[发明专利]基于岩心二维颗粒图像的三维颗粒结构重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二维图像的三维建模方法，尤其涉及一种基于岩心二维颗粒图像的三维颗粒结构重建方法，属于三维图像重建技术领域。

背景技术

在石油地质研究中，岩心三维微观结构是研究岩心宏观物理特性的基础。以岩心二维颗粒图像为基础进行岩心三维颗粒结构的重建，是获取岩心三维颗粒结构信息的主要手段之一。目前，基于岩心二维图像重建与其对应的三维结构的方法，大多侧重于孔隙的三维重建，而对岩心中矿物颗粒的三维空间分布的研究相对较少。在目前缺少对岩心三维颗粒微观结构研究的情况下，研究者基于岩心二维颗粒图像的三维颗粒结构重建，重建的三维颗粒微观结构为真实岩心微观结构提供了一个很好的解释。目前对岩心二维颗粒图像重建与其对应的三维颗粒结构的重建算法主要有基于过程的重建算法和最大熵原理重建算法等。

所述基于过程的重建算法的基本思想是模拟岩心的沉积过程。用该方法构建岩心三维颗粒结构主要包括三个过程：颗粒沉积过程、压实过程和成岩过程。在构建数字岩心三维颗粒结构过程中，假定岩心颗粒粒径分布满足正态分布，且岩心颗粒形状均为球形。此时，颗粒在沉积过程中遵循重力势能最小原理，主要利用下降与滚动算法确定三维数字岩心中每一岩心颗粒球心的稳定位置；然后将所有沉积岩心颗粒向下移动来模拟岩心的压实和颗粒重排过程；最后模拟岩心矿物的地质形成过程，在成岩过程模拟中，考虑了石英胶结质的生长和粘土物质的填充作用。

1984年美国电气工程师C.E.Shannon在其《通信的数学理论》一文中首次提到了信息熵的概念，把熵作为一个随机事件的“不确定性或信息量的度量。”而最大熵算法是一种选择随机变量统计特性最符合客观情况的准则，在这种情况下，概率分布最均匀，预测的风险最小。因为这时概率分布的信息熵最大，所以人们称这种算法叫“最大熵算法”。所述最大熵原理重建算法构建微观结构的核心思想是把微观结构看成随机场并利用最大熵原理构造随机场的概率分布函数，即在已知二维图像随机场的概率分布函数的状况下估计重建三维结构最大可能的概率分布，使重建三维结构的概率分布函数接近原始二维图像的微观结构；并能够将任意多的概率信息并入到重建后的微观结构模型中，为匹配目标提供最优选择是最大熵原理重建算法的优点。但其最大缺点是需要大规模的计算，因此重建微观三维颗粒结构非常耗时且所重建效果并不理想。应用最大熵原理研究微观结构的重建主要是针对平面微观结构，而目前基于最大熵原理的岩心三维颗粒结构重建工作未见报道。因此，如何解决这一问题，是所属技术领域科技工作者面临急待解决的问题。基于此，本课题组潜心研究，提出一种基于岩心二维颗粒图像的三维颗粒结构重建方法；该研究项目受国家自然科学基金项目《岩石微观非均质结构三维图像重建及分辨率提升技术研究》(61372174)资助。

发明内容

本发明的目的在于为了解决上述现有技术中所存在的技术问题，而提供一种基于岩心二维颗粒图像的三维颗粒结构重建方法。该方法是基于岩心二维图像的三维建模问题，利用二维颗粒图像中所包含的矿物颗粒信息，推断与二维矿物颗粒结构信息相对应的三维颗粒结构信息，采用重建算法，使重建的三维颗粒结构与二维颗粒结构参考图像具有相似的形态分布。

本发明是通过以下技术方案来实现上述发明目的的。

本发明提供的一种基于岩心二维颗粒图像的三维颗粒结构重建方法，包括以下步骤：

(1)提取原始岩心二维颗粒图像中矿物颗粒的个数，对不同矿物颗粒赋予不同的灰度级，将处于不同灰度级的矿物颗粒进行标号，以区分出不同的颗粒；

(2)统计步骤(1)提取的岩心二维颗粒图像中每个矿物颗粒的面积；采用遍历整幅岩心二维颗粒图像，用计算机记录每个矿物颗粒标号下二维矿物颗粒像素值的个数，即统计出岩心二维矿物颗粒的面积；

(3)将步骤(2)统计出的每个矿物颗粒的面积，按其大小给出二维矿物颗粒面积分布直方图；

(4)对步骤(3)给出的每个二维矿物颗粒面积分布直方图区间的二维矿物颗粒，采用第一阶段模拟退火算法来预测其直方图区间中每个岩心二维矿物颗粒的三维颗粒结构；

(5)将步骤(4)预测的每个岩心二维矿物颗粒的三维颗粒结构放入重建的三维空间中；整个重建过程当满足预测终止条件时结束，即获得每个岩心二维矿物颗粒的三维颗粒结构；