基于幾何形狀特征的剩余油形態(tài)識(shí)別

陳 浩，滕奇志，何小海，張余強(qiáng)

(1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院 圖像信息研究所，四川 成都 610064；2. 成都西圖科技有限公司，四川 成都 610064)

基于幾何形狀特征的剩余油形態(tài)識(shí)別

陳 浩1，滕奇志1，何小海1，張余強(qiáng)2

(1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院 圖像信息研究所，四川 成都 610064；2. 成都西圖科技有限公司，四川 成都 610064)

在油田開發(fā)后期，剩余油形態(tài)分呈復(fù)雜趨勢(shì)。對(duì)于巖石孔隙結(jié)構(gòu)中的剩余油形態(tài)分布情況的研究，是石油勘探開發(fā)領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。在實(shí)驗(yàn)室中，微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)是石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中研究剩余油的重要模擬方法。要想了解剩余油形態(tài)的分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)和識(shí)別剩余油形態(tài)的類型是先決條件。人工識(shí)別統(tǒng)計(jì)剩余油形態(tài)類型是一項(xiàng)繁重耗時(shí)的工作，為了提高研究人員的工作效率，在深入研究剩余油形態(tài)幾何形狀特征的基礎(chǔ)上，利用圖像處理技術(shù)和分類識(shí)別算法對(duì)剩余油形態(tài)類型進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，具有重要的意義。

剩余油；形狀特征；分類識(shí)別

0 引言

石油作為經(jīng)濟(jì)增速的主要?jiǎng)恿Γ呀?jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的因素。我國(guó)油田大部分采用注水開發(fā)方式，而注水開發(fā)油田經(jīng)過一次、二次采油[1]后，僅能采出地下總儲(chǔ)量的30%～40%，這就意味著殘留在地下的石油仍有大部分可以開采。對(duì)于這些殘留在地下的石油儲(chǔ)量仍有很大的開采價(jià)值，因此加強(qiáng)對(duì)剩余油[2]分布的研究可以為提高石油采收率提供有效的理論依據(jù)。

圖1 微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)過程

微觀物理驅(qū)替實(shí)驗(yàn)[3-5]是石油地質(zhì)人員在實(shí)驗(yàn)室模擬地層中水驅(qū)油情形的一項(xiàng)重要的仿真實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示。通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)驅(qū)替階段某一時(shí)刻模型中剩余油形態(tài)分布的研究，來模擬剩余油在地層中的分布，由此進(jìn)一步研究不同驅(qū)替劑對(duì)不同類型的剩余油的驅(qū)油效率和機(jī)理，可以為油田合理高效地開采殘留在地下的剩余石油提供理論支撐。

1 微觀剩余油的分類

目前石油行業(yè)對(duì)于剩余油形態(tài)的分類還處在摸索階段，并沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)，已有的分類方法將剩余油的形態(tài)主要分為簇狀、盲狀、孤島狀和膜狀[6-7]，將剩余油的類型分為簇狀、盲端狀、角隅狀[8]。雖然命名方式有所不同，但都是從剩余油的幾何形狀特征出發(fā)制定分類標(biāo)準(zhǔn)。本文從剩余油所占據(jù)的孔隙喉道的數(shù)量出發(fā)將剩余油形態(tài)分為：?jiǎn)慰仔汀⒂湍ば汀⒍嗫仔汀⑦B片型，如圖2所示。

圖2 剩余油形態(tài)類別

單孔型剩余油一般呈孤立存在，所占的孔隙數(shù)目較少(一般為1～2個(gè))，孤立存在于孔隙或喉道中，其形狀大多數(shù)接近圓形；油膜型剩余油是由于巖石親油性而導(dǎo)致剩余油附著在巖石顆粒上，驅(qū)替液的流體力難以將此類剩余油從巖石顆粒的邊緣上沖刷下來；多孔型剩余油占據(jù)的孔隙數(shù)目較多(一般在3～5個(gè)左右)，是因?yàn)檫B通孔隙的喉道太小導(dǎo)致驅(qū)替液的壓力不足以將殘存的油從孔隙中驅(qū)出；連片型剩余油是指剩余油呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，有明顯的向四周延伸的趨勢(shì)，且占據(jù)的孔隙數(shù)目最多。

