基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法、系统、装置与流程

本发明属于岩石特性分析领域，具体涉及一种基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法、系统、装置。

背景技术：

裂纹的扩展和分布，以及裂纹的形态特征是研究岩石破坏特性不可或缺的一部分。目前检测岩石裂纹分布的方法有两种：一种是基于岩石的表面裂纹观测，另一种是借助ct扫描获取岩石的内部裂纹分布。第二种方法可以获取岩石的内部变形破坏，但是由于设备硬件限制，只能识别宽度高于设备分辨率尺寸的裂纹。目前，高能加速器ct可以获取岩石内部的裂纹。能量为6mev高能加速器边加载边动态扫描三轴加压过程中，对于直径100mm的岩石样品可以识别的裂纹最小宽度是1mm，而水力压裂试验中，有效的裂纹宽度大部分小于1mm。据此得到的裂纹密度等信息通常只能反映较大尺度的裂纹信息，对于低于设备分辨率尺寸的裂纹分布很难获取。发明人经研究发现，对页岩气等非常规油气开发设计、地质灾害的防治等方面，有效的模拟并观测岩石的压裂微裂纹形成与演化是很有必要的。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决岩心内部微裂纹无法识别的问题，本发明的第一方面，提出了一种基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法，包括：

步骤s10，获取第一岩样，通过ct扫描获取初始切片序列，并获取所述初始切片序列中各初始切片的参考图点；

步骤s20，基于三轴加压设备对第一岩样进行压裂试验，通过ct扫描获取不同加载强度下与所述初始切片序列对应的各过程切片序列；

步骤s30，基于局部区域图像匹配的方法，获取所述参考图点在各过程切片中的对应点，得到各过程切片的第一位移场；

步骤s40，基于各过程切片的第一位移场，获取亚像素定位后的匹配图点，获得第二位移场，并提取岩石形变破坏后的微裂纹。

在一些优选的实施方式中，步骤s30“基于局部区域图像匹配的方法，获取所述参考图点在各过程切片中的对应点”中，参考图点p在过程切片(n,m)中的对应点的获取方法为：

以基于点p构建包含该点的子区；所述子区的大小为预设尺寸；

以所述子区的大小构建滑窗在过程切片(n,m)片上遍历，获得一组待匹配图像，分别计算各待匹配图像与所述子区的相关系数；

基于所计算的相关系数，获取与所述子区匹配度最高的待匹配图像，作为匹配图像；

基于点p在所述子区的位置关系，计算匹配图像中同样位置关系的点d，作为点p在过程切片(n,m)中的对应匹配图点；

其中，n为加载强度的序号，m为过程切片序列中过程切片的序号。

在一些优选的实施方式中，点p在所述子区的位置关系为：点p为所述子区的中心点。

在一些优选的实施方式中，所述各待匹配图像与所述子区的相关系数，其计算方法为：

其中，c为相关系数，f(x,y)为参考图点对应子区的灰度值分布g(x^*,y^*)为过程切片中待匹配图像的灰度值分布。

在一些优选的实施方式中，所述过程切片的位移场，其获取方法为：

获取所有参考图点在过程切片(n,m)中的对应匹配图点，并计算各参考图点的位移量，获得过程切片(n,m)的位移场。

在一些优选的实施方式中，步骤s40“提取岩石形变破坏后的微裂纹”的过程中，对过程切片的匹配图点进行亚像素定位，其方法为：

其中，为亚像素定位后的匹配图点；(x0,y0)为参考图点；(u,ν)表示(x0,y0)点的位移；δx与δy分别是整像素位移对应的亚像素位移；gx为x方向的一阶梯度；gy为y方向的一阶梯度；f为原始图像的像素；g为压裂后图像的像素。

在一些优选的实施方式中，步骤s20中“不同加载强度”，其获取方法为：

分别对多个第二岩样进行压裂试验，分别获取各第二岩样的峰值强度；

对各第二岩样的峰值强度进行均值计算，获得峰值强度均值；

基于预设的加载强度比值，获取各比值对应的加载强度用于触发ct扫描；

其中，所述第二岩样与所述第一岩样取自同一块岩石，并且钻取的层理相同。

在一些优选的实施方式中，该方法还包括步骤s50：

基于各过程切片的第一位移场或第二位移场，获取岩石每个切片的水平位移场和垂直位移场，判断裂纹的类型。

本发明的第二方面，提出了一种基于数字图像的岩心内部微裂纹识别系统，包括：初始切片获取模块、过程切片获取模块、位移场获取模块、微裂纹识别模块；

所述初始切片获取模块，配置为获取第一岩样，通过ct扫描获取初始切片序列，并获取所述初始切片序列中各初始切片的参考图点；

所述过程切片获取模块，配置为基于三轴加压设备对第一岩样进行压裂试验，通过ct扫描获取不同加载强度下与所述初始切片序列对应的各过程切片序列；

所述位移场获取模块，配置为基于局部区域图像匹配的方法，获取所述参考图点在各过程切片中的对应点，得到各过程切片的第一位移场；

所述微裂纹识别模块，配置为基于各过程切片的第一位移场，获取亚像素定位后的匹配图点，获得第二位移场，并提取岩石形变破坏后的微裂纹。

本发明的第三方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法。

本发明有效地提高了了裂纹的识别精度，有利于模拟岩石裂纹的扩展与演化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一种实施例的基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法的流程示意图；

