吳國(guó)銘 李熙喆 高樹生 劉華勛 吳國(guó)銓 安為國(guó)
(①中國(guó)科學(xué)院大學(xué)滲流流體力學(xué)研究所,河北廊坊 065007; ②中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007; ③蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)
基于分形理論探究碳酸鹽巖CT圖像二值化最佳閾值
吳國(guó)銘*①李熙喆②高樹生②劉華勛②吳國(guó)銓③安為國(guó)②
(①中國(guó)科學(xué)院大學(xué)滲流流體力學(xué)研究所,河北廊坊 065007; ②中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007; ③蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)
吳國(guó)銘,李熙喆,高樹生,劉華勛,吳國(guó)銓,安為國(guó).基于分形理論探究碳酸鹽巖CT圖像二值化最佳閾值.石油地球物理勘探,2017,52(5):1025-1032.
CT掃描構(gòu)建數(shù)字巖心的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是灰度圖像的二值化。本文基于圖像處理分析和分形理論計(jì)算孔滲參數(shù),為CT圖像二值化提供了更準(zhǔn)確、更適用的約束條件??锥葱吞妓猁}巖不同形態(tài)和尺度的微觀孔隙累積數(shù)量與半徑分布遵循冪律關(guān)系,具有統(tǒng)計(jì)意義上的分形特征,且分維值與孔隙度之間存在非線性定量關(guān)系。通過自定義四連通像素值梯度突變算法與分形理論相結(jié)合的方法,統(tǒng)計(jì)分析了孔隙形態(tài)、數(shù)量等參數(shù)并計(jì)算了孔隙度,其平均誤差小于7.2%;改進(jìn)“先二值化后邊緣識(shí)別”的常規(guī)方法,運(yùn)用濾波降噪和邊緣識(shí)別算子識(shí)別標(biāo)定CT灰度圖像微觀孔隙,既保證了精度又提高了效率。根據(jù)這兩種圖像處理技術(shù)可確定最佳灰度閾值,實(shí)現(xiàn)CT圖像二值化。該方法處理的二值圖像較好地保留了不同尺度微觀孔隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)和分布特征,因此可廣泛應(yīng)用于常規(guī)巖心重構(gòu)及后續(xù)的三維數(shù)字巖心的構(gòu)建。
碳酸鹽巖 微觀孔隙 CT圖像 分形 孔隙度 最佳閾值
分形理論的基本思想是客觀事物具有自相似的層次結(jié)構(gòu),局部與整體在形態(tài)、功能、信息、時(shí)間和空間等方面完全相同或具有統(tǒng)計(jì)意義上的相似性[1-3]。定量刻畫這種自相似結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的參數(shù)是分?jǐn)?shù)維[4]。分形理論在石油工業(yè)領(lǐng)域取得了一系列的成果及應(yīng)用[5-10]。碳酸鹽巖油氣藏儲(chǔ)層縫、洞發(fā)育[11-13],非均質(zhì)性強(qiáng),研究表明裂縫和孔洞等孔隙結(jié)構(gòu)具有自相似性[14-16],如何準(zhǔn)確獲取分維值成為關(guān)鍵。通過巖心CT掃描圖像分析微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分維值得到了業(yè)界的關(guān)注,文獻(xiàn)[17-20]基于計(jì)盒維數(shù)法分析計(jì)算CT灰度圖像和二值化圖像不同孔隙結(jié)構(gòu)的分維值,但未見針對(duì)所得結(jié)果進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。將分維值與圖像處理技術(shù)相結(jié)合,確定最佳二值閾值,實(shí)現(xiàn)圖像孔隙與固相最優(yōu)分割,目前尚未看到相關(guān)文獻(xiàn)。
