岩石内部微裂缝提取和刻画方法及系统与流程

本发明涉及石油勘探开发技术领域，更具体地，涉及一种岩石内部微裂缝提取和刻画方法及系统。

背景技术：

目前，岩样内微裂缝的成像分析和定量研究主要可以分成两类：

一是利用数理统计的方法，研究岩心柱中微裂缝的某些统计性质。在岩心二维照片或ct扫描获得的岩心三维数据体上，对岩心中天然微裂缝或人工压裂后形成的微裂缝的面积、倾角、面缝率、连通情况等进行计算机统计，进而提出数学表达式。并最终将其应用到微裂缝在储层中的体积密度、孔隙度预测，或对压裂效果的评估上。该类研究涉及的主要技术为图像数据处理(包括图像增强、锐化、去噪等)、岩心微裂缝的特征化提取(即区分裂缝像素点和基质像素点)，以及对裂缝数量、长度、宽度、间距的自动化计量。该类方法只能得到岩样中裂缝的统计性质，并不是对真实裂缝几何形态的准确刻画，因此无法对特定的一条(或几条)裂缝进行精确的几何表征。

二是根据岩心三维成像数据，直接重构出内部各条裂缝的几何形态。例如：根据人工压裂后的岩心裂缝图像，提取每条裂缝的倾角和面积，进而计算压后岩心的面缝率和裂缝倾角离散度，评估压裂效果，但该方法只能获得岩心中各裂缝大致的倾角和面积，无法精确刻画每条裂缝的几何形态；将ct扫描获得的基质孔隙结构，与根据裂缝形成机制人工生成的多组裂缝相叠加，形成“基质孔隙+裂缝孔隙”的裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心，但该方法中的裂缝是人工随机生成的，并不是对岩心中真实裂缝的重构；在ct扫描图像的基础上，提取出属于裂缝的点云，再使用逆向工程软件获取裂缝形态，该方法获得的裂缝已经失去了在原岩心模型中的位置信息，必须通过人工的旋转和移动才能恢复到原始的位置；针对扫描获得的裂缝点云，使用移动立方体算法，重构出裂缝的包络面，但该方法获得的裂缝其实是构成这一裂缝的所有像素点的外包络面，并非一个几何意义上无厚度的面(真实裂缝的中轴面)，因此无法用于后续的离散裂缝数值模拟。

并且，以上两种方法的一个主要问题是只能获得一个岩心柱中所有微裂缝对应的点云的共同的外包络面，而无法将各条微裂缝区分开。因此，有必要开发一种基于三维扫描图像数据的岩石内部微裂缝提取和刻画方法及系统。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明提出了一种岩石内部微裂缝提取和刻画方法及系统，其能够通过重构岩样内部的微裂缝的几何分布，高精度、自动化地提取微裂缝，对于岩样内部微裂缝进行更加直观和详细的认识，尤其对于页岩、致密砂岩等储层内微观流动机理的研究具有重要意义。

根据本发明的一方面，提出了一种岩石内部微裂缝提取和刻画方法。所述方法可以包括：针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体；将所述初始岩样三维扫描数据体转化为地震数据体；根据所述地震数据体提取多个裂缝片，计算所述多个裂缝片的开度，实现裂缝刻画。

优选地，所述针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体包括：针对所述岩样三维扫描数据体去除扫描图像噪声与锐化、增强区域边界；针对所述岩样三维扫描数据体进行图像二值化处理，提取裂缝目标，获得所述初始岩样三维扫描数据体。

优选地，通过公式(1)进行图像二值化处理：

其中，f′(x,y,z)为初始，f(x,y,z)为岩样三维扫描数据体，θ为二值化阈值。

优选地，通过蚂蚁追踪法提取多个裂缝片：通过petrel软件中的地震模块提取属性功能，提取蚂蚁体属性；设置蚂蚁体的搜索范围、偏移度、搜索步长、非法范围、合法范围、门槛值；通过三维空间离散裂缝网络模型的方式提取蚂蚁体中的裂缝片，以裂缝片的形式展示裂缝分布。

优选地，通过公式(2)计算开度：

a＝dv×n/s(2)

其中，a为开度，s为裂缝片的表面积，dv为单个像素的体积。

根据本发明的另一方面，提出了一种岩石内部微裂缝提取和刻画系统，其特征在于，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体；将所述初始岩样三维扫描数据体转化为地震数据体；根据所述地震数据体提取多个裂缝片，计算所述多个裂缝片的开度，实现裂缝刻画。

优选地，所述针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体包括：针对所述岩样三维扫描数据体去除扫描图像噪声与锐化、增强区域边界；针对所述岩样三维扫描数据体进行图像二值化处理，提取裂缝目标，获得所述初始岩样三维扫描数据体。