图2是本发明一种实施例中过程切片的局部位移场放大示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的一种基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法，基于数字图像相关技术，获取岩石内部微裂纹分布、位移场，确定裂纹性质的方法。用以提高裂纹的识别精度，有利于模拟岩石裂纹的扩展与演化。如图1所示，本发明方法包括：

步骤s10，获取第一岩样，通过ct扫描获取初始切片序列，并获取所述初始切片序列中各初始切片的参考图点；

步骤s20，基于三轴加压设备对第一岩样进行压裂试验，通过ct扫描获取不同加载强度下与所述初始切片序列对应的各过程切片序列；

步骤s30，基于局部区域图像匹配的方法，获取所述参考图点在各过程切片中的对应点，得到各过程切片的第一位移场；

步骤s40，基于各过程切片的第一位移场，获取亚像素定位后的匹配图点，获得第二位移场，并提取岩石形变破坏后的微裂纹。

在一些实施例中还可以包括还包括步骤s50：基于各过程切片的第一位移场或第二位移场，获取岩石每个切片的水平位移场和垂直位移场，判断裂纹的类型。

为了更清晰地对本发明基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法进行说明，下面结合附图对本方发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。

本发明实施例基于同一块岩石，并且钻取的相同层理获取岩石制作的多个尺寸一致的岩样，并选取其中一个作为第一岩样进行边加载边扫描测试，其余多个作为第二岩样进行峰值强度测试。本实施例中岩样为直径100mm、高200mm的圆柱体。并且所采用的装置为中国科学院地球物理研究所的高能加速器ct多场耦合岩石力学试验系统。此处对岩样尺寸、采用试验设备描述的目的仅为使本发明技术方案更清晰，不能理解为对本发明技术方案的限定。

步骤s10，获取第一岩样，通过ct扫描获取初始切片序列，并获取所述初始切片序列中各初始切片的参考图点。

本实施例中，可以将第一岩样放入高能加速器ct旋转台的三轴加压设备中，在开始压裂试验之前通过ct扫描获取初始切片序列，并获取所述初始切片序列中各初始切片的参考图点。

步骤s20，基于三轴加压设备对第一岩样进行压裂试验，通过ct扫描获取不同加载强度下与所述初始切片序列对应的各过程切片序列。

对放入高能加速器ct旋转台的三轴加压设备中的第一岩样，进行边加载边动态扫描试验，扫描后进行ct图像重建，获取岩心在不同变形破坏阶段中的扫描切片，识别不同阶段的内部裂纹。

所用到的不同加载强度，其获取方法为：分别对多个第二岩样进行压裂试验，分别获取各第二岩样的峰值强度；对各第二岩样的峰值强度进行均值计算，获得峰值强度均值；基于预设的加载强度比值，获取各比值对应的加载强度用于触发ct扫描。

在一个示例中，可以通过对多个第二岩样的测试获取峰值强度，并计算其平均值σca，按照20％、40％、60％、80％获取加载强度，则20％σca、40％σca、60％σca、80％σca所对应的加载强度σci(i＝1,2,3,4)即为所获取的在压裂试验进行ct扫描的加载强度。

然后，将第一岩样进行边加载边动态扫描，分别在加载强度达到上述计算的加载强度σci的时候进行动态ct扫描，直至试样破坏。第一岩样加载破坏后，获取相对应的峰值强度σc，可重新计算对该岩样每个加载强度对应的真实应力比，即σci/σc。

本实施例中，在每个加载扫描强度下获取岩样的过程切片(可以线阵扫描，也可以面阵扫描，本发明示例用的线阵扫描)，切片厚度为2mm，对应获取100张ct切片。破坏后试样的内部裂纹使用vgstudio软件提取裂纹特征，可识别测量的裂纹最小宽度为1mm。过程切片分辨率为1024*1024。

步骤s30，基于局部区域图像匹配的方法，获取所述参考图点在各过程切片中的对应点，得到各过程切片的第一位移场。

岩石在加压过程中会有变形位移等情况，因此获得的切片需要进行匹配计算：假设轴方向最大变形为a％，样品高度为d，则本方案第m层切片计算范围为[m-d*a％n/um,m+d*a％/num],num为切片的总层数。分别对变形前和变形后的切片进行相似性计算，获得水平方向切片的第一位移场，提取岩石变形破坏后的微裂纹。对于竖向切片，径向变形与样品直径同理计算，可以获得竖向剖面裂纹。

