岩心数字成像技术及其应用.PDF

第 19 卷 第 4 期 新 疆 地 质 2001 年 12 月 Vol.19 No.4 XINJIANG GEOLOGY Dec.2001 岩心数字成像技术及其应用 杨红 （中国石化新星石油公司西北石油局，新疆 乌鲁木齐 830011） 岩心数字成像技术是一种系统技术，其中包括岩心数字 扫描仪等硬件设备，还包括岩心图文信息和其它地质信息的 综合数据库，以及对图文信息进行综合分析的应用软件。 1 岩心数字扫描仪工作原理 采集岩心图像的工作原理就是通过机电一体化的图像 控制系统控制线性数字相机和岩心录入机械装置对岩心实 物进行连续扫描，经图像转换系统将岩心模拟图像转换成为 计算机可识别的数字图像并存储到计算机中。 岩心图像扫描控制系统和带CCD电荷耦合器件传感器 的彩色线性数字扫描相机及图像转换系统是系统中的核心 部分。图像扫描控制系统安装在计算机主板上，线性扫描相 机和图像输入/输出转换装置通过 PCI 总线与其相连， 系统可 对高分辨率线性扫描图像拍摄和图像处理进行控制，并可由 软件编程控制。 带 CCD 传感器的彩色线性数字扫描相机可将彩色图像 模拟 RGB 图像格式输出，线性相机主要的特点是用于对连 续过程的检测，对岩心的扫描就是利用线性相机的这一特 点。数字线形相机的工作状态由内部的时序发生器控制，时 序发生器发出线性同步信号和与扫描图像时同步的像素钟 信号 2 种信号，其中线性同步信号和由岩心图像扫描控制系 统发出线性传输指令频率是相同的，相机可由系统控制在任 何位置对岩心进行扫描。CCD 传感器是由数千个 3 个一组 红、绿、蓝的光电二极管组成，这样在扫描任何观测线时 3 种颜色能同时曝光，不受物体运动速度和光学参数的影响, CCD 传感器工作状态由像素钟信号控制。 岩心图像扫描控制系统发出线性传输指令传送到线性 相机，激活相机的线性同步信号，同时启动岩心扫描机械设 备，由线形同步信号启动 CCD 传感器进行工作，像素钟信 号控制扫描周期，这样相机会根据程序给定的岩心长度单独 或分段进行扫描；扫描的图像经 CCD 传感器采样后，经过 增益及白色平衡处理过的图像信号传回岩心图像扫描控制 系统，经模/数转换器把模拟信号转成数字信号，信号经灰度 和检波算法处理后通过总线送至输入/输出接口， 通过接口由 解码器将图像信号图像解码后写入缓存中，最后存入硬盘。 2 岩心数据库管理系统 随着油田勘探开发的进一步深入，对信息的需求也趋向 于综合化、定量化。岩心图像采集完成后，和其它地质信息 如钻井、地层、测井、岩心化验分析等一起存入计算机中， 由数据库系统对数据进行统一管理，使用应用软件对数据进 行综合分析，最终为用户提供有价值的信息。岩心综合信息 系统的具体设计思路如图 1 所示，可以看出整个系统基本由 数据库管理系统和地质分析应用系统两部分组成，数据采集 岩心扫描、地质信息录入等完成后形成的数据体生成单独 的库文件，由专门的数据库系统进行管理；岩心综合信息数 据库管理系统简称系统是一个由多种地质数据库组成的集 合，它包括岩心图文信息库、钻井、地层、测井、岩石化验 分析等数据库；数据类型有图像、文字、数字等多种类型[1]。 系统将传统的关系数据库模型扩展为对象关系型数据库模 型，将传统的关系数据库管理技术与图像处理技术相结合， 把面向对象的方法引入到系统之中，使其能够胜任对岩心图 像数据的存储、管理和分析处理。 地质应用系统是把日常所做的各种地质分析建立数学 模型，由计算机通过固定的算法对数据处理，将分析结果提 供给用户；主要的分析有地质数据统计分析，岩心裂缝、孔 洞分析，粒度分析，沉积构造分析等。应用系统通过数据库 接口对数据库只进行访问，不能修改数据，其只对数据库提 供的信息处理，这样不仅节省存储空间，提高系统的运行速 度，而且可以保证系统的稳定性和安全性。 系统负责完成数据的管理工作，常用的功能有对岩心的 观察，描述，查询，对比，图像输出等。由于管理的数据库 中的数据种类各不相同，功能上也有所差异；例如岩心图像 库系统主要的功能有岩心图像裁剪、编辑，图像的旋转、 放大，图像拼接、查看信息，及图像三维显示，岩心平放、 转动显示和三维旋转显示等。 