优选地，通过公式(1)进行图像二值化处理：

其中，f′(x,y,z)为初始，f(x,y,z)为岩样三维扫描数据体，θ为二值化阈值。

优选地，通过蚂蚁追踪法提取多个裂缝片：通过petrel软件中的地震模块提取属性功能，提取蚂蚁体属性；设置蚂蚁体的搜索范围、偏移度、搜索步长、非法范围、合法范围、门槛值；通过三维空间离散裂缝网络模型的方式提取蚂蚁体中的裂缝片，以裂缝片的形式展示裂缝分布。

优选地，通过公式(2)计算开度：

a＝dv×n/s(2)

其中，a为开度，s为裂缝片的表面积，dv为单个像素的体积。

其有益效果在于：通过重构岩样内部的微裂缝的几何分布，提取的微裂缝能够真实反映岩样内部裂缝几何结构，且可直接应用于岩心尺度的离散裂缝建模及数值模拟，从而对相关的岩样渗流实验结果进行验证和分析，同时对于岩样内部微裂缝进行更加直观和详细的认识，尤其对于页岩、致密砂岩等储层内微观流动机理的研究具有重要意义。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的岩石内部微裂缝提取和刻画方法的步骤的流程图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的岩样三维扫描数据体的示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的初始岩样三维扫描数据体的示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的地震数据体的示意图。

图5示出了根据图4的地震数据体中提取出的蚂蚁体的示意图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的裂缝片的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明的岩石内部微裂缝提取和刻画方法的步骤的流程图。

在该实施例中，根据本发明的岩石内部微裂缝提取和刻画方法可以包括：步骤101，针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体；步骤102，将初始岩样三维扫描数据体转化为地震数据体；步骤103，根据地震数据体提取多个裂缝片，计算多个裂缝片的开度，实现裂缝刻画。

在一个示例中，针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体包括：针对岩样三维扫描数据体去除扫描图像噪声与锐化、增强区域边界；针对岩样三维扫描数据体进行图像二值化处理，提取裂缝目标，获得初始岩样三维扫描数据体。

在一个示例中，通过公式(1)进行图像二值化处理：

其中，f′(x,y,z)为初始，f(x,y,z)为岩样三维扫描数据体，θ为二值化阈值。

在一个示例中，通过蚂蚁追踪法提取多个裂缝片：通过petrel软件中的地震模块提取属性功能，提取蚂蚁体属性；设置蚂蚁体的搜索范围、偏移度、搜索步长、非法范围、合法范围、门槛值；通过三维空间离散裂缝网络模型的方式提取蚂蚁体中的裂缝片，以裂缝片的形式展示裂缝分布。

在一个示例中，通过公式(2)计算开度：

a＝dv×n/s(2)

其中，a为开度，s为裂缝片的表面积，dv为单个像素的体积。

具体地，根据本发明的岩石内部微裂缝提取和刻画方法可以包括：

岩样三维扫描数据体为包含天然裂缝或人工压裂裂缝的岩样的三维数据体，该数据体的来源包括但不限于核磁共振、ct扫描等，通过任一种三维成像手段获取的岩样数据体均可提取裂缝。

针对岩样三维扫描数据体去除扫描图像噪声与把基质区域和裂缝区域的边界锐化、增强，岩样三维扫描数据体由于受采集器件的性能及周围环境(光照)等因素的影响，常含有各种噪声和失真。首先需要使用高斯滤波的方法去除扫描图像的噪声，再使用边界增强算法把基质区域与裂缝区域的边界锐化、增强。其目的是尽可能校正失真、提高图像中基质部分和裂缝部分的对比度，可以采用的方法不限于高斯滤波和边界增强算方法，常用的图像处理方法：阴影校正算法、平滑滤波、高斯滤波、中值滤波算法、自乘增强、边界增强算法均可根据岩样三维图像的具体情况选用，只要能使得岩样三维数据体中裂缝像素点与基质像素点能够清晰的区即可。

岩样三维扫描数据体可分为裂缝像素和基质像素两部分，利用图像二值化处理方法，人机交互选取适当的灰度阈值，实现岩样三维图像的二值化，从而把裂缝目标从背景中提取出来。具体为设定某一阈值θ，θ需根据去噪处理后的岩样三维扫描数据体中灰度值的分布仔细选取，保证裂缝和基质像素的有效分离，通过公式(1)进行图像二值化处理，用θ将图像数据分成两部分：大于θ的像素群和小于θ的像素群，即基质像素与裂缝像素，获得初始岩样三维扫描数据体。