數(shù)字巖心可用于研究多孔介質(zhì)內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)及流動(dòng)規(guī)律,能從微觀角度揭示油氣儲(chǔ)集和滲流機(jī)理,獲取儲(chǔ)層宏觀參數(shù),為油氣藏高效開發(fā)提供有力的技術(shù)指導(dǎo)[21-25]。CT成像技術(shù)是一種構(gòu)建三維數(shù)字巖心的重要方法,通過對(duì)巖心樣品不同斷層X射線衰減程度的測(cè)量生成連續(xù)的反映微觀孔隙信息的斷面圖像,并將處理后的二維圖像疊加形成三維數(shù)字巖心。CT掃描圖像的合理分割可對(duì)數(shù)字巖心準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要影響,在圖像二值化處理中如何準(zhǔn)確分割固相與孔隙,取決于分割閾值的合理確定。最大間距法、分水嶺算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等均可實(shí)現(xiàn)圖像二值分割,區(qū)分固相與孔隙,但上述方法僅針對(duì)灰度信息進(jìn)行處理,未考慮圖像所含的物理信息,如孔隙度等,導(dǎo)致分割結(jié)果與實(shí)際存在偏差。雖然以實(shí)測(cè)孔隙度為約束條件確定的分割閾值能更準(zhǔn)確地反映儲(chǔ)層微觀孔隙特征[26-27],但對(duì)于形狀不規(guī)則的巖心樣品,往往無法通過實(shí)驗(yàn)獲取其孔隙度,給二值閾值的確定帶來不便,本文基于分形理論,通過對(duì)部分圖像的預(yù)處理,獲取微觀孔隙的分維數(shù),最終得到理論孔隙度作為分割閾值的約束條件,為CT圖像的二值化處理提供新的方法和思路。
碳酸鹽巖固體顆粒級(jí)配良好,直徑λ跨度范圍約為三個(gè)量級(jí),且連續(xù)分布,如從若干微米到若干毫米,具有統(tǒng)計(jì)自相似性和標(biāo)度不變性[28],伴生的孔洞滿足累積數(shù)量與直徑分布的冪律關(guān)系,為分形多孔介質(zhì)。
根據(jù)分形理論,在d維歐式空間中的分形體的某個(gè)測(cè)量物理量滿足[21]
(1)
式中:F(γ)為待測(cè)物理量;L0為參考線性常數(shù);γ為測(cè)量線性尺度;d為歐式空間維數(shù);D為分形維數(shù)。
在無標(biāo)度區(qū)間內(nèi),多孔介質(zhì)單位體積中半徑大于λ的孔隙累積數(shù)與半徑分布滿足
Nc(λ≤L)=Aλ-D
(2)
式中:Nc為單位體積中半徑大于λ的孔隙累積數(shù);λ為孔隙半徑;L為測(cè)量尺度;A為比例系數(shù)。對(duì)式(2)中的λ求微分,可得單位體積分形多孔介質(zhì)中孔隙半徑的概率密度函數(shù)
(3)
推導(dǎo)出孔隙度[21,22]與分形維數(shù)的關(guān)系式為
(4)
式中:φ為孔隙度;λmax為孔隙最大半徑;λmin為孔隙最小半徑。
綜合式(3)、式(4)可得[29]
(5)
若已知多孔介質(zhì)單位體積孔隙數(shù)量N、孔隙最大半徑λmax和最小半徑λmin、分維值D,即可計(jì)算出巖心孔隙度φ。
3.1 CT成像技術(shù)簡(jiǎn)述
X射線CT是一種借助于計(jì)算機(jī)將X射線斷層掃描的斷面重現(xiàn)出來的成像技術(shù),可實(shí)現(xiàn)非透明物體組成及結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè),當(dāng)強(qiáng)度均勻的射線束透照射物體時(shí),由于內(nèi)部不同組分的密度、結(jié)構(gòu)等的差異,使不同部位透射射線強(qiáng)度不同,能量衰減程度滿足比爾定律
(6)
式中:I0、I分別為X射線穿過物體前、后的能量;μi、Li分別為第i種組分的衰減系數(shù)和透射路徑長(zhǎng)度。
