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

China's unconventional oil and gas exploration and development is in its infancy. The researches on the microstructure of non-homogeneous, dense, low permeability, low porosity rocks have become the key points in the field of oil and gas development. This project solves the contradiction between the resolution of three-dimensional sample images and sample scale by using image processing technology to analyze microscopic 3D structure of the rock. The project constructs the 3D model of the rock based on the series rock images from high magnification imaging equipment such as CT and SEM. On the other hand, the project constructs the 3D model of the rock by some limited rock microscopic images. The project gets a better construction result by combining these two 3D model results and taking their advantages. The project provides with a way to quantification and visualization of microscopic percolation mechanisms. The innovations are: 1. Studying the structure character of the non-homogeneous rock, proposing a 3D reconstruction algorithm based on non-homogeneous and multiple phase, researching the mathematical expressions of 3D structures; 2. Studying the super-resolution 3D reconstruction, improving the resolution of the large scale CT image; 3. Studying the fusion method of multi-resolution 3D images, studying the 3D image restoration based on some local rock samples and researching the pore structure and percolation characteristics. This subject is an interdisciplinary research of 3D image super resolution, 3D reconstruction technology and analysis of percolation.

我国非常规油气的勘探开发处于起步阶段，对于非均质、致密性、低渗低孔隙度岩石微观结构的研究成为当前的热点和难点。本课题拟运用图像处理技术分析岩石微观三维结构，通过CT、扫描电镜直接成像并进行三维重建，针对非均质三维模型，研究基于二维图像的数学建模算法，结合直接成像与数学建模的优势解决岩样三维图像分辨率与样本尺度的矛盾。为研究页岩等致密型岩石的微观渗流机理提供定量化和可视化的手段。本项目主要创新点：1、研究非均质岩样的结构特征，提出非均质和多相岩样的三维建模算法，研究三维结构的数学表达方法；2、研究岩石CT图像的三维超分辨率重建算法，提升大尺度岩样CT图像的分辨率；3、研究多分辨率三维图像融合方法，以及基于三维图像的多块局部岩样三维结构修复和整合算法。在三维图像基础上深入开展孔隙结构分布及渗流特性的研究。 本课题涉及三维超分辨率重建、三维建模、图像融合、渗流分析等理论和技术，属交叉学科研究。

数字岩心是信息学科和石油地质学科的交叉研究方向，目前仍然是国际国内的研究热点。本项目针对数字岩心中的一些难点开展了深入研究。通过4年工作，完成了计划的全部内容并有新的扩展。.本项目开展的研究内容和取得的主要成果：.（1）研究了二维图像的形态完备性定量评价，提出一种分析二维图像形态完备性的计算方法，能够作为训练图像的选择依据。.（2）基于二维图像的三维重建研究。研究了稳相分级模拟退火算法，保证重建质量同时速度有较大提升；研究了三步采样算法，控制层间的连续性和变化性并结合统计特性约束，能较好地在三个方向上复现训练图像的特征；研究了基于模式密度函数的建模算法，保持统计特性的同时三维形态的逼近度更好；从图像纹理角度出发，研究了基于共生相关函数的建模算法，在统计特性上有提升。以上述重建算法为基点，提出了半模板三维重建算法，利用相互正交的二维图像，解决各向异性岩心结构的三维重建；提出了基于训练图像形态完备性评测的非均质岩心三维重建算法，通过训练图像形态完备性来选择特定重建方式，最终的重建结果与真实结构较为符合。研究了多岩相岩心的三维重建算法，较好地复现了孔隙及岩石颗粒在三维空间的形态特征。.（3）研究了基于稀疏表示和基于A+的三维超分辨率算法，有效提升了岩心CT图像的分辨率；研究了基于样例的和基于重建的三维图像修复算法，实现了小样本三维图像的拼接修复；研究了多分辨率三维图像的融合算法。这些方法在一定程度上为解决CT图像分辨率与样本尺度的矛盾提供了思路。.（4）研究了基于闵可夫斯基函数、球面调和函数以及形状分布的三维图像描述刻画方法，能够对三维结构进行定量地评价。.（5）在三维重建基础上，进一步开展了三维岩心结构分析、渗流实验模拟等工作，为岩心微观结构特性及渗流特性研究提供了有效手段。.通过以上研究工作，在数字岩心领域取得了基础理论研究成果，同时与石油地质研究部门合作，在实际应用方面也有较好的成果。