（计算机应用技术专业论文）成像测井裂缝图像处理和识别方法的研究.pdf

论文题目：成像测井裂缝图像处理和识别方法的研究 专业：计算机应用技术 硕士生：杨林军( 签名) 指导教师：张群会( 签名) 摘要 成像测井是地球物理探测的重要手段，裂缝识别是成像测井的重要目标，而裂缝图 像处理是影响裂缝识别效果的关键因素。 本文对基于数学形态学的裂缝图像处理方法进行了研究。介绍了数学形态学方法的 理论基础，设计并实现了相应的算法。针对数学形态学方法以裂缝图像为处理对象进行 了具体的实验，并对实验结果进行了深入的比较和分析，剖析了数学形态学方法的特点， 总结出了用数学形态学方法处理裂缝图像的步骤和需要注意的问题。 小波分析在各个领域取得了瞩目的成就。本文针对测井图像的噪声干扰问题引入了 小波分析的方法。通过研究小波分析的基础理论，找出了小波去噪方法的原理和影响其 去噪效果的关键因素，同时介绍了小波分解和重构去噪方法和小波阙值去噪方法。通过 实验证明小波去噪方法具有良好的滤波性能，可以应用在成像测井的各个阶段。 在裂缝识别解释上，通过综合运用形态学和小波变换方法对裂缝图像进行处理后， 选取了h o u g h 变换作为过井眼裂缝的识别方法。本文对h o u g h 变换识别过井眼裂缝的 原理进行了深入的剖析，指出h o u g h 变换能够检测裂缝曲线的本质所在。提出利用小波 变换后的图像来降低h o u g h 变换运算量的方法，可提高h o u g h 变换速度。实验结果表 明其识别结果的相对误差在可以忽略的范围内。 关键词：成像测井；裂缝识别；，数学形态学；小波变换；h o u g h 变换 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo nt h et e c h n i q u eo fi m a g ep r o c e s s i n ga n di d e n t i f i c a t i o n f o rf r a c t u r eo f i m a g i n gl o g g i n g s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：y a n g l i n j u n i n s t r u c t o r ：z h a n gq u n h u i a b s t r a c t ( s i g n a t u 哦玉哮垒勉一 ( s i g n a t u r e j 基兰鹭丝竺兰兰少。 i i l 豫g i l l gl o g 舀n gi s 柚i m p o r t a n tw a yt og e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n t h er e s e a r c h o f i d e n t i f i c a t i o nf o rg e o l o g i c a lf r a c m r e si sa l li m p o r t a n tc o n t e n ti nb o r e h o l ei m a g ei n t e r p r e t a t i o n t h e k e y f a c t o r f o r t h e i d e n t i f i c a t i o n i s i m a g ep i o c e 咖o f i m a g m g l o g g i n g t h i s 形i p 盯s t u d yt h em e t h o d so f m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya p p l i e di ni n l a g ep r o c e s s i n g o fm a a g i n gl o g g i n g b a s eo nt h es t u d y0 nt h et h e o r yo fm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y , m a n y a l g o r i t h m sa r cd e s i g n e dt or e a l i z et h em e t h o d so fi m a g ep r o c e s s i n go fm a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y , a n dm a n ye x p e r i m e n t sa 糟d o n et ov e r i f yt h ea l g o r i t h m s t h e nt h ea n a l y s i sa n d c o m p a r ei sd o n ef o rt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s a tl a s t , ac o n c l u s i o ni sg i v e na b o u t