将初始岩样三维扫描数据体转化为地震数据体：将二值化后的岩样三维扫描数据体导出到文本文件中，格式为n行4列，n为像素点的总数，4列数据依次为各像素点的x、y、z坐标和属性值(0或1)；使用任意一种地质建模软件(包括但不限于gocad、petrel)加载该文本文件，生成一个点集；在该地质建模软件中自定义一个地震数据，并指定其inlinenumber和crosslinenumber分别为水平面内x、y方向的像素点个数；深度采样为z方向像素点的个数，新建的地震数据体是空的，其内部各点上的属性值均为0；利用地质建模软件进行属性建模，根据点集的属性给地震数据体voxet的属性赋值，因为自定义的地震体与原来的点集完全重合，因此直接将各像素点的属性数据赋值给与它位置重合的地震体点即可，属性赋值完成后，即获得地震数据体，可用于提取裂缝。

根据地震数据体通过蚂蚁追踪法提取多个裂缝片：通过地震数据提取裂缝(地层中的大裂缝)的方法较多且相对成熟，包括但不限于相干体、曲率体、蚂蚁追踪、均方根振幅、主频分析等方法。以上方法中的任意一种均可用于提取岩样中的裂缝，但蚂蚁追踪技术不仅能够识别大的断裂，对于微小断裂识别也具有优势。其原理是在地震数据体中播撒大量的蚂蚁，在地震属性体中发现满足预设断裂条件的断裂痕迹的蚂蚁将“释放”某种信号，召集其他区域的蚂蚁集中在该断裂处对其进行追踪，直到完成该断裂的追踪和识别。而其他不满足断裂条件的断裂痕迹将不进行标注。通过该技术，可以获得一个低噪音、具有清晰断裂痕迹的数据体，并在此基础上提取断裂片，确定最终的断裂解释结果。

利用地震模块提取属性功能，提取蚂蚁体属性；提取过程中设置蚂蚁体的搜索范围、偏移度、搜索步长、非法范围、合法范围、门槛值；利用三维空间离散裂缝网络模型的方式提取蚂蚁体中的裂缝片，以裂缝片的形式展示裂缝分布。

裂缝片的开度是决定裂缝体积、渗透率的关键因素。由于在真实的岩样中，同一片裂缝的不同位置的开度也存在差异，因此对单一裂缝片而言，只能求取其平均开度，利用真实裂缝体积与提取后的裂缝体积相等的方法确定平均开度。

假设岩样三维扫描数据体在三个方向上的分辨率分别为dx、dy、dz，则单个像素的体积为dv＝dx×dy×dz，操作时，针对上一步提取出的某个裂缝片，统计距它垂直距离在h以内的像素点的个数n，其中，h是需要根据岩样的实际情况确定的一个常数，其物理意义是在该范围以内的像素点都是用来构成该裂缝片的点，一般对微裂缝而言，h可取0.5mm，则通过公式(2)计算多个裂缝片的开度，实现裂缝刻画。进而根据开度可以计算渗透率，为后续研究提供数据支持。

本方法通过重构岩样内部的微裂缝的几何分布，提取的微裂缝能够真实反映岩样内部裂缝几何结构，且可直接应用于岩心尺度的离散裂缝建模及数值模拟，从而对相关的岩样渗流实验结果进行验证和分析，同时对于岩样内部微裂缝进行更加直观和详细的认识，尤其对于页岩、致密砂岩等储层内微观流动机理的研究具有重要意义。

应用示例

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

图2示出了根据本发明的一个实施例的岩样三维扫描数据体的示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的初始岩样三维扫描数据体的示意图。

以f油田b区块1井6#岩心为例，用于扫描的岩心栓直径134mm，高150mm，ct扫描精度为水平方向dx＝dy＝0.4947mm，垂向dz＝0.625mm，像素数量为270×270×240＝17496000个，岩样三维扫描数据体如图2所示。利用软件avizo对扫描后获得的岩心数据体进行高斯滤波去噪，在使用边缘增强算法提高基质区域与裂缝区域的对比度，最后对获得的数据进行阈值分割。本次扫描获得的数据范围在0到100之间，通过反复调整分割阈值，最后确定以65为界限分割数据，即小于65的点认为是裂缝像素点，记为1；否则认为是基质像素点，记为0，获得的初始岩样三维扫描数据体如图3所示，从中可以看出该岩心包含7条微裂缝片。

图4示出了根据本发明的一个实施例的地震数据体的示意图。

将二值数据从软件avizo导出成一个文本文件，文本文件共包括17496000行、4列，各列依次为各像素点的x-y-z-属性值。再使用gocad软件读入该文本文件，形成一个pointset；新建一个空的地震数据体voxet，定义其主测线和联络测线分别为水平面内x、y方向的像素点个数(270和270)，垂向采样数为z方向像素点数240；再将点集pointset的属性值赋值给地震voxet，获得地震数据体如图4所示。

