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有機(jī)質(zhì)反射率的數(shù)字圖像實(shí)現(xiàn)方法

2017-08-07 10:15:49仰云峰申寶劍騰格爾徐二社
石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì) 2017年4期
關(guān)鍵詞:灰度級(jí)質(zhì)體數(shù)字圖像

仰云峰,申寶劍,騰格爾,徐二社

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇 無錫 214126)

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有機(jī)質(zhì)反射率的數(shù)字圖像實(shí)現(xiàn)方法

仰云峰,申寶劍,騰格爾,徐二社

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇 無錫 214126)

有機(jī)質(zhì)反射率參數(shù)是烴源巖評(píng)價(jià)和盆地?zé)嵫莼费芯康幕A(chǔ)數(shù)據(jù)。目前有機(jī)質(zhì)反射率的測(cè)量工作主要依靠人工手動(dòng)方法,人為主觀因素對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。從圖像傳感技術(shù)出發(fā),探尋鏡質(zhì)體反射率與灰度圖像之間的相互關(guān)系,嘗試建立利用鏡質(zhì)體灰度圖像表征反射率值的方法。分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地質(zhì)樣品開展了鏡質(zhì)體反射率和灰度級(jí)的對(duì)應(yīng)測(cè)量工作,發(fā)現(xiàn)兩者具有極好的重合特征,表明利用灰度級(jí)定量鏡質(zhì)體反射率的方法具有可行性。但對(duì)于高過成熟階段,兩者的關(guān)系尚有待深化研究。

數(shù)字圖像;灰度級(jí);鏡質(zhì)體反射率;烴源巖評(píng)價(jià)

沉積巖中大部分有機(jī)質(zhì)來源于植物,而這部分有機(jī)質(zhì)隨著地質(zhì)時(shí)間的飛逝,經(jīng)歷熱蝕變作用而生成石油和天然氣[1]。鏡質(zhì)體[2]是煤和大多數(shù)沉積有機(jī)質(zhì)中基本有機(jī)顯微組分之一,來源于成煤植物的細(xì)胞壁或木質(zhì)組織,在顯微鏡下通過它的形狀、形態(tài)、反射色和熒光顏色進(jìn)行鑒定。鏡質(zhì)體反射率是通過測(cè)量鏡質(zhì)體表面反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的百分比來確定的,在固定入射光強(qiáng)度的光學(xué)顯微鏡下,對(duì)比樣品中鏡質(zhì)體和已知反射率的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)之間的光電信號(hào)值來確定樣品的反射率值。1932年,霍夫曼和詹克訥首先用貝瑞克線性光度計(jì)對(duì)煤進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)體反射率與煤階有關(guān)[3]。由于鏡質(zhì)體反射率測(cè)定準(zhǔn)確快速、價(jià)格低廉又不具破壞性,后來就作為研究有機(jī)質(zhì)從干酪根到烴類轉(zhuǎn)化這一變質(zhì)作用的一個(gè)基礎(chǔ)工具,被認(rèn)為是石油勘探工業(yè)中確定熱成熟度的最強(qiáng)大的巖石學(xué)參數(shù)[4-7]。

但是,對(duì)于烴源巖而言,反射率測(cè)量面對(duì)的是巖石中的分散有機(jī)質(zhì)[8],多為碎屑狀,所以反射率測(cè)量首先要求測(cè)量人員具有很強(qiáng)的有機(jī)顯微組分識(shí)別能力。目前,沉積巖中鏡質(zhì)體反射率測(cè)量方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]只要求提供測(cè)量數(shù)據(jù),而未要求記錄測(cè)量數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)顯微形態(tài)的證據(jù)。在面對(duì)缺少鏡質(zhì)體的泥盆系以前地層或海相地層,以及高—過成熟階段的地層,加上全球油氣工業(yè)對(duì)非常規(guī)頁巖油氣資源的不斷深入勘探,形成這類巖石熱成熟度的測(cè)量規(guī)范顯得更加重要[10]。由于前期未記錄有機(jī)質(zhì)顯微形態(tài),對(duì)這類巖石熱成熟度測(cè)量結(jié)果的復(fù)查也時(shí)常發(fā)生。受人為因素影響,實(shí)驗(yàn)室之間的測(cè)量結(jié)果的可再現(xiàn)性是一個(gè)歷史難題,最終導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果被質(zhì)疑。