m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya p p l i e di ni m a g ep r o c e s s i n go f i m a g i n g l o g g i n g w a v e l e tt r a n s f o r mi san e wm e t h o d o l o g y i nt h i s 详i p e 霸t h e r ea r es o m ed i s c u s s i o n sa b o u t w a v e l e tt r a n s f o r ma p p l i e di nd e n o i s i n go ff r a c t u r ei m a g e so fi m a g i n gl o g g i n g t h r o u g ht o s t u d yt h eb a s i ct h e o r yo fw a v e l e tt r a n s f o r m , p r i n c i p l e so fd e n o i s i n gu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m 眦g i v e n , a n dt h ek e yf a c t o i sa f f e c t i n gt h er e s u l to f & - n o i s i n ga r cg i v e n , t o o a th s t , t h e d e n o i s i n gm e t h o d so f w a v e l e tt r a n s f o r ma r ep r o v e db ye x p e r i m e n t s t h em e t h o d sh a v eg o o d f i l t e r i n gc a p a b i l i t y , a n dc a nb ea p p l i e dt oa l lp h a s e so f i m a g i n gl o g g i n g a f t e rt h ep r o c e s s i n go ff i 扯 t n r ei m a g eu s i n gt h em e t h o d so fm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y a n dw a v e l e tt r a n s f o r m , h o u g h - t r a n s f o r mc a nb eu s e dt oi d e n t 毋t h ec u r v e so f6 a c n 麟 t h r o u g hs t u d yt h et h e o r yo f h o u g h - t r a n s f o r m ，t h ee s s e n c oo f h o u g h - t r a n s f o r mi sf o u n d , a n d t h ea l g o r i t h mo fh o u g h - t r a n s f o r mi sg i v e n a n o t h e rm e t h o do fh o u g h - t r a u s f o r mb a s e d0 1 1 w a v e l e tt r a n s f o r mi sp u r p o s e d , a n da ne x p e r i m e n ti sd o n et ov e e r yi t se f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h i l a g i n gl o g g i n g f m o u r ei d 枷f i c a 虹姐m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西姜斜技大肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 11f。 学位论文作者签名：；l 群擎日期：扣u 7 乒哕 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：杨 中军指导教师签名：7 幺确钐 3 一f 年节月2 re t 1 绪论 1 绪论 石油产业作为一个国家能源的支柱产业，其发展与国家战略、全球政治和经济发展 息息相关。保持我国石油工业的持续发展关系到我国经济的可持续发展问题。测井技术 在能源需求和石油工业发展的大力推动下，取得了快速发展。而测井技术的进步又对石 油工业发展起到了促进作用，它被广泛应用于油气田勘探开发的全过程，为石油地质和 工程技术人员寻找和评价油气层提供了重要的资料和依据，解决了一系列的地质难题。 此外，测井技术还是进行煤炭、金属等地下矿产资源勘探的重要手段，并被扩展应用于 工程及其它领域l l j 。 