从gocad中将该地震数据体导出为seg-y格式，并使用petrel软件读取该数据。在petrel中，通过蚂蚁追踪算法计算该地震体中的裂缝分布，应用petrel软件中的地震模块seismicinterpretation中的属性提取功能，选择蚂蚁追踪属性，并设置以下参数：

1)定义搜索范围：一个蚂蚁在一次觅食中所能涉及到的范围，并用以控制蚂蚁的分布密度，该模型设置为7；

2)定义偏移度：限定种子蚂蚁在觅食中，其扫描觅食方向的范围，规定蚂蚁在15度的扫描范围内搜寻食物，搜到食物，释放信息，继续搜索，该模型设置为2；

3)定义搜索步长：即蚂蚁在觅食过程中，一次能搜索的最大范围，步长为3；

4)定义非法范围：规定一个蚂蚁在没有发现食物的情况下的最大搜索范围，模型中设置为1；

5)定义合法范围：合并非法蚂蚁步的参数，必须确保非法步后的合法步存在。参数设置范围0-3，越小连续性越好，本次设置为1；

6)定义门槛值：也是非法步总数的参数，判断蚂蚁有多少非法步时终止探索的参数。给的数据为百分比，此参数越大蚂蚁的探索能力越强，参数设置为10；

7)根据定义的参数利用petrel软件提取蚂蚁体属性。

图5示出了根据图4的地震数据体中提取出的蚂蚁体的示意图。

相关参数的设置可参考petrel软件用户手册中的推荐值，也可以根据实际的数据情况进行调整，以使得计算出来的蚂蚁体最大限度的与天然裂缝的分布吻合，从地震数据体中提取出的蚂蚁体如图5所示。

图6示出了根据本发明的一个实施例的裂缝片的示意图。

通过蚂蚁追踪计算以三维空间离散裂缝网络模型的方式提取蚂蚁体中的裂缝片，利用petrel软件中的裂缝提取功能按照蚂蚁体属性分布提取岩心中的裂缝片，以各种裂缝片的形式展示三维空间裂缝分布，如图6所示。

原ct扫描数据单个像素的体积为dv＝dx×dy×dz＝0.153mm³，统计到各裂缝垂直距离在0.5mm以内的裂缝像素点的个数n，则ndv是这个裂缝对应的裂缝像素点的总体积，则其开度a为该体积与其表面积的比值。计算出的各裂缝的开度为1.46mm、1.01mm、1.71mm、1.15mm、1.64mm、0.76mm、0.77mm。

综上所述，本发明通过重构岩样内部的微裂缝的几何分布，提取的微裂缝能够真实反映岩样内部裂缝几何结构，且可直接应用于岩心尺度的离散裂缝建模及数值模拟，从而对相关的岩样渗流实验结果进行验证和分析，同时对于岩样内部微裂缝进行更加直观和详细的认识，尤其对于页岩、致密砂岩等储层内微观流动机理的研究具有重要意义。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

根据本发明的实施例，提供了一种岩石内部微裂缝提取和刻画系统，其特征在于，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体；将初始岩样三维扫描数据体转化为地震数据体；根据地震数据体提取多个裂缝片，计算多个裂缝片的开度，实现裂缝刻画。

在一个示例中，针对岩样三维扫描数据体进行预处理，获得初始岩样三维扫描数据体包括：针对岩样三维扫描数据体去除扫描图像噪声与锐化、增强区域边界；针对岩样三维扫描数据体进行图像二值化处理，提取裂缝目标，获得初始岩样三维扫描数据体。

在一个示例中，通过公式(1)进行图像二值化处理：

其中，f′(x,y,z)为初始，f(x,y,z)为岩样三维扫描数据体，θ为二值化阈值。

在一个示例中，通过蚂蚁追踪法提取多个裂缝片：通过petrel软件中的地震模块提取属性功能，提取蚂蚁体属性；设置蚂蚁体的搜索范围、偏移度、搜索步长、非法范围、合法范围、门槛值；通过三维空间离散裂缝网络模型的方式提取蚂蚁体中的裂缝片，以裂缝片的形式展示裂缝分布。

在一个示例中，通过公式(2)计算开度：

a＝dv×n/s(2)

其中，a为开度，s为裂缝片的表面积，dv为单个像素的体积。

本系统通过重构岩样内部的微裂缝的几何分布，提取的微裂缝能够真实反映岩样内部裂缝几何结构，且可直接应用于岩心尺度的离散裂缝建模及数值模拟，从而对相关的岩样渗流实验结果进行验证和分析，同时对于岩样内部微裂缝进行更加直观和详细的认识，尤其对于页岩、致密砂岩等储层内微观流动机理的研究具有重要意义。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。