一種納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖石物理研宄領(lǐng)域中的一種納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法，具體的 說是一種應(yīng)用FIB-SEM技術(shù)構(gòu)建納米級(jí)泥頁巖巖心的一套處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字巖心的建模方法主要有兩大類：一類是物理方法，通過實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)巖心樣品 直接成像構(gòu)建數(shù)字巖心，主要有序列二維薄片疊加成像方法、共焦激光掃描方法和X射線 CT掃描成像方法；另一類是數(shù)學(xué)方法，是以高精度二維薄片圖像為基礎(chǔ)，通過隨機(jī)模擬或 地質(zhì)過程模擬重建三維數(shù)字巖心。
[0003] 共焦激光掃描方法構(gòu)建的數(shù)字巖心相當(dāng)于二維薄片厚度的偽三維數(shù)字巖心，因此 在實(shí)際構(gòu)建數(shù)字巖心過程中較少使用，實(shí)際應(yīng)用中常用的構(gòu)建數(shù)字巖心的物理方法是X射 線CT掃描成像方法和序列成像法。
[0004]目前主要有兩種類型的X射線CT掃描系統(tǒng)用于構(gòu)建儲(chǔ)層巖石的數(shù)字巖心，一種是 使用工業(yè)X射線發(fā)生器產(chǎn)生X射線的臺(tái)式微CT掃描系統(tǒng)；另一種是采用同步加速器作為X 射線發(fā)生器的同步加速微CT掃描系統(tǒng)。雖然現(xiàn)在先進(jìn)的臺(tái)式微CT掃描系統(tǒng)可以獲得分辨 率為5um甚至更高分辨率的數(shù)字巖心，但是文獻(xiàn)中高質(zhì)量的數(shù)字巖心都是用同步加速微CT 掃描系統(tǒng)獲得的。澳大利亞國(guó)立大學(xué)于2004年建立了數(shù)字巖心實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用自制的微CT掃 描系統(tǒng)對(duì)數(shù)字巖心構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入的研宄，構(gòu)建了直徑為5cm，最大視域?yàn)?5mm， 分辨率小于2um的柱塞巖心的數(shù)字巖心。
[0005] 除采用物理實(shí)驗(yàn)法之外，還可以采用數(shù)學(xué)重建算法構(gòu)建數(shù)字巖心，目前主要有隨 機(jī)方法和過程模擬方法。隨機(jī)方法主要包括高斯隨機(jī)場(chǎng)方法、模擬退火法、順序指示模擬方 法、多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和馬爾科夫鏈方法。
[0006] 1974年，Joshi首次提出了重建三維數(shù)字巖心的高斯隨機(jī)場(chǎng)方法。1997年， Hazlett提出了重建三維數(shù)字巖心的模擬退火方法。2003年，Keehm利用順序指示模擬 (SISM)算法重建了三維數(shù)字巖心。這三種方法建立的數(shù)字巖心在孔隙度較低時(shí)連通性較 差。2004年，Okabe借鑒地質(zhì)建模過程中常用的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，開發(fā)了從巖心二維薄片圖 像重建三維數(shù)字巖心的多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。Wu等人基于馬爾科夫隨機(jī)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)模型重建 了三維數(shù)字巖心。這兩種方法建立的數(shù)字巖心孔隙連通性較好。與隨機(jī)方法引入隨機(jī)函數(shù) 重建數(shù)字巖心不同，1997年，0ren和Bakke應(yīng)用不同顆粒半徑的球體通過模擬巖石的沉積 過程、壓實(shí)過程和成巖過程重建了數(shù)字巖心。過程模擬法建立的數(shù)字巖心孔隙連通性較好， 但是一般只適用于成巖過程簡(jiǎn)單巖石的數(shù)字巖心的重建。
[0007] 從目前眾多的數(shù)字巖心建模方法來看，物理實(shí)驗(yàn)法是構(gòu)建數(shù)字巖心最精確的方 法，最能反映真實(shí)巖心的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。但是采用不同的分辨率掃描同一塊的巖心，掃描結(jié) 果顯示：隨著分辨率的提高，數(shù)字巖心的孔隙度逐漸增大。當(dāng)分辨率達(dá)到1ym時(shí)，三維數(shù)字 巖心的孔隙度仍小于孔隙度的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果，說明巖心中存在尺寸小于掃描分辨率的微 孔隙。微孔隙的存在使數(shù)字巖心孔隙度和實(shí)驗(yàn)孔隙度相比偏低，并且影響數(shù)字巖心的孔隙 連通性，不利于后續(xù)數(shù)值模擬研宄。目前常用的CT掃描分辨率多為微米級(jí)和亞微米級(jí)，難 以觀察到泥頁巖中的納米級(jí)裂縫孔隙系統(tǒng)，由于CT掃描分辨率的限制，目前急需提出一種 納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法，從而為泥頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及數(shù)字巖石物理屬性研宄提 供有效的媒介。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] ( -）發(fā)明目的