隨著有機(jī)質(zhì)成熟度的增加,反射光下有機(jī)質(zhì)的顏色由暗黑色逐漸過渡為灰白色。這種顏色變化特征可以指示熱成熟過程,如TAI[11],CAI[12]等?;赗GB的圖像測(cè)試技術(shù)[13]最先應(yīng)用于熱成熟度定量評(píng)價(jià),之后Helson等[14]將此技術(shù)應(yīng)用于確定CAI參數(shù),Yule等[15]應(yīng)用于量化孢粉顏色。事實(shí)上,在1986年金奎勵(lì)等[16]就開始了將圖像分析技術(shù)應(yīng)用于煤巖學(xué)的探索研究,試圖消除人為主觀經(jīng)驗(yàn)因素,取代手動(dòng)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,2006年出現(xiàn)了煤巖組分自動(dòng)識(shí)別的VB程序[17]。丁華等[18]借助巖石圖像分析軟件,對(duì)煤中有機(jī)顯微組分的灰度值和形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行了定量化的系統(tǒng)測(cè)試。但這些研究受當(dāng)時(shí)數(shù)字采樣技術(shù)的限制,實(shí)際測(cè)試精度未能達(dá)到廣泛應(yīng)用的要求。目前,單色數(shù)字圖像傳感技術(shù)已取得飛速發(fā)展,為此,筆者利用65 536個(gè)灰度級(jí)精度的數(shù)字采樣技術(shù),開展了有機(jī)質(zhì)熱成熟度的灰度級(jí)表征方法初步探索。

1 數(shù)字圖像原理

多數(shù)圖像是由“照射源”和形成圖像的“場(chǎng)景”元素對(duì)光能的反射或吸收而產(chǎn)生的。在顯微鏡系統(tǒng)中,鹵素?zé)艟褪恰罢丈洹痹矗刭|(zhì)樣品就是“場(chǎng)景”元素,顯微鏡就是一個(gè)成像系統(tǒng),將場(chǎng)景元素投影到裝載在顯微鏡上的攝像機(jī)圖像平面上,圖像軟件用于顯示和編輯數(shù)字化后的圖像(圖1)。顯微鏡系統(tǒng)中的圖像平面是以二維陣列形式排列的單獨(dú)的傳感器,稱為電荷藕合器件圖像傳感器(英文縮寫CCD)。經(jīng)單色CCD捕獲后產(chǎn)生的可編輯數(shù)字化的圖像叫做灰度圖像[19]。

對(duì)于有機(jī)質(zhì)反射率測(cè)定而言,每一個(gè)反射率的測(cè)點(diǎn)是其灰度圖像中全部包含有機(jī)質(zhì)的一小塊區(qū)域,每一小塊區(qū)域包含若干個(gè)像素,那么每一個(gè)測(cè)試區(qū)域可以定義為一個(gè)二維函數(shù)f(x,y),其中x和y是空間(平面)坐標(biāo),而在任何一對(duì)空間坐標(biāo)(x,y)處的幅值f稱為圖像在該點(diǎn)處的灰度,0

圖1 傳感器陣列獲取數(shù)字圖像過程Fig.1 Process of digital image acquisition

根據(jù)以上定義,那么灰度圖像在任何坐標(biāo)(x0,y0)處的灰度表示為g=f(x0,y0),g的取值范圍為iminrmin=Lmin≤g≤Lmax=imaxrmax,區(qū)間[Lmin,Lmax]稱為灰度級(jí)。實(shí)際情況下常常令該區(qū)間為[0,2n-1],其中g(shù)=0為黑色,g=2n-1為白色,n為數(shù)字采樣位數(shù),由CCD固有條件決定,n越大,灰度分辨率越大,灰度級(jí)越多,精度越高。

原則上,截取數(shù)字圖像中有機(jī)質(zhì)(鏡質(zhì)體、瀝青等)均勻分布的小塊區(qū)域,統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)所有像素的灰度值,根據(jù)有機(jī)質(zhì)灰度值與反射率相關(guān)關(guān)系,可求得該區(qū)域內(nèi)有機(jī)質(zhì)的反射率值。根據(jù)以上思路,筆者開展了相關(guān)探索工作,并在以下章節(jié)中詳細(xì)介紹。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品選擇