测井技术是一种井下油气勘探方法，是准确发现油气藏和精确描述油气藏的重要手 段，是油气储量及产量评估不可缺少的科学依据。铡井技术是石油科技的一个重要组成 部分，是石油天然气工业中高新技术含量最多的学科之一。在世界能源问题日益突出而 新能源的研究进展缓慢的背景下，各国都加大了对本国油气资源的勘测力度。而随着油 气勘探程度的提高，新发现油气藏在规模上趋于小型化，在储层物性及构造形态上趋于 复杂化。钻孔深度越来越深，钻孔形态更加复杂( 大斜度井、丛式井、水平并等) ，勘 探难度越来越大，成本越来越高，加上老油田的二次采油，三次采油的要求提高，催生 了测井技术的进步，越来越多的新技术和理论被应用到了测井解释上来。测井方法从简 单的电极法测井到声波测井、核测井和核磁共振测井等等；测井解释从测井资料的人工 整理、人工解释发展到计算机自动整理、自动处理解释与解释成果的自动直观显示；从 定性解释、半定量解释发展到定量解释；从个别层段人工解释到全井段连续自动处理解 释以及人机交互解释；从单井评价到多井评价与油藏描述；从简单纯地层模型到较完善 的复杂地层模型，其中大量应用到了数理统计、多元分析、最优化、模糊数学、神经网 络、人工智能以及数据库、计算机图形与图像处理等方面的技术。从而大幅提高了解释 精度，扩大了解释成果的应用范围，促进了解释理论和方法的发展，也推动了测井数据 处理与解释软件的发展 2 1 。随着计算机软件和硬件技术的快速发展和广泛应用，加之各 种解释模式的不断积累和解释模型的不断丰富、完善，各种数学模型的引入，从而为测 井数据处理开辟了有效的途径，促使测井解释由识别型向评价型发展；由数据离散型向 可视化的图形、图像发展。 成像测井是应用最新的电子技术、计算机技术实现全方位、高分辨率数据采集，并 将测井数据通过图形图像的方式表达出来的先进的测井技术。其通过图像显示层内及层 间地质特征的变化，提高了测井信息自身的还原能力和测井与测井信息问的综合能力。 西安科技大学项士学位论文 1 1 国内外研究现状 1 1 1 成像测井的研究现状 成像测井技术是应用最新的电子技术、计算机技术实现全方位、高分辨率数据采集 的先进测井技术；更是一种用数学方法把许多通过声、电等途径得到的信息转化重建成 二维，三维图像的测井技术。 根据提取的地下岩层物理参数的不同，成像测井可以分为电阻率成像测井、声波成 像测井等。碳酸盐岩或火成岩以及致密砂砾岩储层是十分重要的油气储集类型，使用成 像测井方法的主要目的之一是根据物理参数的图像显示直观地确定地层中可能存在的 裂缝和溶孔( 洞) ，从而有效判断储集层存在的位置及有关描述裂缝的参数。描述裂缝 的参数主要有裂缝高度、倾角和走向等。目前世界上主要的成像测井系统有斯伦贝谢公 司的l l a x l s 5 0 0 、阿特拉斯公司的e c l i p s 一5 7 0 0 、哈里伯顿公司的e x c e l l - 2 0 0 0 。仪器包 括井眼微电阻率扫描成像测井仪f m s 雕i 、s t a r - i i 、e m i 和井壁超声成像测井仪u b i 、 c b i l 、c a s t 等。 特色的成像测井系统都是通过自己特色的处理解释软件来实现的。国外的成像处理 解释软件主要有斯伦贝谢公司的g e o f r a m e 软件包和阿特拉斯公司的e x p r e s s 软件包。 斯伦贝谢公司的g e o f r a m e 软件包中的处理解释技术是目前最先进的技术，但是由于其 软件价格昂贵、处理技术封锁，以及测井资料少等原因，无法大范围地普及应用。目前 国内推广应用的声电成像测井仪器是阿特拉斯公司的c b i l 、s t a r 测井仪器，主要应用 的处理软件是阿特拉斯公司的e x p r e s s 软件包，该软件与g e o f r a m e 软件相比，在裂缝 参数定量评价方法方面还很欠缺，主要问题有：应用该软件计算得到的裂缝宽度严重偏 大，难以被地质家所接受；裂缝参数的评价方法少，缺少裂缝平均水动力宽度分析，缺 少s t a r 成像测井裂缝孔隙度分析等精细解释评价功能；仪器偏心校正方法和图像动态 增强的处理方法还需要改进和提高【3 】。 最近几年，国内的成像处理软件也逐渐发展起来，目前具有一定影响力的成像处理 软件有北京石大石油勘探数据中心的f o r 毗r d 声电成像测井处理软件、北京吉奥特能源 科技有限责任公司的l o g v i e w 声电成像测井分析系统、中国石油集团测井有限公司技术 中心的l e a d 声电成像测井处理软件。他们具有成像资料处理能力，并且各有特色，值 得学习和借鉴。尽管目前成像测井的解释技术已经取得了很大的进展，但是，由于复杂 地质环境和测井条件的影响，定量评价和解释的难度依然很大，还需要做进一步的研究。 随着成像测井技术的不断进步，成像测井向着以下几个方向发展： ( 1 ) 成像测井己由传统的电、声、核成像测井向着多元化方向发展。现在不仅出 现了以流体力学原理为基础的组件式地层动态测试仪为代表的力学成像测井技术，而且 2 1 绪论 出现磁成像铡井技术，热成像等成像测井技术。 ( 2 ) 在成像测井解释方面，摆脱了以往那种单一依靠专家的知识和经验进行测井 解释的模式，发展了大量的方法和技术应用于成像解释之中如利用数学形态学1 4 j ， h o u g h 变换嘲，r a d o n 变换 6 1 ，小波【7 ，抑等方法进行裂缝图像处理和识别；利用有限元技 术对裂缝宽度和孔隙度等参数进行数值模拟计算1 9 - n l ：利用模拟退火方法进行层理分析 嘲等，这些技术给成像测井带来了革命性的变化，使成像测井解释由定性解释正逐步向 定量解释方向发展；同时解释的范围也变广了，不仅进行传统的参数空间的度量，而且 还可以进行拓扑结构的分析1 1 2 j ；这种解释不仅不局限于井柱面的二维空间，而且还可以 进行对油藏构造、储层结构和流体分布的三维非均质描述。 ( 3 ) 适应大斜度井、水平井测井的需要，正在研究、开发随钻成像测井技术 1 3 , 1 4 。 1 1 2 图像处理和裂缝识别技术的研究现状 成像测井实现了以井为对象的二维或三维空间测量，并对测量结果以具有三维模拟 性质的二维可视图像进行显示，能对地层非均质性做出响应，从而大大增强人们有效理 解、运用这些信息和数据的能力，有利于为地质与工程决策提供最佳答案。成像测井技 术是当今测井的前沿技术，其涉及地质、物理、数学、机械、电子、计算机等多个学科 的先进技术，成像测井资料能解决许多其它测井方法解决不了的问题，关键在于处理上 需要与图像处理技术、计算机技术结合；解释上还需要测井与地质的结合。 成像测井井壁图像裂缝参数的自动提取就是要对井壁图像进行处理和识别。图像处 理与识别属跨学科的综合性边缘科学，集光学、数学、计算机科学、电子学、信息学于 一体。随着计算机软硬件技术的不断提高，自2 0 世纪八十年代中期至九十年代后期计 算机图像处理与识别技术得到了快速发展，在工业、农业、交通、金融、地质、海洋、 医药、军事、卫星遥感和多媒体信息网络通信领域得到了十分广泛的应用，取得了显著 的社会和经济效益。目前，数字图像技术已经从工业领域、实验室走入了商业领域、艺 术领域及办公室，甚至走进了人们的日常生活。 数字图像处理技术开始于二十世纪五十年代，研究内容主要包括点运算、几何处理、 图像编码与压缩、图像预处理、图像增强、图像变换与图像恢复、图像分割与分析以及 模式识别等。由于图像中各像素点颜色在计算机内部均是数值的反映，因此大规模数据 处理中所使用的各种手段均能够移植到图像处理中。如傅立叶变换及用于数据压缩的分 形与小波变换、神经网络和模式识别技术等，在图像处理领域均得到非常好的使用效果。 另外，苑寅秋提出了基于知识的计算机图像处理，分析了知识工程在图像处理中的一个 应用，即图像处理专家系纠1 5 】；杨静等提出了一种基于线性不变矩的目标识别算法【1 6 】； 薛国新等做了基于最小矩理论的计算机裂缝自动识别研究i l 刀；王培珍等提出了一种基于 融合技术的图像识别方案i l 研。通过计算机代替人去识别图像中感兴趣的目标物是计算机 西安科技大学硕士学位论文 图像处理的最终目的，这正是计算机模式识别要解决的问题。 目前的成像测井系统在裂缝识别上还处在一个半自动的阶段。如斯仑贝谢公司的 g e o f r a m e 和北京吉奥特能源科技有限公司的l o g v i e w 均是通过人工干预来实现对裂缝 的拾取和解释。对于声波成像测井，d t o r r e s ，j o n a t h a n 等研究了自动提取裂缝走向 和倾角的方法【1 9 2 0 l ，由于声波成像测井与电阻率成像测井存在原理和测量方式上的差 异，与声波成像测井相比，电成像测井图像上裂缝的自动提取更为复杂，需要较多的预 处理以及开辟较大的存储空间，具有一定的难度。国内也有人在井壁成像测井图像自动 识别方面做了研究工作，秦巍等利用数学形态学中的腐蚀和膨胀技术以及图像识别的方 法实现了对简单地层裂缝信息的自动识别【2 l 】；杨绪海等通过小波分析及模糊识别等理 论，建立了一个有效的数学模型，利用声成像测井数据实现了岩石裂缝特征的自动识别 圈；田金文等利用r o b e r t s 算子进行溶洞边缘检测，用基于方向曲线的方法进行边缘 跟踪和细化，实现了基于井壁成像测井图像的溶洞自动提取和定量计算瞄l ；陆敬安等应 用h o u g h 变换实现了电阻率成像测井中的裂缝参数自动提取【2 4 】；柯式镇等根据成像测 井图像的特点，对其灰度统计直方图进行分析和处理，去除噪声的影响，准确确定图像 目标体所对应的灰度范围，确定图像阈值化的阈值，从而实现缝洞目标体自动检测嘲； 李雪英等利用成像测井资料的灰度或色彩变化通过轮廓提取、轮廓跟踪方法及阙值化处 理方法实现了垂直裂缝的自动识别1 2 6 。 1 1 3 数学形态学研究现状 数学形态学( m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ) 诞生于1 9 6 4 年，由法国数学家m a t h e r o n 和s e r r a 共同创立1 2 ”，并于1 9 6 8 年在巴黎矿业学院创建了枫丹白露数学形态学研究中 心。m a t h e r o n 于1 9 7 5 年出版的( r a n d o ms e t sa n di n t e g r a lg e o m e t r y 一书中严谨而 详尽地论述了随机集合论、积分几何论和拓扑逻辑论，为数学形态学奠定了坚实的理论 基础。