X-CT機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括:X射線源、樣品夾持器和X射線檢測(cè)器(圖1)。X射線源發(fā)射X射線,經(jīng)由載物臺(tái)上的樣品(保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài))吸收后,由X射線檢測(cè)器接收衰減后的信號(hào)并傳送給計(jì)算機(jī),最后輸出樣品掃描圖像。
圖1 X射線CT原理圖
選取4塊碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖心(基本物性參數(shù)見表1)進(jìn)行CT掃描(縱向掃描間隔為0.076mm),每塊巖心得到1300余張圖像(圖2),每塊巖心等間隔選取400張圖像作為預(yù)處理對(duì)象,計(jì)算其分維值和孔隙度,從而確定最佳分割閾值。
表1 巖心物性參數(shù)表
圖2 巖心原始CT圖像
3.2 盒維數(shù)法確定分維值
本次實(shí)驗(yàn)中巖心掃描后得到的原始CT圖像為RGB模式,為便于運(yùn)用計(jì)盒維數(shù)法確定微觀孔隙結(jié)構(gòu)分維值,將RGB圖像轉(zhuǎn)換為像素值為0~255的灰度圖像(圖像大小不變,像素點(diǎn)總數(shù)仍為990×990),可通過灰度值表征掃描區(qū)域的不同組分、結(jié)構(gòu)等信息,如固相顏色較淺、灰度值較大,微觀孔隙顏色較深、灰度值較小。
CT灰度圖像中,灰度值可視為沿Z軸方向高度為z的微小長(zhǎng)方柱體,這樣,掃描區(qū)域的灰度值具有高低起伏的空間形態(tài)(圖3),每個(gè)像素點(diǎn)的自由度為3(指平面坐標(biāo)x、y和灰度值z(mì))。
圖3 CT圖像中各像素點(diǎn)的灰度值柱狀分布圖(局部)
針對(duì)由一系列微小長(zhǎng)方柱體構(gòu)成的灰度空間,采用計(jì)盒維數(shù)法確定微觀孔隙結(jié)構(gòu)分維值[17],其基本原理如下: 用高度為hi的微小長(zhǎng)方柱體(盒子)度量起伏不定的灰度空間,如某點(diǎn)灰度值為zi,所需盒子的數(shù)量為
(7)
(8)
圖關(guān)系曲線
基于1號(hào)巖心400張預(yù)處理灰度圖像得到的400個(gè)分維值D分布情況如圖6所示,可知分維值D分布在(1.6411,1.6507)范圍內(nèi),沿巖心軸向分布的波動(dòng)性較小。
圖曲線線性部分
圖6 分維值沿巖心軸向分布
綜合400張預(yù)處理圖像,得到平均分維值,見表2。分維值大小可表征微觀孔隙發(fā)育程度及非均質(zhì)性強(qiáng)弱,分維值分布與巖心特征相吻合。如1、3號(hào)巖心孔洞、裂縫較發(fā)育,非均質(zhì)性較強(qiáng),其平均分維值較大; 2號(hào)巖心部分發(fā)育裂縫,其平均分維值次之; 4號(hào)巖心孔隙相對(duì)不發(fā)育,其平均分維值最小。
3.3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)邊緣提取
為獲取單位體積多孔介質(zhì)中的微觀孔隙總數(shù)N,需準(zhǔn)確識(shí)別灰度圖中微觀孔隙結(jié)構(gòu)邊緣,統(tǒng)計(jì)每張圖像中單連通孔隙數(shù)量。
在邊緣檢測(cè)前,運(yùn)用鄰域大小為3×3的中值濾波器[31]對(duì)灰度圖像進(jìn)行降噪處理,可在不改變微觀孔隙與固相對(duì)比度的前提下,有效地提高邊緣檢測(cè)精度。