[0009] 本發(fā)明是提供一種納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法，具體是利用FIB-SEM技術(shù)切 割掃描泥頁巖巖心及后續(xù)處理的一套建立納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心的技術(shù)，本文構(gòu)建納米分 辨率的泥頁巖數(shù)字巖心，可以清楚地分析泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)分布，并劃分有機(jī)孔隙無機(jī)孔隙。
[0010] (二）技術(shù)方案
[0011] 一種納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法，首先采用FIB-SEM切割掃描技術(shù)對(duì)泥頁巖 巖心樣品進(jìn)行切割掃描，獲得一系列的巖心二維圖片，然后對(duì)獲取的圖片采用圖像配準(zhǔn)技 術(shù)對(duì)相鄰兩張圖像進(jìn)行對(duì)齊處理，采用剪切變換對(duì)圖像就行角度校正，采用對(duì)圖像進(jìn)行陰 影校正，最終構(gòu)建納米級(jí)分辨率的泥頁巖數(shù)字巖心，其具體步驟如下：
[0012] (1)利用FIB-SEM對(duì)巖心進(jìn)行切割掃描，步驟包括：
[0013] a.對(duì)直徑25毫米柱塞巖樣，選擇適當(dāng)?shù)淖訕悠穮^(qū)域，切下直徑25毫米，厚2-5毫 米的薄片，然后用電鏡觀察，選擇感興趣區(qū)域，并對(duì)切割端面就行氬離子剖光；
[0014] b.對(duì)剖光后的巖心掃描端面進(jìn)行涂碳處理；
[0015]c.在樣品表面磨削出一個(gè)凹槽，然后使用FIB-SEM技術(shù)對(duì)面積15微米xlO微米 xlO微米區(qū)域進(jìn)行切割掃描；
[0016] d.掃描切割交替進(jìn)行，獲得切片數(shù)不小于1000張TIFF格式的切片圖像；
[0017] e.計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)掃描獲得的TIFF格式圖像，當(dāng)達(dá)到一定的切片數(shù)量后結(jié)束實(shí)驗(yàn)；
[0018](2)FIB-SEM掃描圖像配準(zhǔn)：將二維圖像用一個(gè)二維數(shù)值矩陣來表示，設(shè)IJx，y)、 I2(x，y)分別表示兩幅需要配準(zhǔn)的圖像在（x，y)處的灰度值，其中I:為基準(zhǔn)圖像、12為待配 準(zhǔn)圖像，那么圖像Ip12的配準(zhǔn)關(guān)系可以表示為
[0019]I2(x,y)= G(I1(F(x,y)))
[0020] 其中，F(xiàn)表示二維的坐標(biāo)變換函數(shù)；G表示一維灰度變換函數(shù)；圖像配準(zhǔn)的主要任 務(wù)就是尋找最佳的坐標(biāo)變換函數(shù)F，與灰度變換函數(shù)G，從而使兩幅圖像之間實(shí)現(xiàn)最佳對(duì) 準(zhǔn)，由于在大部分情況下灰度變換函數(shù)G并不需要求解，因此求取坐標(biāo)變換函數(shù)F成為圖像 配準(zhǔn)的關(guān)鍵問題，上式可以簡(jiǎn)化為如下形式：
[0021] I2(x,y) =Ii(F(x,y))
[0022] 在圖像配準(zhǔn)過程中，常用到的圖像變換方式主要有剛體變換、仿射變換、投影變 換和非線性變換；若圖像中任意兩點(diǎn)間的距離在變換前后保持不變，則這種變換稱為剛體 變換；剛體變換可分解為整體平移和旋轉(zhuǎn)；在二維圖像中，坐標(biāo)點(diǎn)（x，y)經(jīng)剛體變換到點(diǎn) (x'，y')的變換公式為：
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法，首先米用FIB-SEM切割掃描技術(shù)對(duì)泥頁巖巖 心樣品進(jìn)行切割掃描，獲得一系列的巖心二維圖片，然后對(duì)獲取的圖片采用圖像配準(zhǔn)技術(shù) 對(duì)相鄰兩張圖像進(jìn)行對(duì)齊處理，采用剪切變換對(duì)圖像就行角度校正，采用對(duì)圖像進(jìn)行陰影 校正，最終構(gòu)建納米級(jí)分辨率的泥頁巖數(shù)字巖心，其具體步驟如下： (1) 利用FIB-SEM對(duì)巖心進(jìn)行切割掃描，步驟包括： a.對(duì)直徑25毫米柱塞巖樣，選擇適當(dāng)?shù)淖訕悠穮^(qū)域，切下直徑25毫米，厚2-5毫米的 薄片，然后用電鏡觀察，選擇感興趣區(qū)域，并對(duì)切割端面就行氬離子剖光； b.對(duì)剖光后的巖心掃描端面進(jìn)行涂碳處理； c.在樣品表面磨削出一個(gè)凹槽，然后使用FIB-SEM技術(shù)對(duì)面積15微米xlO微米xlO微 米區(qū)域進(jìn)行切割掃描； d.