到了1 9 8 2 年，s e r r a 出版的专著( i m a g ea n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y 标志着数学形态学的发展进入到了一个新的里程碑田】。它给出了图像处理中数学形态学 方法的经典描述，清楚地表明数学形态学理论的日趋成熟和应用范围的不断扩大。并在 医学、生物学、遥感、机器人视觉及工业自动控制等领域取得了丰硕成果。1 9 8 5 年以后， 些相关领域的国际会议开始把数学形态学列为学术讨论专题，或专门举行研讨会。 数学形态学首先处理的是二值图像，称为二值数学形态学( b i n a r ym o r p h o l o g y ) 。 它将二值图像看成是集合，并用结构元素来探察。二值数学形态学是一种针对集合的处 理过程，算法简单，适于并行处理，且易于硬件实现，适于对二值图像进行图像分割、 细化、抽取骨架、边缘提取、形状分析等处理。 灰值数学形态学( g r a ys c a l em o r p h o l o g y ) 是二值数学形态学对灰值图像的自然 扩展。灰值形态学将二值形态学中所用到的交、并运算分别用最大、最小极值运算代替， 4 1 绪论 灰值形态学基本算子通过组合得到了广泛的应用。灰值数学形态学可以通过本影变换与 二值形态学联系起来。 二值数学形态学和灰值数学形态学构成了经典的数学形态学。在此基础上，众多学 者进行了大量、深入的研究，提出了一系列新的数学形态学理论。用结构元素的轮廓来 对图像进行形态变换，构成了c b 形态学( c o n t o u rs t r u c t u r i n ge l e m e n tm a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y ) 网。排序统计学注入数学形态学发展成为顺序形态学( o r d e rm a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y ) 例。c a s t e r a t o s 等人将模糊集合理论应用到柔性数学形态学提出了模糊 柔性数学形态学( f u z z ys o f tm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ) j 。g o u s t i a s 和h e i j m a n s 提出了形态金字塔( m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yp y r a m i d s ) 和形态小波( m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g yw a v e l e t s ) 3 2 , 3 3 1 。形态金字塔和形态小波将形态学与金字塔变换、小波变 换结合起来，形成了非线性、多分辨的信号处理方法，应用于形状分析与处理等领域。 1 1 4 小波分析研究现状 小波分析已经有几十年的历史，小波变换是一种在时域和频域同时具有良好局域化 特性的信号分析方法，可以把时频分析聚焦到信号的任意细节，小波变换在图像处理、 语音分析、分形理论及信号处理等领域得到了广泛的应用。小波变换在测井资料处理与 解释中的应用研究开始于9 0 年代初期例：s a i t o 等在小波理论研究的基础上，对声波 全波列的地质信息提取方法进行了深入研究，认为声波全波列中某种成分的速度或幅度 只是整个波列的一部分信息，利用整个波列来提取地质信息更合理，并采用小波基以及 时频分解方法对声波全波列进行分解，以预测地层岩性。小波变换在图像处理中得到了 广泛的应用，涉及图像去噪、图像增强、图像压缩、边缘检测、纹理分析、图像融合以 及图像分割等不同领域，特别是在医学图像处理和s a r 图像处理中获得了良好的效果。 在图像边缘检测方面，m a l l a t 等提出了小波变换过零点法和模极大值法，是小波在边缘 检测中的典型方法，付正文和邹长春等利用小波变换实现了基于小波模极大值的超声成 像测井图像边缘检测【7 】。在图像增强方面：凌毓涛等通过单独地处理小波系数，并且分 析小波相邻各层之间的相关性，作为判断噪声的依据。然后利用这些信息对图像进行增 强，在医学图像增强中获得了满意的效果网；吴颖谦等提出了一种基于小波分析和人 眼视觉特性的图像增强方法，在充分增强对比度的同时，极大地降低了对噪声的过增强， 具有较好的视觉效果刚；方勇等针对传统图像增强中存在的一些问题，如增强噪声、丢 失细节等，提出了一种基于软阈值的小波图像增强方法，可以有效地增强图像的细节信 息，保持图像的边缘特征，改善图像的视觉效果【3 ”。在图像去噪方面：薛军平等针对医 学图像去噪，利用小波变换具有多分辨率分析和时频两域都具有表征信号局部特征的特 点，提出了基于小波包分析的图像消噪算法，并在m a t l a b 平台上实验仿真，取得了较 好的效果1 3 s ) ：张文江等研究了基于小波阈值优化和边缘检测的s a r 影像斑点噪声滤除 5 西安科技大学硕士学位论文 方法【3 明。