页岩孔隙结构的表征方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天然气勘探技术，尤其涉及一种页岩孔隙结构的表征方法。
【背景技术】
[0002] 随着非常规油气的大规模勘探开发，页岩油气作为一种非常规油气成为众人关注 的焦点，对于页岩油气的研究也日益深入。页岩储层孔隙结构特征决定着页岩的吸附气量， 是页岩气研究的重点。
[0003] 页岩主要由大量的有机物质与无机物质组成，而页岩孔隙按照发育位置的不同可 以分为有机质孔隙和无机矿物孔隙，发育在有机质上的孔隙为有机质孔隙，发育在无机质 上的孔隙为无机矿物孔隙。页岩气的赋存形式具有多样性和复杂性，包括有机质和无机矿 物表面的吸附态、微-纳米孔隙和微裂缝里的游离态和极少量油、水中的溶解态，其中又以 吸附态和游离态为主。不同位置发育的孔隙由于孔隙介质的性质不同，对气体的吸附具有 差异。要想准确预测页岩的含气量，就必须对页岩储层孔隙结构进行分级、分类定量表征。
[0004] 目前对于页岩储层孔隙结构表征开展了大量研究，其中主要的定量表征技术手段 有压汞法和气体吸附法，但这两种测试方法的结果展示的都是页岩整体的孔隙结构特点， 只能从孔径大小的角度来表征页岩储层孔隙结构特征，而不能将页岩中有机质孔隙和无机 矿物孔隙分开定量表征。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种页岩孔隙结构的表征方法，用来克服现有技术中只通过孔径大小 的角度表征页岩储层孔隙结构而为评价页岩储气能力带来局限性的缺陷。
[0006] 本发明提供的页岩孔隙结构的表征方法，包括如下步骤：
[0007] 1)采用扫描电镜对抛光处理后的页岩进行扫描，得到扫描电镜图像；
[0008] 2)对所述扫描电镜图像进行矩阵化处理，得到所述页岩的灰度直方图；将所述灰 度直方图进行二值化阈值分割，得到所述页岩的灰度图；
[0009] 3)对所述灰度图进行图像增强处理，得到增强灰度图；利用Canny算子边缘检测 方法对所述增强灰度图进行边缘检测，利用bwlabel方法对各种类型的孔隙进行标注，同 时采用regionprops方法提取各种类型孔隙的基本参数；
[0010] 4)根据所述基本参数，得到页岩孔隙结构表征参数。
[0011] -般进行电镜扫描时，可以选取约为lcmXO. 5cmX0. 5cm的块体页岩作为页岩样 品，同时为了保证扫描电镜图像的清晰度与真实度，在对页岩样品进行电镜扫描之前需要 对页岩样品进行抛光处理以使页岩表面平滑。具体的，将金属载物台放置在加热台上，并将 加热台温度设置为130Γ，待金属载物台升温后将少量石蜡放置在载物台上熔化，使页岩的 观测面朝上将其粘贴在石蜡上，然后将金属载物台取下使石蜡固化，再将载物台放置于抛 光设备中进行抛光。抛光处理结束后，将抛光后的样品从载物台上取下，同样使观测面朝上 用导电胶将样品粘贴在样品台上，将样品台放置于扫描电镜设备的观察舱内进行扫描电镜 观察，整个过程中要注意尽量避免碰触到样品的观测面，以免影响到后期的扫描电镜观察。
[0012] 扫描结束后得到页岩样品的扫描电镜图像。通过肉眼观察，能够发现扫描电镜中 存在颜色深浅的不同区域，一般的，通过经验能够简单辨别出颜色浅的为无机物区域，颜色 较深的为有机物质区域，颜色最深的为孔隙，包括有机质孔隙和无机矿物孔隙。为了对不 同区域进行清楚的划分，需要采用各种图像处理技术对上述扫描电镜图像进行多步骤的处 理。
[0013] 步骤2)中，首先对扫描电镜图像进行矩阵化处理将图片转化为二维矩阵，即通过 分析扫描电镜图像像素位上的RGB色彩值，使矩阵中每一个坐标数值保存该像素位上的 RGB色彩值，以像素矩阵为基本单位进行矩阵化处理，再把所有RGB值转化为0-255范围的 灰度值并进行统计，得到页岩样品的灰度直方图，灰度直方图表示图像中具有某种灰度级 的像素的个数，反映了图像中某种灰度出现的频率。通过灰度直方图中的灰度分水岭，即灰 度阈值，对灰度直方图进行二值化阈值分割，最终得到页岩样品的灰度图。本发明的页岩样 品灰度图中，分别通过白色、灰色以及黑色清晰的反映出无机矿物、有机质以及孔隙。
[0014] 由于入射电子本身的波动性和成像过程中的像散、外界震荡、电噪音等噪声，通常 会使扫描电镜图像的质量降低，因此上述得到的灰度图需要进行图像增强处理，即去噪处 理，得到增强灰度图。在图像完成去噪之后，运用Canny算子边缘检测方法以清晰的检测出 有机质、无机矿物和孔隙在图像中的边缘，完成对孔隙、有机质和无机矿物的分类。Canny算 子边缘检测方法的具体原理为：首先，将图像分为在X轴正负方向和Y轴正负方向的四个方 向角，图像中其他方向的梯度值向以上四个方向转化，然后将在同一个方向角上具有最大 梯度值的像元作为边缘像元保留，将其他像元删除，最后通过滞后的阈值化将边缘标记出 来，完成边缘检测。