系统由不同层次的数据库组成， 其中包括宏观岩心图 像数据库，岩石微观图像数据库，测井数据库，岩心的分析 化验数据库，综合信息数据库等。岩心综合信息数据库包括 钻井基本数据库， 地层系统基本数据库， 岩心测试数据库等。 系统从功能上讲是对不同的数据库中的数据进行分类或综 合处理，系统除了可对数据查询、对比等功能外，还可对操 作界面，库文件，图、文信息录入编辑，库记录，单井单库 信息，单井信息综合， 多井单库信息，多井信息综合进行 收稿日期2001−08−23；修订日期2001−09−21 作者简介杨红1967−, 男, 河北无极县人, 石油地质工程师, 1990 年毕业中国地质大学武汉, 在职硕士研究生, 从事石油地质研究 新 疆 地 质 2001 年 316 管理；当需要的数据来自各个子数据库时，系统在数据库之 间建立相关关系，从不同的数据库中提取出有用信息构成了 整体[2]。如在岩心图像查询过程中，不仅需要获得其图像信 息，还需要了解有关岩心岩性、钻井地层等基本数据，这就 涉及到岩心图像库和钻井地层库、岩心岩性描述库，数据从 库中提取出来经功能模块加工提供给用户使用。 3 地质分析及应用部分 对数据库而言，其主要功能是完成对数据的管理，只能 满足用户对一般信息的需求，而地质过程分析是一个非常复 杂的过程，建立的数学模型通常需要很多参数，算法也多种 多样，如岩心图像分析涉及到了图像压缩存储，图像放大、 缩小，图像模式识别等图像处理的算法，还有多种地质数据 统计算法，这些工作只有专门的应用程序才能完成。地质分 析是一种综合分析过程，大多无法定量进行描述，只能通过 模式识别、模糊数学的方法加以处理[3]。例如对岩心沉积构 造的分析研究是了解当时沉积环境的基本方法，不同的沉积 物、 水动力条件、 气候等因素都会影响到沉积物的沉积构造。 可以通过对岩心沉积构造图像的分析方法和利用专家系统 自动分析岩心中的不同的沉积构造，其具体思路如下先将 已有的不同的沉积构造的标准图像及相应的沉积相分析存 入计算机中，建立标准图像知识库，将要分析的的岩心图像 与知识库中的图像进行模式识别，找出与图像库中匹配的图 像，并找出其相应的沉积环境分析，由此实现对岩心沉积相 进行自动分析。 地质分析系统中的分析方法是通过特定算法来实现的， 这些算法在各子系统中可实现的功能有岩心图像裂缝分析 系统，能够实现裂缝长度、宽度、倾角、裂缝间距、裂缝面 积等裂缝参数测量；确定裂缝成因类型、裂缝充填物类型、 充填程度；实现裂缝线密度、裂缝面密度、裂缝面孔隙度等 岩心裂缝地质参数的统计计算。岩心图像孔洞分析系统，对 存在孔、洞的岩心图像进行处理，确定孔洞类型、成因、充 填程度及充填物；自动测量孔洞直径、大小、面积；定量描 述孔洞形态，并自动统计孔洞数目、岩心面孔隙度等地质信 息，提供岩心孔洞的定性、定量地质参数。砾岩图像粒度分 析系统， 通过对砾岩岩石图像进行处理， 自动测量粒度大小、 面积、形态等参数；统计不同粒径的颗粒数及面积百分比； 绘制粒度分布直方图、频率曲线图、累积曲线图、概率值累 积曲线图等。 4 结语 岩心图像采集仪器，实现了岩心外表面、切面图像的 高分辨率、高保真度采集，为岩心图像的储存、管理及定量 分析、处理提供了高清晰度的原始图像资料。岩心图像数据 库系统实现了岩心图、文资料的永久性保存、有效管理，可 对岩心观察描述、查询、多井岩心对比, 图文显示、输出等。 应用系统实现了岩心裂缝、孔洞、粒度、沉积构造、含油性 质等地质特征的定量描述。 数字成像系统的应用本文仅涉及到一些常用的地质分 析，随着其它新技术的发展，如成像测井，储层精细评价， 油藏精细描述等，数字成像技术与这些技术的结合会使人们 对地质勘探中的一些问题有更深一步的的认识。 参 考 文 献 [1] 朱凯.岩心分析资料数据库建设与管理[J].国土资源科技管理， 2001,335. [2] 沈金发,郑甫京,王令赤,等.关系数据库ORACLE[M].北京清华大学 出版社,1992. [3] 黄福堂.岩心分析手册[M].北京石油工业出版社,1994. 图1 岩心综合分析系统结构设计原理 Fig.1 The structure designing principle of the core synthetical analysis system