小波分析已经成为目前图像处理中的研究热点，但是小波变换在声电成像测井 图像处理中的研究相对较少，本文将小波分析的基本方法引入到测井图像去噪处理中 来，取得了比较好的效果。 1 2 研究的目的和意义 裂缝是碳酸盐岩等特殊岩性油藏储层的重要渗流通道和储集空间，在碳酸盐岩地层 中，裂缝还控制着溶孔、溶洞的发育，影响着地层中原始流体的分布状况和泥浆侵入特 性；在火成岩地层中，裂缝是地层产能的最重要、最直接的影响因素。因此，研究地下 裂缝的发育及其分布规律就显得尤为重要。这类储层有强烈的非均质性、复杂的储集空 间以及各向异性，这些特点为裂缝储层的评价增加了难度，裂缝性油气藏已经成为勘探 的难点和重点。常规的测井方法难以准确、有效地识别裂缝，尤其对裂缝的产状、分布 密度更难确定，成像测井能够提供高分辨率的连续井周图像，在识别裂缝方面具有独到 的成功之处。可以对裂缝参数进行定性、定量描述，并借助与常规测井曲线相互标定提 高裂缝解释的准确性，同时还可用于高分辨率薄层评价、地层沉积环境分析、地层层内 结构分析和地质构造解释。在储层评价中，岩石的裂缝发育程度( 即裂缝孔隙度) 是对 石油储量与产能进行定量分析的重要指标。目前，一般用裂缝密度( 单位井段所含裂缝 的条数) 来描述岩石的裂缝发育程度，若要用裂缝孔隙度( 裂缝总面积与井壁总面积之 比) 准确地描述岩石的裂缝发育程度，由于不能实现岩石裂缝特征的自动识别，而主要 靠人工提取裂缝来计算孔隙度，其客观性受到人为因素的制约。作为成像测井计算机自 动处理和解释的重要内容，井壁图像的处理和裂缝参数的自动提取具有十分重要的实用 和理论研究价值，也是寻求计算机自动解释方法的必要步骤。该项技术的实现将消除由 于参加解释主体不同而导致的成像测井解释结果的多样性，可大大减轻解释人员的工作 负担和减少解释时间，能够产生较好的社会和经济效益。目前，现场的测井图像处理， 基本依赖仪器生产厂商提供的软件和处理方法，这些图像处理方法基本是常规图像处理 方法。这就使得可能因为处理方法而导致成像测井信息不能被充分利用，或者一些干扰 等无用信息不能被有效消除；同时，测井工作者对成像测井解释的认识和经验也很难融 入到成像解释过程中。运用合适的图像处理技术对成像测井图像进行处理与解释，有利 于获得更丰富的地质信息。测井图像处理是实现裂缝等自动识别的重要基础，没有好的 图像处理方法，也很难有理想的识别效果。 本文通过研究基于数学形态学和小波分析的图像处理方法，在借鉴前入研究结果的 基础上将形态学和小波分析应用到测井图像处理中。提出了利用小波变换图像结合 h o u g h 变换识别过井眼裂缝图像的方法，有效的减少了h o u g h 变换的计算量。实验证明， 该方法是切实可行的，其所计算出来的曲线与直接利用h o u g h 变换方法的误差在几个象 素的范围内，在涉及大数据量的测井图像处理中，该方法不失为一种好的选择。 6 1 绪论 1 3 研究内容及章节安排 要实现成像测井裂缝的识别，有两方面的工作要做：一是测并图像的预处理；二是 裂缝的曲线方程计算，即识别。本文集中研究了数学形态学和小波分析在声电成像测井 图像处理中的应用，提出了利用小波变换图像结合h o u g h 变换识别过井眼裂缝图像的方 法。全文共分六章。 第一章，绪论。本章详细介绍了成像测井的背景、意义、研究现状以及国内外的发 展趋势；简要介绍了数学形态学和小波分析的研究现状。 第二章，成像测井原理和裂缝形态研究。本章以最常见的声波和电阻率成像测井为 例，介绍了成像测井仪器的工作原理合成像原理；并以裂缝为主分析了成像图像所表现 的常见地质特征。 第三章，数学形态学研究。本章详细介绍数学形态学的基本理论，着重研究了形态 学方法的算法设计和实现，以及在测井图像处理中的实验效果。 第四章，小波分析去噪研究。本章介绍了小波分析的基本理论，重点介绍了小波分 析去噪的方法及其在测井图像去噪中的应用。 第五章，裂缝识别研究i 本章综合研究了形态学和小波分析结合h o u g h 变换在测井 图像识别中的应用。 第六章，结论。本章对全文的工作进行了总结，指出存在的问题，并对今后的工作 提出展望。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 成像测井基本原理及裂缝形态研究 成像测井的基本原理是把由岩性、物性变化以及裂缝、孔洞、层理等引起的地层非 均质性变化，转化为伪色度，从而使人们直观而清晰地看到地层的岩性及几何界面的交 化，继而可以用来识别岩性、层面、层理、砾石、透镜体、结核、较大的化石、较大的 孔洞、裂缝、断层及井眼垮塌等，使地层解释、薄层分析、沉积相分析、构造分析、储 集性分析、工程应用等变得更加方便。同常规测井、地层倾角测井方法相比，成像测井 的特点是具有较高的井筒覆盖率，较高的垂向分辨率和可视性，从而决定了其应用范围 非常广泛，特别是在地质应用方面十分突出【帅】。成像测井能给测井分析家提供大量的关 于沉积、储层、构造等方面较为详细的信息，为更好地进行测井解释提供丰富的资料。 2 1 微电阻率扫描成像测井原理 国外开展微电阻率扫描成像测井方法和仪器研究始于7 0 年代末和8 0 年代初，主要 基于常规地层倾角仪器基础上研制出来的。