筆者分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地質(zhì)樣品進(jìn)行了顯微鏡下反射率實(shí)測(cè)和數(shù)字圖像灰度級(jí)計(jì)算工作。選取鏡質(zhì)體反射率測(cè)試最常用的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(表1),進(jìn)行反射率實(shí)測(cè)和灰度級(jí)計(jì)算。當(dāng)反射率值小于2.0%時(shí),可以得到較好的校正;但當(dāng)反射率值大于2.0%時(shí),由于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)缺乏,反射率的測(cè)定存在很大的不確定性,這一部分的反射率測(cè)定也是當(dāng)下非常規(guī)油氣資源勘探的重點(diǎn)。

地質(zhì)樣品選取準(zhǔn)噶爾盆地烏參1井深灰色泥巖樣品3個(gè)、煤巖樣品4個(gè),以及四川盆地涪陵地區(qū)涪頁4井泥巖樣品3個(gè)(表2)。在偏光顯微鏡下對(duì)地質(zhì)樣品的有機(jī)巖石學(xué)特征進(jìn)行觀察,有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主,泥巖樣品中鏡質(zhì)體包含殼質(zhì)體和惰質(zhì)體,均以碎屑狀分布為主;煤巖樣品中鏡質(zhì)體以結(jié)構(gòu)均質(zhì)鏡質(zhì)體或基質(zhì)鏡質(zhì)體為主,包含惰質(zhì)體和殼質(zhì)體,多數(shù)結(jié)構(gòu)清晰(圖2)。

表1 反射率測(cè)定所涉及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

表2 本文選取的地質(zhì)樣品信息

圖2 地質(zhì)樣品顯微照片F(xiàn)ig.2 Microscopic images of geological samples

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

“雙課堂”是指在線網(wǎng)絡(luò)課堂和面授課堂。在線課堂以知識(shí)樹形式展開,具備清晰的學(xué)習(xí)脈絡(luò),全面的知識(shí)節(jié)點(diǎn)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)。學(xué)生可以很方便地自主學(xué)習(xí),不受時(shí)間、空間的影響,還可以安排經(jīng)典的題目進(jìn)行小組討論,如:子類父類的選取,動(dòng)態(tài)數(shù)組的使用等等。面授課堂中教師對(duì)整班同學(xué)進(jìn)行集中輔導(dǎo),梳理教材知識(shí)點(diǎn),并對(duì)于重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示講解,制定下一次課的預(yù)習(xí)計(jì)劃,并對(duì)上一次課的復(fù)習(xí)情況進(jìn)行集中點(diǎn)評(píng),幫助學(xué)生突破線上課程學(xué)習(xí)中遇到的難點(diǎn)。

鏡質(zhì)體反射率是在徠卡DM4500P偏光顯微鏡

和MSP200顯微分光光度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)下按“沉積巖中鏡質(zhì)體反射率測(cè)定方法:SY/T 5124—2012”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。同時(shí),在偏光顯微鏡上安裝了16比特采樣位數(shù)的徠卡DFC365 FX單色攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集。在固定光源照射總量的前提下,同時(shí)獲得了鏡質(zhì)體的反射率值和灰度數(shù)字圖像,數(shù)字圖像的灰度處理采用LabView程序?qū)崿F(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度級(jí)關(guān)系

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)測(cè)反射率與灰度級(jí)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),隨著反射率的增加,灰度級(jí)也逐漸增大,兩者具有很好的線性相關(guān)性。藍(lán)寶石、釔鋁石榴石、釓鎵石榴石和立方氧化鋯4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的反射率與灰度級(jí)擬合曲線方程為Ro=0.041G-1.254,相關(guān)系數(shù)為0.992(圖3a)。藍(lán)寶石、釔鋁石榴石和釓鎵石榴石3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值擬合曲線方程為Ro=0.033G-0.806,相關(guān)系數(shù)為0.995(圖3b)。雖然高—過成熟度階段,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值之間的相關(guān)性較差,但總體相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98以上,充分說明兩者的相關(guān)性是可靠的。就標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)而言,灰度值是可以用于表征其反射率值的。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率值與灰度值相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between reflectance values and grey levels of standard materials

