一种测试压裂支撑剂圆球度的方法与流程

本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种测试压裂支撑剂圆球度的方法。

背景技术：

压裂支撑剂是油田开发过程中压裂环节使用到的重要材料。支撑剂性能的优劣直接关系到在闭合压力下的裂缝导流能力，对地层压裂起到非常重要的作用。支撑剂圆球度是压裂支撑剂性能评价的重要参数。在QSH 1020 1598-2008压裂支撑剂性能指标及测定方法、QSY 125-2007压裂支撑剂性能制表及评价测试方法、SYT 5108-200压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法等标准中，评价方法都采用了图版对比法，此方法存在误差大、主观性强及测试时间长等缺点。近几年也出现了使用计算机图像采集与公式计算相结合的方法，计算速度和客观性得到了很大提高，但其测试精度低；而不同分辨率下颗粒的圆球度计算结果差距较大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，设计合理，克服了不同分辨率颗粒圆球度差距大的问题，增加了圆球度的测试精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，采用体视显微镜，包括如下步骤：

步骤1：通过体视显微镜对多粒支撑剂颗粒进行图像采集，并对采集的图像初步预处理，根据图像特征判断支撑剂颗粒的类型；

若：判断结果是支撑剂颗粒为石英砂类支撑剂颗粒，则执行步骤2；

或判断结果是支撑剂颗粒为陶瓷类支撑剂颗粒，则执行步骤3；

步骤2：通过计算支撑剂颗粒的轮廓上所有角点处的内切圆半径，计算支撑剂颗粒的圆度；通过计算支撑剂颗粒的轮廓的长轴、短轴，计算支撑剂颗粒的球度，具体包括如下步骤：

步骤2.1：图像预处理：去噪、二值化，并获取轮廓点集；

采用自动阈值法将图像二值化，使用二维中值滤波法去除图像噪声，从预处理完成的图像中获取单一支撑剂颗粒的轮廓，并记录轮廓点；

步骤2.2：曲线平滑处理；

步骤2.3：角点判定；

步骤2.4：计算圆度；

步骤2.5：计算球度；

步骤3：通过计算支撑剂颗粒的周长、面积以及最小外接圆的半径，计算支撑剂颗粒的圆度和球度，具体包括如下步骤：

步骤3.1：图像预处理：去噪、二值化；

步骤3.2：图像闭处理，消除尖锐角；

通过设置结构元素消除轮廓线上的凸起，使轮廓线更光滑；

步骤3.3：曲线平滑处理；

步骤3.4：计算支撑剂颗粒的周长、面积以及最小外接圆的半径；

步骤3.5：根据公式(3)计算圆度，根据公式(4)计算球度；

$Roundness=\frac{4\mathrm{\π}S}{P^2}---\left(3\right);Sphericity=\frac{\sqrt{S/\mathrm{\π}}}{R}---\left(4\right);$

其中，P为支撑剂颗粒的周长、S为支撑剂颗粒的面积、R为最小外接圆的半径。

优选地，在步骤2.2中，具体包括：

步骤2.2.1：特征点检测

使用Harris角点检测算子对轮廓点集中的点进行特征点检测，获取图像轮廓特征点；

步骤2.2.2：曲线拟合

以图像轮廓特征点为边界，将轮廓线分成若干区间；计算各区间内的三次贝塞尔曲线的控制点，最终获得各区间的贝塞尔曲线，按照各个区间在总区间内的比例，获取各区间点个数，记录点总个数。

优选地，在步骤2.3中，具体包括：

步骤2.3.1：以O为轮廓线的中心点，P_i-1、P_i、P_i+1分别为轮廓线上连续的三个点，令直线OP_i与直线P_i-1P_i+1的交点P_j；

步骤2.3.2：将线段P_i-1P_i+1的长度‖P_i-1P_i+1‖与线段OP_j的长度||OP_j||进行比较，如果||OP_j||>‖P_i-1P_i+1‖，则P_j为角点；反之，则为非角点。

优选地，在步骤2.4中，具体包括：

步骤2.4.1：计算角点内切圆半径，具体包括如下步骤：

步骤2.4.1.1：设定点集合

假设轮廓线上共有点P₁、P₂、P₃……P_n，假设计算过程中使用到的点集合为P₁、P₂、P₃……P_n、P_n+1……P_n+n/2，其中P_n+1＝P₁，P_n+2＝P₂……P_n+n/2＝P_n/2；

