被***到四面体网格中,生成以储层岩心表面模型为约束的储层岩心四面体模型。
4.根据权利要求1所述的基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,其特征在于:步骤(五)中,根据四面体单元的顶点组织标记信息,将得到的四面体单元分为四面体四个顶点均无属性、四面体单元中存在有属性的顶点和无属性的顶点、四面体单元的四个顶点均有属性三类。
5.根据权利要求1所述的基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,其特征在于:步骤(六)中,对属性不唯一的四面体单元进行分割的步骤为:
(1)棱边插值:假设四面体d1d2d3d4顶点d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)属性不同,根据两点之间的灰度值通过公式(5)进行插值计算,得到边分割点d12(x12,y12,z12),公式(5)的表达式如下:
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(2)面分割:根据边分割点***面分割点,对分割点进行连接;
(3)四面体切分:根据分割点***及分割点、顶点的连接方式,对四面体进行切分处理。
6.根据权利要求5所述的基于Micro-CT技术的储层岩心多组织模型构建方法,其特征在于:步骤(2)中,边分割点***后,分割点连接时采用两种连接方式,一种方式采用顶点编号最小的方法,在需要进行连接的点中始终选择顶点编号最小的点作为起点,连向对边的插值点;另一种方式采用面的插值点作为分割点,面的插值点为面的重心。
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