3.2 地質(zhì)樣品鏡質(zhì)體反射率與灰度級(jí)關(guān)系

丁華等[18]對(duì)煤中有機(jī)顯微組分自動(dòng)識(shí)別的研究發(fā)現(xiàn),不同煤中鏡質(zhì)組組分灰度級(jí)范圍中的上限和下限均隨變質(zhì)程度的增高而增大;同時(shí),在低煤階煤中鏡質(zhì)組的灰度級(jí)變化范圍較寬,中煤階煤中鏡質(zhì)組灰度級(jí)變化范圍平穩(wěn),高煤階煤中由于受到各向異性的影響,灰度級(jí)范圍也隨之增大。

總體來講,鏡質(zhì)組隨變質(zhì)程度的提高,灰度級(jí)呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì),但在不同的階段,灰度級(jí)的變化范圍是不一樣的,兩者不具有線性相關(guān)關(guān)系(圖4)。測(cè)定每個(gè)煤階的鏡質(zhì)體最大灰度值和最小灰度值進(jìn)行作圖分析的方法,對(duì)研究鏡質(zhì)組在不同熱演化程度下的各向異性具有意義,而對(duì)表征鏡質(zhì)體反射率與灰度級(jí)之間的關(guān)系顯然不合理。圖4灰度級(jí)測(cè)定存在的較大誤差,極大可能是由于CCD精度不夠,所以筆者使用16比特采樣位數(shù)的CCD,灰度級(jí)達(dá)到65 536個(gè),而常用的8比特采樣位數(shù)CCD只有256個(gè)灰度級(jí)。但是,圖4所反映的趨勢(shì)可以看出,當(dāng)Ro<2.0%時(shí),鏡質(zhì)組組分灰度級(jí)的變化范圍較窄,即灰度級(jí)相對(duì)集中,那么在精確測(cè)定有機(jī)質(zhì)灰度級(jí)的基礎(chǔ)上,在灰度級(jí)直方圖上優(yōu)選出合理數(shù)據(jù),通過反射率與灰度級(jí)的轉(zhuǎn)換公式可以求出對(duì)應(yīng)的反射率。當(dāng)Ro>2.0%時(shí),隨著有機(jī)質(zhì)各向異性的增強(qiáng),灰度級(jí)分布范圍也不斷擴(kuò)大,如果能夠確定反射率與灰度級(jí)分布范圍之間的關(guān)系,那么通過測(cè)定灰度級(jí)分布范圍不僅可以確定反射率,還可以定量表示有機(jī)質(zhì)的各向異性程度。

筆者在以上啟發(fā)之下,首先對(duì)反射率小于2.0%的地質(zhì)樣品反射率與灰度級(jí)之間的關(guān)系開展了相關(guān)研究。有機(jī)質(zhì)灰度值計(jì)算采用微小測(cè)區(qū)代表測(cè)點(diǎn)的方法,這與常規(guī)鏡質(zhì)體反射率測(cè)試中的測(cè)點(diǎn)概念是一致的。微小測(cè)區(qū)根據(jù)有機(jī)質(zhì)的特征調(diào)節(jié),所以能最大程度地代表一個(gè)有機(jī)質(zhì)顆粒的全部反射率信息,可以是任意大小的正方形或矩形,也可以是單個(gè)像素點(diǎn)。對(duì)徠卡DFC365 FX攝像機(jī)而言,單個(gè)像素點(diǎn)的大小為0.156 μm。通常情況下,一個(gè)微小測(cè)區(qū)包含幾百至幾千個(gè)像素點(diǎn),每一個(gè)像素有一個(gè)灰度級(jí),用所有像素點(diǎn)的平均值來代表一個(gè)微小測(cè)區(qū)的灰度級(jí),這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是削弱了單個(gè)像素不均勻性產(chǎn)生的誤差,更具有代表性。

圖4 鏡質(zhì)組組分的灰度值變化范圍[18]Fig.4 Variation of grey levels of vitrinites

從表2中不同熱演化程度的地質(zhì)樣品鏡質(zhì)體反射率測(cè)定結(jié)果來看,10個(gè)樣品142個(gè)測(cè)點(diǎn)的鏡質(zhì)體反射率分布在0.57%~1.58%。圖5展示了實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率值與灰度級(jí)之間的相互關(guān)系,隨著實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率的增大,灰度級(jí)逐漸增大,兩者具有較好的線性相關(guān)關(guān)系,直線擬合方程為Ro=0.034G-0.88,相關(guān)系數(shù)為0.97。對(duì)于實(shí)際地質(zhì)樣品而言,采用灰度級(jí)參數(shù)表示反射率也是可行的。

