CN107991212B - 一种含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测试领域，具体涉及一种含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算方法。首先，获取含水合物沉积物X‑CT灰度图像，测量孔隙度。然后对灰度图像重新着色，将土颗粒、水合物颗粒与气体、水分成灰度值对比较明显的两组，然后设定阈值对X‑CT彩色图像进行二值化处理得到黑白图像，获取的黑白图像的有效孔隙度与X‑CT灰度图像的有效孔隙度应当相同，白色和黑色分别代表骨架材料和孔隙流体。求解黑白图像中黑色区域的分形维数，即为含水合物沉积物有效孔隙的分形维数。本发明解决了现有方法无法有效分割固体骨架空间和孔隙流体空间的问题，进而能够精确测算含水合物沉积物有效孔隙的分形维数。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测试领域，具体涉及一种含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算方法。
背景技术
天然气水合物是由天然气和水在较低的温度和较高的压力条件下形成的一种笼型结晶化合物，因其蕴藏着丰富的天然气而被誉为21世纪最为重要的潜在替代能源之一。2017年5月-7月，我国在南海神狐海域的首次成功试开采天然气水合物。目前，世界上已进行的水合物试开采产气效率远不足以满足商业化开采的需求，对水合物开采技术研究提出了更高的要求。
含水合物沉积物渗透性是水合物开采产能预测、方案设计和环境安全等工作的基础，深刻理解其在水合物开采过程中的多物理场演化规律具有重要的意义。含水合物沉积物通常由土颗粒、水合物颗粒、天然气和水或冰组成，水合物颗粒填充于沉积物孔隙空间，缩小可供流体流动的有效孔隙空间，改变孔隙流体流动通道展布，导致含水合物沉积物渗透性在不同的水合物饱和度条件下差异十分明显。由于含水合物沉积物结构十分复杂，传统的欧式几何难以合理地描述含水合物沉积物有效孔隙的尺度特征，一定程度上限制了含水合物沉积物渗透性微观机理的解释工作。分形几何学从多孔介质本身结构出发，发现了自然界多孔介质广泛存在着统计意义上的幂律标度关系，能够较好的表征多孔介质孔隙尺度特征，近四十年来得到了长足的进步与发展。图像二值化是多孔介质孔隙分形维数求解的基础，是通过合理设置灰度阈值将灰度多值图像转换为黑白二值图像。含水合物沉积物四组分按照密度由大到小排列通常为土颗粒、水、水合物颗粒和天然气，孔隙流体(水和天然气)与骨架固体(土颗粒和水合物颗粒)密度交叉分布，且水合物颗粒与水的密度十分接近，单阈值二值化获得的黑白图像无法有效地分割孔隙流体与骨架固体，二值化图像精细化反映含水合物沉积物有效孔隙的微观结构难以保证，据此测算的含水合物沉积物有效孔隙的分形维数存在较大误差。
发明内容
针对现有的图像处理方法得到二值化图像难以精细反映水合物沉积物的效孔隙的微观结构，导致据此测算的含水合物沉积物有效孔隙的分形维数存在较大误差的上述问题，本发明提供一种含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算方法，通过重新设定含水合物沉积物各组分的灰度值，精确区分隙流体与骨架固体，再通过设定二值化阈值，得到获得能够反映含水合物沉积物有效孔隙分布的黑白图像，基于黑白图像求解黑色区域计盒维数，即含水合物沉积物孔隙分形维数。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算方法，包括以下步骤：
(1)获取含水合物沉积物X-CT灰度图像，测量孔隙度；
(2)对灰度图像重新着色，将土颗粒、水合物颗粒与气体、水分成灰度值对比明显的两组，获得含水合物沉积物X-CT彩色图像；
(3)设定阈值对X-CT彩色图像进行二值化处理得到黑白图像，调整阈值使得获取的黑白图像的有效孔隙度与X-CT灰度图像的有效孔隙度相同；
(4)求解黑白图像中黑色区域的分形维数，即为含水合物沉积物有效孔隙的分形维数。
进一步地，该测算方法中X-CT扫描的对象是根据实际储层情况人工合成的含水合物沉积物。
进一步地，所述含水合物沉积物的制备方法为：向X-CT低温高压反应釜内填充沉积物，沉积物的粒径范围根据实际勘探情况确定，注入水后，注入甲烷气至釜内压力达到10-12MPa，制冷降温至6-8℃合成甲烷水合物，待釜内压力稳定后甲烷水合物合成结束。
进一步地，步骤(2)土颗粒和水合物颗粒的灰度值为均为150-255，气体和水的灰度值均为0-100。
进一步地，步骤(2)土颗粒的灰度值大于水合物颗粒的灰度值，气体的灰度值大于水的灰度值。
进一步地，步骤(2)土颗粒的灰度值为200-255，水合物颗粒的灰度值为150-200，气体的灰度值为50-100，水的灰度值为0-50，获得含水合物沉积物X-CT彩色图像
进一步地，步骤(2)土颗粒的灰度值为255，水合物颗粒的灰度值为150.5，气体的灰度值为28.1，水的灰度值为0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)把X-CT灰度图像中的土颗粒、水合物颗粒、水和气体重新着色，这样固体骨架(土颗粒和水合物)颜色灰度值较大，而孔隙流体(气体和水)颜色灰度值较小，解决了现有方法无法有效分割固体骨架空间和孔隙流体空间的问题。
(2)控制黑白图像有效孔隙度与灰度图像有效孔隙度相符，保证了图像二值化处理的可靠性，使黑白图像能够真实反映含水合物沉积物有效孔隙的分布，为含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算奠定基础。