[0015] 在完成边缘检测的基础上，需要对检测出的孔隙进行分析，包括信息提取和信息 分析。信息提取是采用bwlabel方法对不同的孔隙进行标注，即标注出有机质孔隙以及无 极矿物孔隙，随后使用regionprops方法，分别对标注后的孔隙的基本参数进行提取，分别 得到有机质和无机矿物中每个孔隙的一级参数，利用提取的基本参数信息，进行表征参数 的分析，最终通过基本参数与表征参数的结合对页岩样品中每个有机质孔隙以及无机矿物 孔隙进行了表征。
[0016] 本发明提供的页岩孔隙结构的表征方法，以页岩孔隙发育位置的不同为切入点， 将页岩孔隙分为有机质孔隙以及无机矿物孔隙，以页岩扫描电镜图像为基础，最终得到页 岩中每个有机质孔隙以及无机矿物孔隙的系列参数。由于不同介质对页岩气的吸附性具有 差异，因此，通过本发明的页岩表征方法能够更加客观的对页岩中的页岩储气量进行分析 评价。
[0017] 进一步地，所述基本参数包括每一孔隙的面积、长轴半径、短轴半径和周长。采用 regionprops方法能够获取页岩样品中的每一个孔隙的面积、长轴半径、短轴半径和周长， 也即可以获得页岩中有机质孔隙以及无机矿物孔隙的数量。
[0018] 进一步地，所述页岩孔隙结构表征参数包括有机质孔隙的等效圆半径、圆度、延伸 率以及无机矿物孔隙的等效圆半径、圆度、延伸率。具体地，可以通过下述公式并结合基本 参数，计算出每一个孔隙的等效圆半径、圆度、延伸率。当然，本发明中的表征参数并不只限 于孔隙的等效圆半径、圆度、延伸率，还可以通过其它公式结合基本参数，计算出页岩孔隙 的孔隙度、分选系数、均值系数以及比表面等。
[0019] 等效圆半径（R)的计算公式为
[0020] 圆度（C)的计算公式为
[0021] 延伸率（E)的计算公式为
[0022] 进一步地，为了使页岩样品在进行扫描电镜处理时表面光滑，可以在对页岩样品 进行抛光前，对页岩样品进行打磨处理，并且控制打磨时间为80~lOOmin。具体地，当 页岩样品为长度、宽度和厚度约为lcmXO. 5cmX0. 5cm的块体时，例如选取长度和宽度为 lcmXO. 5cm的面作为观测面，可以依次用80目、280目、600目、1000目、2000目和3000目 的砂纸对观测面进行打磨，页岩样品厚度会磨制为0. 2cm左右，然后再用5000目的砂纸对 观测面进行精细打磨，在打磨的时候要注意以圆圈的方式进行打磨，整个打磨过程优选为 90min。这里应该注意到是，在对页岩进行观测面平滑处理时，只能采用机械外力的方式对 页岩样品进行处理，不能经过任何化学处理，否则无法保证岩样的原始状态。
[0023] 进一步地，所述抛光处理为氩离子抛光，抛光时长为4_6h，并且控制抛光的工作条 件为：电压4kv;电流1.8mA ;离子束入射角6°。本发明对抛光的具体处理方式不做限制。
[0024] 进一步地，所述扫描电镜的工作条件为：放大倍数：10000~100000倍；高真空背 散射模式；加速电压：20KV ;工作距离：11~14mm。
[0025] 进一步地，本发明的步骤2)具体包括：对所述扫描电镜图像进行矩阵化处理后进 行非图像因子删除，得到纯图像二维矩阵；对所述纯图像二维矩进行像素统计，得到所述灰 度直方图；根据所述灰度直方图的灰度阈值对所述灰度直方图进行二值化阈值分割，得到 所述页岩的灰度图。
[0026] 由于扫描电镜图像中包括了图像部分以及非图像部分，具体地，非图像部分为扫 描电镜图像下方的参数栏，为了得到精确的灰度图，在对扫描电镜图像矩阵化处理后会进 行非图像因子删除，即删除非图像部分，以免该部分的像素参与后期的计算。这里需要注意 的是，扫描电镜图像中的非图像部分并非没有任何意义，该非图像部分会显示图像部分的 图像水平场宽，而水平场宽与水平方向的像素数的比值即为每一个像素单元的边长（水平 方向的像素数由图像属性中的分辨率提供），在后处理过程中，regionprops方法正是根据 像素单元的边长计算出每个孔隙的基本参数。
[0027] 进一步地，采用小波去噪法进行所述图像增强处理。小波去噪的原理为：首先对 含噪声信号f(t)的图像进行小波变换，得到一组小波分解系数Wu，然后，对小波分解系数 w]ik进行阈值处理，得到估计小波系数E ]ik，利用所述估计小波系数进行小波重构，得到估计 信号f (h)，即为去噪之后的信号，得到增强灰度图。在上述去噪过程中，信号经过小波分解 后，小于小波分解系数《020%的信号被认为是噪声去除，高于该值的信号保留。
[0028] 本发明对图像处理的软件不做限制，本发明中采用MATLAB软件对图像进行处理。
[0029] 本发明的实施丰富了页岩孔隙的表征方法，考虑到不同介质对页岩气吸附能力不 同，通过将页岩中有机质孔隙与无极矿物孔隙进行分别表征，为页岩储气量的评价方法提 供了更为客观的理论依据。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例页岩的扫描电镜图；
[0031] 图2a为本发明实施例页岩的灰度直方图；
[0032] 图2b为本发明实施例页岩的灰度图；
[0033] 图3a是本发明实施例页岩中有机质分布图；
[0034] 图3b是本发明实施例页岩中无机矿物分布图；
[0035] 图3c是本发明实施例页岩的有机质孔隙分布图；
[0036] 图3d是本发明实施例页岩的无机矿物孔隙分布图；
[0037] 图4a为本发明实施例页岩的有