在灰度圖像中,邊緣是指研究對(duì)象的邊界,即反映灰度值劇烈變化的曲線,邊緣檢測(cè)的目的就是尋找這些灰度值劇烈變化的像素點(diǎn),可通過MATLAB的edge函數(shù)實(shí)現(xiàn)灰度圖中微觀孔隙結(jié)構(gòu)邊緣的有效檢測(cè)。edge函數(shù)邊緣檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于使用了兩種不同的閾值分別檢測(cè)強(qiáng)邊緣和弱邊緣,只有在強(qiáng)、弱邊緣相連時(shí),輸出圖像中才包含弱邊緣,真正的弱邊緣易于檢測(cè),且有效避免了噪聲填充。edge函數(shù)求取邊界的算子較多,如sobel、prewitt、log、roberts和zeroscross等,本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用canny算子完成邊界檢測(cè)。
BS-240VET全自動(dòng)生化分析儀(深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司);Bio-Rad D-10 HbA1C分析儀(美國(guó)Bio-Rad公司);α1-微球蛋白(α1-MG)試劑盒(德靈公司);血清尿清蛋白/尿肌酐(UALB/Cr)、視黃醇結(jié)合蛋白(RBP)、血清胱抑素-C(Cys-C)(南京威科特曼公司產(chǎn)品);同型半胱氨酸(Hcy)、尿β2微球蛋白(U-β2-MG)試劑盒(寧波瑞源生物科技有限公司);糖化血紅蛋白(HbA1C)試劑盒(美國(guó)Bio-Rad公司)。C-反應(yīng)蛋白(CRP)(寧波美康生物科技股份有限公司)。
canny算子是一種較新的邊緣檢測(cè)算子,具有較高的邊緣檢測(cè)性能,得到了越來越廣泛的應(yīng)用。canny算子邊緣檢測(cè)的基本原理如下: ①求取高斯濾波器f與圖像函數(shù)g(x,y)的卷積(式9); ②計(jì)算圖像梯度的幅值和方向; ③對(duì)梯度圖像應(yīng)用非極大值抑制,確定梯度局部最大值
(9)
對(duì)于canny算子更深入的理論解析不做贅述,詳細(xì)推導(dǎo)過程可參考文獻(xiàn)[33]。
圖7展示了運(yùn)用edge函數(shù)的canny算子提取得到的灰度圖像中微觀孔隙結(jié)構(gòu)的邊緣信息,將原始灰度圖像中絕大部分孔隙結(jié)構(gòu)包含在內(nèi)(其余更微小的孔隙結(jié)構(gòu)限于圖像分辨率無法表征),實(shí)現(xiàn)了單連通孔隙的有效識(shí)別與準(zhǔn)確劃分。
圖8所示為1號(hào)巖心每張預(yù)處理圖像(共計(jì)400張)中微觀孔隙數(shù)量沿巖心軸向分布特征,溶蝕段孔隙密集發(fā)育,從圖像中識(shí)別出的微觀孔隙數(shù)量較多; 致密段孔隙稀疏分布,從圖像中識(shí)別出的微觀孔隙數(shù)量較少,單張圖像最大的孔隙數(shù)量可達(dá)最小值的3倍之多,體現(xiàn)了碳酸鹽巖較強(qiáng)的非均質(zhì)性。獲取孔隙數(shù)量后,可進(jìn)一步計(jì)算得到單位體積多孔介質(zhì)中的孔隙總數(shù)N(見表2)。
3.4 微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算
由圖7b可知,canny算子輸出圖像為二值圖像,孔隙邊界點(diǎn)為1,其余點(diǎn)均為0。針對(duì)該二值圖像,采用自定義4連通像素值梯度突變算法,自主編程實(shí)現(xiàn)單連通孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(如面積)的計(jì)算,自定義像素值梯度計(jì)算公式為
=f(i,j+1)-f(i,j)
(10)
式中:i、j為像素點(diǎn)坐標(biāo);f為像素值。在二值圖中,固相和孔隙相中的像素值梯度均為0,而在兩相邊界處像素值梯度出現(xiàn)突變,為±1。
圖7 canny算子邊緣識(shí)別效果圖
圖8 微觀孔隙數(shù)量沿巖心軸向分布特征
遍歷二值圖像矩陣,若第i行第j列的像素值為0,則自第j列始逐列計(jì)算像素值梯度; 若出現(xiàn)突變,確定第i行的左右邊界,第i行也是該單聯(lián)通孔隙相的上邊界。