(3)灰度图像重新着色技术成熟，黑白图像计盒维数计算方法可靠，为含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算提供了有力的技术支撑。
(4)方法简单，结果准确，能够处理组分复杂的物质，实用性强。
附图说明
图1是含水合物沉积物孔隙分形维数测算方法流程图。
图2是含水合物沉积物X-CT灰度图像。
图3是含水合物沉积物X-CT黑白图像，白色代表固体骨架，黑色代表孔隙流体。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
一种含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算方法，首先，获取含水合物沉积物X-CT灰度图像，测量孔隙度。然后对灰度图像重新着色，将土颗粒、水合物颗粒与气体、水分成灰度值对比较明显的两组，然后设定阈值对X-CT彩色图像进行二值化处理得到黑白图像，获取的黑白图像的有效孔隙度与X-CT灰度图像的有效孔隙度应当相同，白色和黑色分别代表骨架材料和孔隙流体。求解黑白图像中黑色区域的分形维数，即为含水合物沉积物有效孔隙的分形维数。
该测算方法中X-CT灰度图像是采用X-CT扫描获取的，扫描的对象可以是根据实际勘探情况人工合成的含水合物沉积物。含水合物沉积物按照密度由大到小排列通常为土颗粒、水、水合物颗粒和天然气。水合物颗粒和水的密度十分接近，X-CT灰度图像中无法有效地分割孔隙流体(气体和水)与骨架固体(土颗粒和水合物)，对含水合物沉积物灰度图像二值化造成了较大的困难。
对X-CT灰度图像的重新着色，目的是将土颗粒、水合物颗粒与气体、水分成灰度值对比较明显的两组。土颗粒和水合物颗粒的灰度值可以相同，也可以不相同，同样，气体与水的灰度值可以相同，也可以不相同。可以设置土颗粒和水合物颗粒的灰度值为均为150-255，气体和水的灰度值均为0-100。为了更加符合习惯，可以设置土颗粒的灰度值大于水合物颗粒的灰度值，气体的灰度值大于水的灰度值。还可以设置土颗粒的灰度值为200-255，水合物颗粒的灰度值为150-200，气体的灰度值为50-100，水的灰度值为0-50。
阈值的设置需要满足获取的黑白图像的有效孔隙度与X-CT灰度图像的有效孔隙度相同。因此，当获取的黑白图像的有效孔隙度与X-CT灰度图像的有效孔隙度不相同时，应当调整阈值直至满足上述要求。获取的黑白图像中土颗粒和水合物为固体骨架，气体和水为孔隙流体。
含水合物沉积物的制备方法为：向X-CT专用反应釜内填充沉积物，注入水后，注入甲烷气至釜内压力达到10-12MPa，制冷降温至6-8℃合成甲烷水合物，待釜内压力稳定后甲烷水合物合成结束。填充的沉积物的粒径范围根据实际勘探情况确定的，水、甲烷及反应压力和温度的控制根据所需的含水合物沉积物来确定。当然含水合物沉积物可以采用其他的方法来获取，与实际勘探的含水合物沉积物越接近越好。
实施例
向内径10mm的X-CT低温高压反应釜中填充粒径范围0.3-0.5mm的砂土，注入一定质量的水后注入甲烷气至釜内压力达到12MPa左右，制冷降温至8℃合成甲烷水合物，待釜内压力稳定后甲烷水合物合成结束。进行X-CT扫描，三维重构后获得含水合物沉积物的灰度图像，如图2所示，划分土颗粒、甲烷水合物、水和甲烷气体在密度分布曲线上的对应区间，测算有效孔隙度为21.1％。将土颗粒着白色(灰度值255)、绿色(灰度值150.5)、蓝色(灰度值28.1)和黑色(灰度值为0)，获得含水合物沉积物X-CT彩色图像。设定二值化阈值并根据有效孔隙度进行调整，在二值化阈值为0.3412时计算有效孔隙度为21.1％，最终获得的黑白图像如图3所示，二值化处理过程结束，获得能够反映含水合物沉积物有效孔隙分布的黑白图像。基于黑白图像求解黑色区域计盒维数，即含水合物沉积物孔隙分形维数为1.7219。
Claims (3)
1.一种含水合物沉积物有效孔隙的分形维数测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取含水合物沉积物X-CT灰度图像，测量孔隙度；
(2)对灰度图像重新着色，将土颗粒、水合物颗粒与气体、水分成灰度值对比明显的两组，获得含水合物沉积物X-CT彩色图像；
其中，土颗粒、水合物颗粒、气体和水的灰度值的设定采用以下几种方式中的任意一种：
1)土颗粒和水合物颗粒的灰度值均为150-255，气体和水的灰度值均为0-100；
2)土颗粒的灰度值大于水合物颗粒的灰度值，气体的灰度值大于水的灰度值；
3)土颗粒的灰度值为200-255，水合物颗粒的灰度值为150-200，气体的灰度值为50-100，水的灰度值为0-50；
(3)设定阈值对X-CT彩色图像进行二值化处理得到黑白图像，其中，白色代表固体骨架，黑色代表孔隙流体，调整阈值使得获取的黑白图像的有效孔隙度与X-CT灰度图像的有效孔隙度相同；
(4)求解黑白图像中黑色区域的分形维数，即为含水合物沉积物有效孔隙的分形维数。
2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，该测算方法中X-CT扫描的对象是根据实际储层情况人工合成的含水合物沉积物。
3.根据权利要求2所述的测算方法，其特征在于，所述含水合物沉积物的制备方法为：向X-CT低温高压反应釜内填充沉积物，沉积物的粒径范围根据实际勘探情况确定，注入水后，注入甲烷气至釜内压力达到10-12MPa，制冷降温至6-8℃合成甲烷水合物，待釜内压力稳定后甲烷水合物合成结束。
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