本实施例中，基于局部区域图像匹配的方法，获取所述参考图点在各过程切片中的对应点的方法，其实质就是参考图点p在过程切片(n,m)中的对应点的获取方法(n为加载强度的序号，m为过程切片序列中过程切片的序号)，该方法为：

步骤s31，以基于点p构建包含该点的子区；所述子区的大小为预设尺寸。

在本实施例中，点p为所述子区的中心点，也即，以点p为中心点，依据预设尺寸构建子区。预设尺寸可以为50*50的像素。这样在子区内可以提供更多的信息，使得唯一匹配变为现实。

步骤s32，以所述子区的大小构建滑窗在过程切片(n,m)片上遍历，获得一组待匹配图像，分别计算各待匹配图像与所述子区的相关系数。

子区在过程切片上遍历，不断计算该子区的相关系数，本专利使用的相关系数计算方法如公式(1)所示：

其中，c为相关系数，f(x,y)为参考图点对应子区的灰度值分布g(x^*,y^*)为过程切片中待匹配图像的灰度值分布。

步骤s33，基于所计算的相关系数，获取与所述子区匹配度最高的待匹配图像，作为匹配图像。

上述的相关系数，当c＝1的时候，表示两个模块完全相关，c＝0的时候，两个模块不相关。本实施例中可以选取相关系数最大的待匹配图像作为匹配图像。

步骤s34，基于点p在所述子区的位置关系，计算匹配图像中同样位置关系的点d，作为点p在过程切片(n,m)中的对应匹配图点。

重复步骤s31-s34，对参考图点完成遍历后，获取所有匹配图点，基于所有参考图点在过程切片(n,m)中的对应匹配图点，并计算各参考图点的位移量，获得过程切片(n,m)的第一位移场(如图2所示为一个局部位移场的示例)，从而可以获取岩石内部微裂缝的扩展。

由于第一位移场为参考图点在过程切片中位移的矢量表示，通过第一位移场中各位移矢量，可以很明显的显示出位移矢量不一致的参考图点，将这些图点构成的区域作为要提取的裂缝。

步骤s40，基于各过程切片的第一位移场，获取亚像素定位后的匹配图点，获得第二位移场，并提取岩石形变破坏后的微裂纹。

数字图像的最小单位为像素，为了提高裂纹的识别精度，采用亚像素匹配算法，算法的识别精度与裂纹的识别精度成正相关。“提取岩石形变破坏后的微裂纹”的过程中，对过程切片的匹配图点进行亚像素定位，其方法如公式(2)、(3)所示：

其中，为亚像素定位后的匹配图点；(x0,y0)为参考图点；(u,ν)表示(x0,y0)点的位移；δx与δy分别是整像素位移对应的亚像素位移。

本文专利采用双三次样条插值来计算亚像素位置的灰度和灰度导数，下面是亚像素位移的计算方法如公式(4)所示。

其中，gx为x方向的一阶梯度；gy为y方向的一阶梯度；f为原始图像的像素；g为压裂后图像的像素。

与第一位移场中裂纹的提取方法类似，通过第二位移场中各位移矢量，可以很明显的显示出位移矢量不一致的参考图点，将这些图点构成的区域作为要提取的微裂纹。

本发明只给出了一个切片的计算，要分析岩石缝网形态可以重复进行，获取多个扫描周期多个切片的裂缝/微裂纹以分析岩石缝网形态。

步骤s50，基于各过程切片的第一位移场或第二位移场，获取岩石每个切片的水平位移场和垂直位移场，判断裂纹的类型。

基于步骤s30获得的裂缝/步骤s40获得的微裂纹，对相应的位移场中裂缝/微裂纹区域的位移矢量进行判断：

若垂直于裂缝/微裂纹方向的参考图点有相对位移则为张拉裂缝/微裂纹；

若平行于裂缝/微裂纹方向的参考图点有相对位移则为剪切裂缝/微裂纹；

若上述两种情况都包含，则为拉剪裂缝/微裂纹。

本发明一种实施例的基于数字图像的岩心内部微裂纹识别系统，包括初始切片获取模块、过程切片获取模块、位移场获取模块、微裂纹识别模块；

所述初始切片获取模块，配置为获取第一岩样，通过ct扫描获取初始切片序列，并获取所述初始切片序列中各初始切片的参考图点；

所述过程切片获取模块，配置为基于三轴加压设备对第一岩样进行压裂试验，通过ct扫描获取不同加载强度下与所述初始切片序列对应的各过程切片序列；

所述位移场获取模块，配置为基于局部区域图像匹配的方法，获取所述参考图点在各过程切片中的对应点，得到各过程切片的第一位移场；

所述微裂纹识别模块，配置为基于各过程切片的第一位移场，获取亚像素定位后的匹配图点，获得第二位移场，并提取岩石形变破坏后的微裂纹。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的基于数字图像的岩心内部微裂纹识别系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明一种实施例的存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法。

本发明一种实施例的处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于数字图像的岩心内部微裂纹识别方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。