判斷第i行第j列的左邊界點(diǎn)下方(第i+1行第j列)像素值: ①若為0,則以第i+1行第j列像素點(diǎn)為始,分別向左、向右計(jì)算不同列的像素值梯度,通過突變確定第i+1行的左右邊界; ②若為1,則判斷第i行第j+1列像素點(diǎn)下方(第i+1行第j+1列)像素值。重復(fù)上述過程,確定第i+1行的左右邊界。
如果循環(huán)至第n行,0值下方均為1,可確定第n行為該單聯(lián)通孔隙相的下邊界,循環(huán)結(jié)束。這樣即可找到一個(gè)完整的單連通孔隙區(qū)域,并對(duì)其所含全部像素點(diǎn)及邊界點(diǎn)分別標(biāo)記。
運(yùn)用上述算法,可準(zhǔn)確計(jì)算單張二值圖像相互獨(dú)立的微觀孔隙結(jié)構(gòu)面積(即所含像素點(diǎn)總數(shù)量)。但由于真實(shí)孔隙的位置、形態(tài)、大小等復(fù)雜多樣,難以獲其特征參數(shù),可將各孔隙視為與其等面積的圓,進(jìn)而計(jì)算其等效半徑λ。表2為統(tǒng)計(jì)不同巖心預(yù)處理圖像得到的微觀孔隙等效半徑最大值λmax和最小值λmin。圖9為孔隙等效半徑分布特征,最大等效半徑約為80像素點(diǎn),即5.976mm,最小等效半徑約為2像素點(diǎn),即0.156mm,表明孔隙形態(tài)、位置和大小差異性較大,具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性; 同時(shí),較好地實(shí)現(xiàn)了微小孔隙的識(shí)別和標(biāo)定,程序穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較好。
圖9 孔隙等效半徑沿巖心軸向分布特征
由表2可知,對(duì)于縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層,普遍發(fā)育橫截面積較大的孔隙,如1號(hào)巖心的孔隙最大等效半徑為5.976mm,具有較好的儲(chǔ)集特性,分析CT圖像得到的認(rèn)識(shí)與常規(guī)物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,充分體現(xiàn)了可視化方法的直觀性和準(zhǔn)確性。
上述所有過程均由自編的MATLAB程序自動(dòng)批量處理并輸出計(jì)算結(jié)果。
表2 計(jì)算孔隙度所需各參數(shù)值
3.5 確定孔隙度和最佳分割閾值
經(jīng)過前述分析計(jì)算,已經(jīng)獲取了微觀孔隙平均分維值D、單位體積多孔介質(zhì)中的孔隙總數(shù)N和孔隙等效半徑λmax、λmin?,F(xiàn)在,將各參數(shù)代入式(6),即可得到巖心孔隙度(表3),計(jì)算所得孔隙度和實(shí)驗(yàn)孔隙度相近,最大相對(duì)誤差為8.7%,表明基于理論公式計(jì)算的孔隙度精度較高,符合儲(chǔ)層實(shí)際,該孔隙度可作為CT灰度圖像二值分割的約束條件,特別是針對(duì)未開展常規(guī)孔隙度測(cè)試的巖心,其CT圖像二值分割最佳閾值滿足[32]
f(k*)
(11)
式中:Imin、Imax分別為CT圖像最小和最大灰度值;P(i)為像素點(diǎn)i的灰度值;φ為計(jì)算孔隙度;k*為最佳閾值。
將得到的計(jì)算孔隙度代入式(11),確定的最佳分割閾值見表3,分割后的二值圖像如圖10所示,較好地保留了不同尺度微觀孔隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)和分布特征,為后續(xù)構(gòu)建三維數(shù)字巖心奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從理論上來說,同一儲(chǔ)層段的巖心樣品CT圖像應(yīng)取相同的最佳閾值,但由表3可知,4塊巖心對(duì)應(yīng)的最佳閾值并不相同,而是存在微小差異。逐次選取表3中的一個(gè)最佳閾值,對(duì)4塊巖心CT圖像開展相同閾值下的二值分割,統(tǒng)計(jì)孔隙度相對(duì)誤差,結(jié)果如圖11所示。
表3 孔隙度及相對(duì)誤差和最佳閾值