3.3 結(jié)果討論

從以上分析得出,在Ro<2.0%區(qū)域,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度級(jí)具有很好的線性相關(guān)性,擬合線性方程為Ro=0.033G-0.806,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.995。地質(zhì)樣品實(shí)測(cè)反射率與灰度級(jí)也具有較好的線性相關(guān)性,擬合線性方程為Ro=0.034G-0.88,相關(guān)系數(shù)為0.97。兩條擬合直線基本重合(圖6),說明當(dāng)Ro<2.0%時(shí),只要測(cè)定樣品中有機(jī)質(zhì)的灰度級(jí)就可以通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度級(jí)相關(guān)關(guān)系,求取該點(diǎn)的反射率,該種方法將對(duì)反射率的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)具有深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)Ro>2.0%時(shí),由于有機(jī)質(zhì)自身的各向異性增強(qiáng),不均一性更加明顯(圖4),尤其是固體瀝青在同一視域下會(huì)顯示不同的反射色,有機(jī)質(zhì)灰度值對(duì)反射率值的代表性有待進(jìn)一步研究,過成熟階段的有機(jī)質(zhì)灰度值分布范圍可能會(huì)成為定量表征有機(jī)質(zhì)各向異性和反射率的重要參數(shù)。

圖5 烴源巖樣品實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率與灰度值關(guān)系Fig.5 Relationship between vitrinite reflectance values and grey levels of geological samples

圖6 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地質(zhì)樣品反射率與灰度值關(guān)系Fig.6 Reflectance values and grey levels between standard materials and geological samples

4 結(jié)論

(1)一個(gè)有機(jī)質(zhì)區(qū)域可以看作由若干個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成的數(shù)字圖像,每個(gè)像素有一個(gè)灰度值,灰度值的大小取決于數(shù)字采樣位數(shù),采樣位數(shù)越大,灰度值越多,精度越高。

(2)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值之間具有極好的線性相關(guān)性。通過地質(zhì)樣品的鏡質(zhì)體反射率和灰度值分析,發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率的增大,灰度值逐漸增大,兩者亦具有很好的線性相關(guān)性。

(3)Ro<2.0%時(shí),標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值的線性關(guān)系和地質(zhì)樣品鏡質(zhì)體反射率與灰度值的線性關(guān)系基本重合,說明利用鏡質(zhì)體的灰度值確定反射率值的方法切實(shí)可行。

(4)Ro>2.0%時(shí),由于有機(jī)質(zhì)自身的各向異性增強(qiáng),灰度值分布范圍也不斷擴(kuò)大,兩者的定量關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究。

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(編輯 韓 彧)

Determination of reflectance of organic matter by digital image processing

Yang Yunfeng, Shen Baojian, Tenger, Xu Ershe

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

The reflectance of organic matter is a basic parameter for source rock assessment and thermal evolution history study in a basin. At present, the main technique for reflectance measurement is manual despite heavy operator influence on the results. This paper discussed the relationship between vitrinite reflectance and grey level determination by digital image processing, and tried to determine the vitrinite reflectance by grey level. Simultaneous measurements of vitrinite reflectance values and grey levels were implemented on standard materials and geological samples. The trends of vitrinite reflectance values and grey levels coincide with each other, which demonstrate that it is feasible to quantify the vitrinite reflectance using grey level. For high-over maturity, however, more research is needed.

digital image; grey level; vitrinite reflectance; source rock evaluation

1001-6112(2017)04-0562-05

10.11781/sysydz201704562

2016-10-16;

2017-05-09。

仰云峰(1982—),男,工程師,從事生烴母質(zhì)與有機(jī)質(zhì)熱演化程度評(píng)價(jià)、頁巖微觀孔隙與滲透性及氣體在頁巖中流動(dòng)機(jī)理研究。E-mail:yangyf.syky@sinopec.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“重點(diǎn)層系頁巖氣生成與儲(chǔ)集機(jī)理研究”下屬專題“泥頁巖成烴生物與烴源品質(zhì)研究”(2017ZX05036002-003)資助。

TE135

A

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