掃描切割交替進(jìn)行，獲得切片數(shù)不小于1000張TIFF格式的切片圖像； e. 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)掃描獲得的TIFF格式圖像，當(dāng)達(dá)到一定的切片數(shù)量后結(jié)束實(shí)驗(yàn)； (2) FIB-SEM掃描圖像配準(zhǔn)：將二維圖像用一個(gè)二維數(shù)值矩陣來表示，設(shè)L(x，y)、I2 (X， y)分別表示兩幅需要配準(zhǔn)的圖像在（x，y)處的灰度值，其中Ii為基準(zhǔn)圖像、12為待配準(zhǔn)圖 像，那么圖像Ii、12的配準(zhǔn)關(guān)系可以表示為 I2(x,y) =G(I1(F(x,y))) 其中，F(xiàn)表示二維的坐標(biāo)變換函數(shù)；G表示一維灰度變換函數(shù)；圖像配準(zhǔn)的主要任務(wù)就 是尋找最佳的坐標(biāo)變換函數(shù)F，與灰度變換函數(shù)G，從而使兩幅圖像之間實(shí)現(xiàn)最佳對(duì)準(zhǔn)，由 于在大部分情況下灰度變換函數(shù)G并不需要求解，因此求取坐標(biāo)變換函數(shù)F成為圖像配準(zhǔn) 的關(guān)鍵問題，上式可以簡(jiǎn)化為如下形式： I2(x,y) =Ii(F(x,y)) 在圖像配準(zhǔn)過程中，常用到的圖像變換方式主要有剛體變換、仿射變換、投影變換和非 線性變換；若圖像中任意兩點(diǎn)間的距離在變換前后保持不變，則這種變換稱為剛體變換； 剛體變換可分解為整體平移和旋轉(zhuǎn)；在二維圖像中，坐標(biāo)點(diǎn)（x，y)經(jīng)剛體變換到點(diǎn)（x'， y')的變換公式為：
其中為旋轉(zhuǎn)角度，AX、Ay為平移距離； (3) 角度校正：FIB-SEM在切割掃描過程中，當(dāng)離子束與電子束之間夾角不為90°時(shí)， 掃描電鏡掃描的切割面不能反映樣品的真實(shí)尺寸，因此需要做一個(gè)角度變換轉(zhuǎn)換到電子束 與掃描表面垂直的狀態(tài)，可通過下面公式計(jì)算：
其中，a是離子束與電子束的夾角，AB是掃描獲得的尺寸，AC是樣品的真實(shí)尺寸； ⑷陰影校正：由于樣品凹槽和載物臺(tái)的影響，會(huì)對(duì)SEM電子信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾，導(dǎo) 致圖像局部出現(xiàn)陰影區(qū)域，也就是說代表相同物質(zhì)相的區(qū)域具有不同灰度值，因此需要對(duì) 掃描圖像進(jìn)行陰影校正從而保證圖像分割的準(zhǔn)確性；校正方法采用灰度處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn) 行陰影校正； (5)建立納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心：將處理后的二維圖像疊加形成納米級(jí)分辨率的三維 泥頁巖數(shù)字巖心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法，其特征在于：步驟4 所述的灰度圖像處理技術(shù)是取出圖片中每一個(gè)像素的灰度值，再將此點(diǎn)的顏色的紅、綠、藍(lán) 成分都設(shè)置為灰度值；灰度值=紅色X0. 30+綠色X0. 59+藍(lán)色X0. 11 ;取得某像素顏色 可以通過API函數(shù)GetPixel完成；設(shè)置某點(diǎn)的顏色可以通過SetPixel完成。
【專利摘要】一種納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建方法，包括以下步驟：(1)利用FIB-SEM對(duì)巖心進(jìn)行切割掃描；(2)FIB-SEM掃描圖像配準(zhǔn)；(3)角度校正；(4)陰影校正；(5)建立納米級(jí)泥頁巖數(shù)字巖心。本發(fā)明首先對(duì)直徑25毫米柱塞巖樣，選擇適當(dāng)?shù)淖訕悠穮^(qū)域，用電鏡觀察，選擇感興趣區(qū)域，并對(duì)切割端面就行氬離子剖光采用聚焦離子束-掃描電鏡(FIB-SEM)切割掃描技術(shù)對(duì)泥頁巖巖心樣品進(jìn)行切割掃描，獲得系列的巖心二維圖片，然后對(duì)獲取的圖片采用圖像配準(zhǔn)技術(shù)對(duì)相鄰兩張圖像進(jìn)行對(duì)齊處理，采用剪切變換對(duì)圖像就行角度校正，采用灰度處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行陰影校正，最終構(gòu)建納米級(jí)分辨率的泥頁巖數(shù)字巖心。
【IPC分類】G01N15-08, G06T7-00
【公開號(hào)】CN104574420
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510047197
【發(fā)明人】孫建孟, 張晉言, 趙建鵬, 李紹霞, 劉兵開, 閆偉超
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油大學(xué)(華東)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月29日