圖10 最佳閾值確定的二值圖像
圖11 不同閾值對(duì)應(yīng)的孔隙度相對(duì)誤差
由圖11可知,采用相同閾值對(duì)CT圖像分割后,4塊巖心所得孔隙度相對(duì)誤差差異較為明顯,不適宜對(duì)同一儲(chǔ)層段的巖心樣品的CT掃描圖像采用完全相同的閾值開展二值分割。上述結(jié)果可能是由于不同巖心樣品中礦物成分及顆粒膠結(jié)程度的差異與CT掃描中的噪聲干擾等所導(dǎo)致。
本文基于縫洞型碳酸鹽巖CT圖像分析處理,探究了微觀孔隙結(jié)構(gòu)分形特征和圖像二值分割最佳閾值的確定,主要結(jié)論如下。
(1)CT掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)不同尺度微觀孔隙結(jié)構(gòu)的可視化表征,為研究多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字巖心的構(gòu)建提供了條件。
(2)碳酸鹽巖儲(chǔ)層屬于固相分形多孔介質(zhì),其中伴生的縫洞等微觀孔隙結(jié)構(gòu)滿足累積數(shù)量與半徑分布的冪律關(guān)系,即具有統(tǒng)計(jì)意義上的分形特征;分維值大小可表征微觀孔隙發(fā)育程度及非均質(zhì)性強(qiáng)弱,微觀孔隙等效半徑范圍越大,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,分維值越大,且分維值與孔隙度之間存在非線性定量關(guān)系。
(3)對(duì)灰度圖像的適當(dāng)降噪處理及邊緣識(shí)別算子的合理運(yùn)用,可實(shí)現(xiàn)對(duì)灰度圖像微觀孔隙的有效標(biāo)識(shí),有別于先二值化后邊緣識(shí)別的常規(guī)方法,在保證精度的同時(shí)提高了效率;自定義4連通像素值梯度突變算法可有效統(tǒng)計(jì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù),準(zhǔn)確獲取孔隙最大和最小等效半徑。
(4)分維值等參數(shù)計(jì)算所得孔隙度與實(shí)驗(yàn)孔隙度的相對(duì)誤差較小,表明通過理論公式所得孔隙度精度較高,可作為確定二值分割最佳閾值的約束條件,以此所得的二值圖像中較好地保留了不同尺度微觀孔隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)和分布特征,為后續(xù)構(gòu)建三維數(shù)字巖心奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
(5)本文為探究實(shí)驗(yàn)孔隙度未知的巖心CT圖像如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的二值化處理提供了新的角度和方法。
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(本文編輯:朱漢東)
吳國(guó)銘 博士研究生,1989年生;2012年本科畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè),隨后在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)滲流流體力學(xué)研究所流體力學(xué)專業(yè)取得碩博連讀資格,主要從事油氣田開發(fā)方面的學(xué)習(xí)和研究。
1000-7210(2017)05-1025-08
P631
A
10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.016
*河北省廊坊市44號(hào)信箱,065007。 Email:guomwu@163.com
本文于2016年10月18日收到,最終修改稿于2017年8月16日收到。
本項(xiàng)研究受國(guó)家重大科技專項(xiàng)(2011ZX05013-002)資助。