1 9 8 6 年，斯仑贝谢公司在井眼电扫描成像技 术上取得突破，率先研制出第一支二臂微电阻率扫描成像测井仪器，并于1 9 8 8 年及 1 9 9 1 年研制出四臂微电阻率扫描成像测井仪器( f m s ) 及全井眼微电阻率扫描成像测井 仪器( n i i ) ，实现了储层真实复杂性的电成像可视化描述。本节以刚i 为例简单介绍微 电阻率扫描成像测井的测量原理。 f m i 微电阻率扫描测井仪器测量原理如图2 1 所示。由推靠器极板主体发射交变电 流，该电流通过井内流体和被测地层回到仪器上部的回路电极。测量阵列电扣回路中的 电流强度即可反映出电扣正对着的地层邻域由于 岩石结构或电化学上的非均质引起的微电阻率的 交化。阵列电扣电流经过适当的处理可以刻度为 彩色或灰度等级图像，反映地层微电阻率的变化。 这种图像在识别裂缝、分析薄层、进行储层评价 及沉积相和沉积构造研究方面都具有重要的应用 价值。根据地层中岩性和地质特征表现出不同的 电阻率可以确定地层岩性和地质特征。任何地质 现象只要与相邻地层的岩石电阻率有一定差异， 图像上就会有反映。这种电阻率差异愈大，图像 的反映就愈明显。高电阻率岩性对应浅色的图像， 低电阻率的岩性和充满钻井液的裂缝对应深色的 图2 1f n i 工作原理图 图像。 8 2 成像测井基本原理及裂缝形态研究 _ _ i i i i _ _ _ _ _ _ - i | - _ i _ _ _ _ _ _ _ 置_ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ i i i i i l 由微电阻率扫描成像仪测得的微电阻率曲线，是阵列电扣电流 和仪器姿态的几何信息，在形成电阻率图像前，必须进行必要的深 度归位、速度校正、均衡处理和色彩或灰度刻度等处理，最后生成 图像。f m i 成像效果如图2 2 所示。 2 2 井周声波成像测井原理 传统的全方位和单极板电缆测井仪可以测量与地层骨架和流 体有关的物理参数，但却无法给出任何三维的几何形状方面的信 息。通过在测量中增加方向和详细细节方面的信息，微电阻率扫描 图2 2f m i 成像图 成像测井仪的使用提高了我们描述地层的能力。多极板微电阻率扫 描成像测井仪，改善了井眼周围数据采样覆盖的范围。然而，地质学家为了得到更完整 的地层描述结果仍然需要一幅完整的图像。由微电阻率扫描成像测井利用内插法得到的 图像有助于描述地层信息，但当倾角较大时往往变得无效。通过增加多个扭扣电极可允 许对极板面上的垂向和径向特征进行成像，但却失掉了极板问井壁上的信息。 为了适应勘探和开发更复杂、更隐蔽的油气藏，如在油基泥浆钻井液的井中，需要 更加精确地了解油气藏各方面的特性，而微电阻率扫描成像测井不能完全适应这种情 况，这对测井提出了更高的要求。在这种情况下，作为测井的一个重要方面，各大测井 公司的声波测井技术也得到了进一步发展，相继研制出了声波成像测井仪。如斯仑贝谢 测井公司的u s i 、u b i ，阿特拉斯测井公司的c b i l 和哈里伯顿测井公司的c a s t 。这些测 井仪较以前的井下声波电视等声波成像测井仪在提高测井 分辨率、增加信息数量等方面都有了很大改善。声波成像 测井具有信息多、分辨率高、数据传输率高以及处理软件 先进、完整等特点，在固井质量评价、套管损伤检测以及 岩性识别、裂缝评价，机械特性分析、地球物理应用等诸 多方面都有着突出的优点。 图2 3 为井周声波成像测井示意图。超声波成像测井 仪器中的超声换能器，在电脉冲的作用下向井壁发射超声 波脉冲束，而在超声波的作用下换能器又能产生相应的电 图2 3 声波成像测井示意图 脉冲信号。由于换能器是圆片状的压电陶瓷片，其直径要 比厚度大许多，因而超声波的能量都集中在很小的范围内，形成一个方向性很强的超声 波束，射向井壁。当声波到达井壁后，被井壁反射回来，并沿着与入射波相反的方向回 到换能器，并被换能器接收下来，形成所谓的回波。从回波中可提取回波幅度和回波时 间两种重要的信息，经定向后可获得按地理北、磁北或其它定向方式的井周声波幅度和 传播时间形成的图像。回波幅度的大小反映井壁介质的性质和井壁的结构。井壁介质的 9 西安科技大学硕士学位论文 密度越大，反射的能量越大，回波幅度就越大，反之回波幅度就小。 井壁结构是指井壁是否存在裂缝、孔洞等。当井壁不规则，例如存 在裂缝时，由于裂缝和孔洞对声波的散射，返回到换能器的声能就 比没有裂缝的井壁要小，因而回波幅度就小。因此，可以根据回波 幅度的大小来判别井壁的结构。另外根据回波时间可分析井眼大 小、井壁垮塌等信息，通过这些信息可进行井眼形状分析、辅助进 行其它地质分析。声成像测井资料的处理首先要进行数据校正，从 而消除声成像仪器在测量过程所受到的各种干扰，使测量结果更加 接近真实值。声成像测井的处理过程包括加速度校正、方位校正、 图2 4 声波成像图 图像滤波、图像增强等。声波成像效果如图2 4 所示。 2 3 井壁裂缝的基本形态和特征 裂缝是岩石结构失去连续性的一个平面，是低渗透率岩石中具有高渗透性的通道。 由于有裂缝的存在，并且裂缝发育，连通性好，才能使泥页岩和碳酸盐岩储层成为有价 值的储集层。在这些储层中裂缝既是油气储集空间，又是油气渗流通道，是控制裂缝性 油藏产能大小的重要因素，世界上已发现的特大油田均是基于裂缝性储层【l 】。