数字岩心EDS彩色图像分割

【摘 要】在非常规油气的勘探与开发中，很难通过岩石物理实验对页岩、致密砂岩、碳酸盐岩等复杂储层进行属性研究。数字岩石物理，一种基于数字岩心的岩石物理数值模拟，能够从微观、多尺度层面上对这些复杂储层进行无损岩心测试。数字岩心建模方法包括物理实验方法和数值重建方法两大类。数值重建方法的一项重要步骤就是对岩心二维图像进行图像分割，从而提取建模信息进行三维重建。X射线能谱仪（EDS），作为微区成分分析的重要手段之一，能够得到岩石各种矿物和孔隙分布的彩色图像。本文通过对Eagle Ford页岩EDS彩色图像进行分割，得到各种矿物及孔隙的二值图像。

【关键词】数字岩石物理；数字岩心；X射线能谱仪；彩色图像分割

0 引言

随着我国对油气资源的需求量不断增加，非常规油气的勘探与开发越来越备受关注。岩石物理研究在油气藏评价中占据着重要地位。针对页岩、致密砂岩、碳酸盐岩等非常规油气复杂储层，传统的岩石物理实验遇到了诸多困难[1]。数字岩石物理的出现很好地解决了这一难题。数字岩石物理通过建立三维数字岩心并借助数值算法对岩石的声学特性、电性、核磁共振特性及渗流特性等进行数值模拟实验。数字岩石物理实验与传统的岩石物理实验相比有很多优点[1]。三维数字岩心重建方法包括物理方法和数值重建方法两大类。物理方法借助CT、SEM、FIB、EDS等仪器获取岩心的多幅二维图像直接重建三维数字岩心。数值重建方法则借助少量的岩心二维图像，通过图像分析提取建模信息，采用各种重建算法[2]建立三维数字岩心。页岩的矿物成分及孔隙分布相当复杂，通过EDS图像可以有效地分析页岩的各种矿物及孔隙分布。本文通过对Eagle Ford页岩EDS彩色图像进行分割，得到了各种矿物及孔隙的二值图像，为后期的三维数字岩心重建及岩石物理数值模拟奠定了数据基础。

1 X射线能谱仪（EDS）

1.1 基本原理[3]

X射线能谱仪（EDS）是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。EDS根据上述不同信息产生的机理，对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息，对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。

1.2 分析技术

EDS分析包括X射线的测量、空间分辨率、峰/背比（P/B）、定性分析、定量分析、元素的面分布分析方法。电子束只打到试样上一点，得到这一点的X射线谱的分析方法是点分析方法。与此不同的是，用扫描像观察装置，使电子束在试样上做二维扫描，测量特征X射线的强度，使与这个强度对应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT上显示出来，就得到特征X射线强度的二维分布的像。这种观察方法称为元素的面分布分析方法，它是一种测量元素二维分布的非常方便的方法。利用特定的方法可以将元素二维分布图像转化为矿物及孔隙分布图像。

2 EDS图像分割

2.1 分割方法

图1是Eagle Ford 页岩气储层某块页岩岩心的EDS彩色图像[4]，图中各种颜色对应的矿物名称以及相应的RGB值如表1所示。本文是基于RGB色彩空间对EDS图像进行分割。EDS彩色图像中每个像素对应一个RGB值。首先利用Matlab中的imtool函数得到每种矿物对应颜色的RGB值；然后利用三维欧式距离空间对每个像素的RGB值进行聚类，得到聚类后的EDS彩色图像（图2）；最后根据聚类后的EDS彩色图像进行二值分割。

分别是对不同矿物以及孔隙进行二值分割后得到的二值图像。由图可知，基于RGB色彩空间的欧式距离空间聚类并进行二值分割的方法，除了有机质，其它矿物及孔隙的二值分割效果很好。有机质的二值分割主要是由于不同颜色矿物接触边界的影响。

2.3 源程序

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

3 结论

本文提出的基于RGB色彩空间的欧式距离空间聚类并进行二值分割的方法能够有效地对数字岩心EDS彩色图像进行分割，从而得到各种矿物及孔隙的二值分割图像，为三维数字岩心重建提供数据基础。但是该方法存在的缺陷在于不能对不同颜色矿物接触边界处存在的过渡色进行准确的聚类，从而会影响最终的图像分割结果。建议可以从HSV、L*a*b*等其它色彩空间对数字岩心EDS彩色图像进行二值分割。

【参考文献】

[1]孙建孟，姜黎明，等.数字岩心技术测井应用与展望[J].测井技术，2012，36（1）：1-7.

[2]刘学锋，张伟伟，等.三维数字岩心建模方法综述[J].地球物理学进展，2013，28（6）：3066-3067.

[3]http：///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.

[责任编辑：杨玉洁]

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