步骤2.4.1.2：角点内切圆拟合

使用非线性最小二乘法对点集进行拟合，拟合出的曲线以误差的平方和最小为准则，记录拟合圆的半径和圆心；

步骤2.4.1.3：角点内切圆判定

计算拟合圆的圆心到轮廓上点的距离与拟合圆半径的比值，判断此处拟合圆是否为内切圆；若：判断结果是此处拟合圆不为内切圆，则删除最后一个点，继续对剩余的点集拟合判定，直至剩余2个点为止；若无满足条件的内切圆，则删除第一个点，继续对剩余的点集拟合判定，直至剩余2个点为止；记录所有满足条件的内切圆半径集合{r_m}，其中，m为满足上述条件的内切圆个数；

步骤2.4.2：计算角点最大内切圆半径，具体包括如下步骤：

步骤2.4.2.1：根据轮廓点集构造泰森多边形；

步骤2.4.2.2：判定获取轮廓内的泰森多边形顶点集合；

步骤2.4.2.3：计算顶点集合中的每一个点到轮廓点的最短距离；

步骤2.4.4.4：查找最短距离中的最小值，即为最大内切圆半径r_max；

步骤2.4.3：根据公式(1)计算圆度；

$Roundness=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m\frac{r_m}{r_{max}}}{m}---\left(1\right);$

其中，r_m—角点内切圆半径；r_max—最大内切圆半径；m—内切圆个数。

优选地，在步骤2.5中，具体包括：

步骤2.5.1：构造轮廓点的最小外接矩形，获得轮廓的长轴、短轴；

步骤2.5.2：根据公式(2)计算球度：

$Sphericity=\frac{Width}{Length}---\left(2\right);$

其中，width为轮廓的短轴；length为轮廓的长轴。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种测试压裂支撑剂圆球度的方法，与现有技术相比，本发明采用体视显微镜完成数据采集工作，节省了人力，自动化程度高；采用原始定义测试方式，以圆度初始定义为出发点计算颗粒圆球度，测试精度高；借助混合编程数据处理技术，提高了计算速度和精度；克服了不同分辨率颗粒圆球度差距大的问题；解决了现有技术测试数量少、速度慢、精度低等缺点，提高了支撑剂颗粒的检测水平；有力地支持了现场压裂技术的开展。

附图说明

图1为本发明一种测试压裂支撑剂圆球度的方法的流程框图。

图2为本发明的测试结果示例图。

图3为支撑剂圆球度的测试标准模板图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

为解决不同分辨率颗粒圆球度差距大、速度慢、测试精度低等问题。本发明提供了一种测试压裂支撑剂圆球度的方法(如图1所示)，包括以下步骤：

步骤1：抓取20-50粒支撑剂颗粒，使用体视显微镜采集数据图像，图像初步预处理，根据图像特征观察分类处理。

步骤2：若为石英砂类支撑剂颗粒，处理数字图像并获取图像数据信息。通过提取测试颗粒轮廓上所有角点处内切圆半径，求取支撑剂圆度；通过提取测试颗粒长边、短边，计算支撑剂球度。

步骤3：若为陶瓷类支撑剂颗粒，处理数字图像并获取图像数据信息。通过计算测试颗粒周长P、面积S、最小外接圆半径R，计算支撑剂圆球度。

在步骤1中对支撑剂颗粒分类处理的步骤如下：

步骤1.1：图像预处理：去噪、二值化；

步骤1.2：观察图像特征，若颗粒表面光滑的压裂支撑剂，判定为石英砂类颗粒；若颗粒表面高低不平、尖锐角多，判定为陶瓷类颗粒。

在步骤2中对石英砂类支撑剂颗粒计算圆球度的具体步骤如下：

步骤2.1：图像预处理：去噪、二值化、获取轮廓点集；

采用自动阈值法将颗粒图像二值化，使用二维中值滤波法去除图像噪声。从预处理完成的图像中获取单一颗粒的轮廓，将轮廓点保存在数组pointSet[i]{i＝0,1,2……}中。

步骤2.2：曲线平滑处理，，具体包括：

步骤2.2.1：特征点检测

使用Harris角点检测算子对pointSet[i]中点进行特征点检测，获取图像轮廓特征点。

步骤2.2.2：曲线拟合

以特征点为边界，将轮廓线分成若干区间；计算各区间内的三次贝塞尔曲线的控制点(A0、B0)，最终获得各区间的贝塞尔曲线。按照各个区间在总区间内的比例，获取各区间点个数，点总个数为n。

