數(shù)字巖心EDS彩色圖像分割

謝 冰

（長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

0 引言

隨著我國對油氣資源的需求量不斷增加，非常規(guī)油氣的勘探與開發(fā)越來越備受關(guān)注。巖石物理研究在油氣藏評價(jià)中占據(jù)著重要地位。針對頁巖、致密砂巖、碳酸鹽巖等非常規(guī)油氣復(fù)雜儲層，傳統(tǒng)的巖石物理實(shí)驗(yàn)遇到了諸多困難[1]。數(shù)字巖石物理的出現(xiàn)很好地解決了這一難題。數(shù)字巖石物理通過建立三維數(shù)字巖心并借助數(shù)值算法對巖石的聲學(xué)特性、電性、核磁共振特性及滲流特性等進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的巖石物理實(shí)驗(yàn)相比有很多優(yōu)點(diǎn)[1]。三維數(shù)字巖心重建方法包括物理方法和數(shù)值重建方法兩大類。物理方法借助CT、SEM、FIB、EDS等儀器獲取巖心的多幅二維圖像直接重建三維數(shù)字巖心。數(shù)值重建方法則借助少量的巖心二維圖像，通過圖像分析提取建模信息，采用各種重建算法[2]建立三維數(shù)字巖心。頁巖的礦物成分及孔隙分布相當(dāng)復(fù)雜，通過EDS圖像可以有效地分析頁巖的各種礦物及孔隙分布。本文通過對Eagle Ford頁巖EDS彩色圖像進(jìn)行分割，得到了各種礦物及孔隙的二值圖像，為后期的三維數(shù)字巖心重建及巖石物理數(shù)值模擬奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 X射線能譜儀（EDS）

X射線能譜儀（EDS）是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。EDS根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息，對x射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。

1.1 基本原理[3]

1.2 分析技術(shù)

EDS分析包括X射線的測量、空間分辨率、峰/背比(P/B)、定性分析、定量分析、元素的面分布分析方法。電子束只打到試樣上一點(diǎn)，得到這一點(diǎn)的X射線譜的分析方法是點(diǎn)分析方法。與此不同的是，用掃描像觀察裝置，使電子束在試樣上做二維掃描，測量特征X射線的強(qiáng)度，使與這個(gè)強(qiáng)度對應(yīng)的亮度變化與掃描信號同步在陰極射線管CRT上顯示出來，就得到特征X射線強(qiáng)度的二維分布的像。這種觀察方法稱為元素的面分布分析方法，它是一種測量元素二維分布的非常方便的方法。利用特定的方法可以將元素二維分布圖像轉(zhuǎn)化為礦物及孔隙分布圖像。

2 EDS圖像分割

2.1 分割方法

圖1是Eagle Ford頁巖氣儲層某塊頁巖巖心的EDS彩色圖像[4]，圖中各種顏色對應(yīng)的礦物名稱以及相應(yīng)的RGB值如表1所示。本文是基于RGB色彩空間對EDS圖像進(jìn)行分割。EDS彩色圖像中每個(gè)像素對應(yīng)一個(gè)RGB值。首先利用Matlab中的imtool函數(shù)得到每種礦物對應(yīng)顏色的RGB值；然后利用三維歐式距離空間對每個(gè)像素的RGB值進(jìn)行聚類，得到聚類后的EDS彩色圖像（圖2）；最后根據(jù)聚類后的EDS彩色圖像進(jìn)行二值分割。

圖1 Eagle Ford頁巖EDS圖像

圖2 聚類后的EDS圖像

表1 圖1中各種顏色對應(yīng)的礦物名稱和GRB值

2.2 分割結(jié)果

圖3

圖3（a）-（g）分別是對不同礦物以及孔隙進(jìn)行二值分割后得到的二值圖像。由圖可知，基于RGB色彩空間的歐式距離空間聚類并進(jìn)行二值分割的方法，除了有機(jī)質(zhì)，其它礦物及孔隙的二值分割效果很好。有機(jī)質(zhì)的二值分割主要是由于不同顏色礦物接觸邊界的影響。

2.3 源程序

參考http：//user.qzone.qq.com/1057206671/2。

3 結(jié)論

本文提出的基于RGB色彩空間的歐式距離空間聚類并進(jìn)行二值分割的方法能夠有效地對數(shù)字巖心EDS彩色圖像進(jìn)行分割，從而得到各種礦物及孔隙的二值分割圖像，為三維數(shù)字巖心重建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是該方法存在的缺陷在于不能對不同顏色礦物接觸邊界處存在的過渡色進(jìn)行準(zhǔn)確的聚類，從而會(huì)影響最終的圖像分割結(jié)果。建議可以從HSV、L*a*b*等其它色彩空間對數(shù)字巖心EDS彩色圖像進(jìn)行二值分割。

［1］孫建孟,姜黎明,等.數(shù)字巖心技術(shù)測井應(yīng)用與展望[J].測井技術(shù),2012,36(1)：1-7.

［2］劉學(xué)鋒,張偉偉,等.三維數(shù)字巖心建模方法綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2013,28(6)：3066-3067.

［3］http：//www.mttlab.com/g/testing/morphology/sem_eds/index.html[OL].

［4］Joel D.Walls,Steven W.Sinclair.Eagle Ford Shale Reservoir Properties From Digital Rock Physics[J].EAGE,2011,29(6)：97-101.