裂缝既是 油藏和储层非均质研究的重要内容，也是油储地球物理研究的重要内容，在成像测井的 识别、解释上有重要的意义。弄清裂缝的基本形态以及其在成像测井资料上所显示的特 征，是进行裂缝识别最为关键和首要的一步。无论是何种形态的裂缝，它们都是混杂在 其它地质现象中的( 如层理、构造等) 。并且它们与井眼交切的形状是千变万化的，表 现在成像测井图像上的形态也是多种多样的。 裂缝按其成因可分为天然裂缝、人工诱导裂缝两大类。天然裂缝又分为构造裂缝和 非构造裂缝。人工诱导裂缝又细分为钻具震动形成的裂缝、重泥浆与地应力不平衡形成 的压裂缝及应力释放裂缝。 2 3 1 天然裂缝 ( 1 ) 构造裂缝。构造裂缝是指在地壳构造运动的过程中，岩石受构造作用力而产 生的裂缝。它包括开启裂缝和闭合裂缝两种。 在水基泥浆中，开启裂缝中充填有导电泥浆，因而其电阻率比周围的岩层电阻率低 得多，在f m i 图像上呈现低阻( 暗色) 特征，形态也各异。与井眼斜交的开启裂缝，在 声、电成像测井成果图上呈现暗色正弦波形态；几乎平行井轴的高角度开启裂缝，表现 为与井轴夹角很小的垂直暗色线条带。各种开启裂缝交织在一起时可形成网状裂缝。 闭合裂缝是充填有其他矿物的裂缝，电阻率较高，在刚i 图像上显示为浅色线条， 其通常有两种表现形态：当裂缝面角度不大并与井眼斜交时，呈现浅色正弦波线条，当 1 0 2 成像测井基本原理及裂缝形态研究 裂缝面角度较高时，正弦曲线的项部以上或谷底以下出现光晕，其余地方为深色。 ( 2 ) 非构造裂缝。非构造裂缝主要是岩石失水或岩浆冷却而引起的体积收缩形成 的收缩裂缝以及由于压溶作用形成的缝合线，收缩裂缝径向延伸不远，在刚i 图上有高 电导异常。缝合线是碳酸盐岩中最常见的一种裂缝构造，由于压溶作用成因，缝合线平 行于层界面，但两侧有近垂直的细微的高电导异常，在岩层切面上呈现锯齿状，不具有 渗透性。在f m i 图像上显示为暗色的正弦波曲线，缝合面呈现锯齿状，这也是与开启裂 缝最显著区别之一。 2 3 2 人工诱导裂缝 人工诱导裂缝是指在钻井过程中，由于钻具的震动、地应力的释放而引起的岩石破 裂所产生的裂缝。 按其形成的机理和特征可分为以下几种： ( 1 ) 过程中由于钻具震动形成的裂缝。它们十分微小且径向延伸很短，虽然在f m i 图像上有高电导异常，但在a r i 图像上却没有异常，因此容易识别它们。 ( 2 ) 泥浆与地应力不平衡造成的压裂缝。它们虽径向延伸不远，但张开度和纵向 延伸都可能较大，因而在f i i i 和a r i 图像上都有异常，我们可以利用下面特征予以区别： 它们总是以1 8 0 。或近于1 8 0 。呈暗色条带状或为暗色短线叠加雁状对称地出现在 刚i 井壁图像上。 以一条高角度张性裂缝为主，在两侧有羽毛状的较细小的剪切裂缝。 在双侧向测井曲线上出现特有的“双轨”现象，即深、浅双侧向曲线表现为大 段近于平行、较规则的正幅度差，其电阻率数值较高。 此外，应注意应力压裂缝与井壁椭圆形崩落图像的差别。它们虽然都具垂直裂缝特 征，但后者两侧无羽毛状细裂缝，且总是在最小水平主应力方向上，因而与压裂缝近似 成9 0 。夹角关系。诱导压裂缝不仅常出现于重泥浆钻进井段，有时在泥浆密度不大时也 可出现，甚至与井壁崩落同时出现。 ( 3 ) 应力释放裂缝。在裂缝发育段，古构造应力多被释放，保存的应力很小，而 且现代构造应力在充满流体的裂缝段将剧烈衰减，因此裂缝段处的地应力一般较弱，即 使有较大的非平衡性，也难于造成岩石的破裂。但在致密地层却完全不同了，其间存在 着巨大的地应力，一旦地层被钻开，提供了应力释放的条件，则随着应力的释放，将产 生一组与之相关的裂缝，这些裂缝既可在岩心中出现，也可在并壁上出现。当出现在井 壁上时，它们的f m i 图像特征通常是一组接近平行的高角度裂缝，裂缝面十分规则，在 常规测井解释中，则容易被误认为是低孔高角度裂缝性储层，但实际上是无效裂缝；当 应力释放裂缝出现在岩心中时，很容易给岩心描述带来错觉，必须注意识别，其方法是 看裂缝中有无泥浆侵入的痕迹，无侵入者为应力释放裂缝。 西安科技大学硕士学位论文 2 4 其他地质现象的形态和特征 在所有的地质现象中不仅存在裂缝，而且还有其他地质现象，只有了解它们在成像 测井资料中的特征，才能更好的将它们与裂缝区分开来。常见的几种地质现象的成像如 图2 5 所示。 ( a ) 层界面垂直裂缝 ( c ) 高阻裂缝( d 瓶角度裂缝 ( e ) 不规则裂缝( o 诱导缝 孔洞 角砾充填 图2 5 常见的地质特征 ( 1 ) 层界面与裂缝。层界面常常是一组相互平行或接近平行的电阻率变化带，在 f m i 图像上呈现正弦波状，厚度稳定，且所有纹层的产状几乎完全一致，层与层之间的 岩性变化通过电阻率的变化而引起的雕i 的色度变化来反映。而裂缝总是与构造运动和 溶蚀相伴生，因而其所表现的高电导异常一般既不平行，也不规则。 ( 2 ) 断层。在f m i 图像上断层两盘之间有明显的位移来识别断层，这是最直接、 最可靠的标志。也根据上下地层产状( 包括倾角、倾向) 和岩性突变( 由颜色深浅或电 阻率、声波时差的变化) 来判断断层。当两个或两个以上的断层相临近时，它们之间的 地层会发生严重的破碎和变形而形成断层带，表现为层理严重变形，图像有模糊感。