步骤2.3：角点判定，，具体包括：

步骤2.3.1：以O为轮廓线的中心点，P_i-1、P_i、P_i+1分别为轮廓线上连续的三个点，令直线OP_i与直线P_i-1P_i+1的交点P_j；

步骤2.3.2：将线段P_i-1P_i+1的长度‖P_i-1P_i+1‖与线段OP_j的长度||OP_j||进行比较，如果||OP_j||>‖P_i-1P_i+1‖，则P_j为角点；反之，则为非角点。

步骤2.4：计算角点内切圆半径、最大内切圆，计算圆度，具体包括：

步骤2.4.1：计算角点内切圆半径

步骤2.4.1.1：设定点集合

假设轮廓线上共有点P₁、P₂、P₃……P_n，假设计算过程中使用到的点集合为P₁、P₂、P₃……P_n、P_n+1……P_n+n/2，其中P_n+1＝P₁，P_n+2＝P₂……P_n+n/2＝P_n/2；

步骤2.4.1.2：角点内切圆拟合

使用非线性最小二乘法对点集进行拟合，拟合出的曲线以误差的平方和最小为准则，迭代算法采用高斯—牛顿迭代法，其具有收敛快，精确度高的优点。记录拟合圆的半径r’、圆心o’；

步骤2.4.1.3：角点内切圆判定

计算拟合圆的圆心o’到轮廓上点的距离与拟合圆半径r’的比值，即若满足当k∈(i,j)，且当判定此处拟合圆为内切圆。若不满足，删除最后一个点，继续对剩余的点集(即{P_i-P_j-1})拟合判定，直至剩余2个点为止；若无满足条件的内切圆，则对点集{P_i-1-P_j}拟合判定，直至剩余2个点为止。最终记录所有满足条件的内切圆半径集合{r_m}，m为满足以上条件的内切圆个数。

步骤2.4.2：计算角点最大内切圆半径，具体包括：

步骤2.4.2.1：根据轮廓点集构造泰森多边形；

步骤2.4.2.2：判定获取轮廓内的泰森多边形顶点集合{v_i}；

步骤2.4.2.3：计算顶点集合{v_i}中的每一个点到轮廓点的最短距离{d_I}；

步骤2.4.4.4：查找最短距离{d_I}中的最小值，即为最大内切圆半径r_max。

步骤2.4.3：根据公式(1)计算圆度；

$Roundness=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m\frac{r_m}{r_{max}}}{m}---\left(1\right);$

其中，r_m—角点内切圆半径；r_max—最大内切圆半径；m—内切圆个数。

步骤2.5：计算图像长轴、短轴，计算球度，具体包括：

步骤2.5.1：借助函数minboundrect()构造轮廓点的最小外接矩形，获得轮廓的长轴、短轴；

步骤2.5.2：根据公式(2)计算球度：

$Sphericity=\frac{Width}{Length}---\left(2\right);$

其中，width为轮廓的短轴；length为轮廓的长轴。

在步骤3中对陶瓷类支撑剂颗粒计算圆球度的具体步骤如下：

步骤3.1：图像预处理：去噪、二值化；

步骤3.2：图像闭处理，消除尖锐角；

借助函数imclose(bw,Se)，通过设置结构元素Se消除轮廓线上的微小凸起，使轮廓线更光滑。

步骤3.3：曲线平滑处理；

步骤3.4：计算支撑剂颗粒的周长P、面积S以及最小外接圆的半径R；

步骤3.5：根据公式(3)计算圆度，根据公式(4)计算球度；

$Roundness=\frac{4\mathrm{\π}S}{P^2}---\left(3\right);Sphericity=\frac{\sqrt{S/\mathrm{\π}}}{R}---\left(4\right);$

其中，P为支撑剂颗粒的周长、S为支撑剂颗粒的面积、R为最小外接圆的半径。

实施例2：

本实施在实施例1的基础上对本发明进行了具体说明。本发明借助软件Fracture_PRS 1.0平台完成。

第一步，采用体视显微镜获取颗粒点图像，借助软件初步预处理；

第二步，如步骤2所述计算模板中颗粒圆球度得出测试结果如图2所示。

将图2中的测试结果与图3中的标准模板图进行对比，可知所测试结果满足实验需求，精度高、速度快。

本发明采用体视显微镜完成数据采集工作，节省了人力，自动化程度高；采用原始定义测试方式，以圆度初始定义为出发点计算颗粒圆球度，测试精度高；借助混合编程数据处理技术，提高了计算速度和精度；克服了不同分辨率颗粒圆球度差距大的问题；解决了现有技术测试数量少、速度慢、精度低等缺点，提高了支撑剂颗粒的检测水平；有力地支持了现场压裂技术的开展。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。