2 剩余油幾何形狀特征的選取

從圖2可以看出，剩余油形態(tài)特征主要體現(xiàn)在其幾何形狀特征上，在對(duì)剩余油圖像進(jìn)行預(yù)處理之后，剩余油形態(tài)分類的結(jié)果準(zhǔn)確與否關(guān)鍵就在于形狀特征的選取。常用的幾何形狀特征參數(shù)有周長(zhǎng)、面積、長(zhǎng)寬比、偏心率、矩形度、形狀因子、最小外接矩形等。通過對(duì)各種類型的剩余油的特點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，單孔型剩余油具有較大的形狀因子，一般趨近于1；油膜型剩余油的形狀因子很小，可以看出其“厚度”較薄，長(zhǎng)寬比較大，偏心率較大；多孔型剩余油形狀因子較小且聯(lián)通的孔隙數(shù)目大約為3～6個(gè)；連片型剩余油呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，其形狀因子很小，延伸趨勢(shì)明顯聯(lián)通的孔隙數(shù)目在6個(gè)以上。因此選擇偏心率、形狀因子、長(zhǎng)寬比這些特征參數(shù)進(jìn)行區(qū)分。除此之外，引入剩余油聯(lián)通孔隙系數(shù)作為第四個(gè)特征量。

(1)偏心率

偏心率可以用來表示區(qū)域的緊湊性。其計(jì)算過程如下：在目標(biāo)區(qū)域的邊界上選取一點(diǎn)p1(m1,n1)作為起點(diǎn)與邊界上后面的點(diǎn)做距離計(jì)算：

(1)

將計(jì)算得到的值與之前的距離做比較保存其中較大的，并記錄兩點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后再依次計(jì)算d(2,k)(k=3,4,…,N)，d(3,k)(k=4,5…,N),…,d(N-1,k)(k=N)，通過比較最后得到距離最大的兩點(diǎn)PN1(mN1,nN1)與PN2(mN2,nN2)，因此得到長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度A。然后計(jì)算平均向量(x0,y0)和j+k階矩陣Mjk。

(2)

(3)

綜上可以得到偏心率E的計(jì)算公式：

(4)

(2)形狀因子

形狀因子用來度量目標(biāo)區(qū)域與圓的近似程度，用C表示，其計(jì)算公式為：

(5)

式(5)中，P表示周長(zhǎng)，A表示面積。當(dāng)形狀因子的值越接近于1，說明與圓的近似程度越高；反之，說明目標(biāo)區(qū)域與圓的近似程度越低，其形狀越復(fù)雜。

(3)長(zhǎng)寬比

長(zhǎng)寬比是指目標(biāo)區(qū)域的最小外接矩形(MER)的長(zhǎng)軸與短軸之比。最小外接矩形的計(jì)算方法是：在90°范圍內(nèi)以一定的角度旋轉(zhuǎn)目標(biāo)區(qū)域，每旋轉(zhuǎn)一定的角度都可以得到物體在直角坐標(biāo)平面中的外接矩形，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度時(shí)，外接矩形的面積最小，此時(shí)的外接矩形就是目標(biāo)區(qū)域的最小外接矩形，該矩形的長(zhǎng)度和寬度的比值就是目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)寬比。

(4)剩余油聯(lián)通孔隙系數(shù)

將充滿著剩余油的相互聯(lián)通孔喉的數(shù)量定義為剩余油聯(lián)通孔隙系數(shù)Ln，該參數(shù)可以準(zhǔn)確表征統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)剩余油占據(jù)的孔隙喉道的數(shù)量。

3 剩余油形態(tài)分類識(shí)別及分析

在上一節(jié)中已經(jīng)討論了剩余油的幾何形狀特征參數(shù)，接下來將對(duì)各種類型的特征參數(shù)進(jìn)行定量分析，以尋求適當(dāng)?shù)姆诸愃惴ā１?為各種類型剩余油樣本集的幾何形狀特征參數(shù)的取值范圍。

表1 剩余油樣本集特征參數(shù)

為便于分析，本文算法對(duì)形態(tài)類型進(jìn)行編號(hào)，單孔型剩余油為1，油膜型剩余油為2，多孔型剩余油為3，連片型剩余油為4。由表1中的剩余油樣本數(shù)據(jù)可以看出，單孔型剩余油的形狀因子較大，而其他三種剩余油的形狀因子較小。因此，設(shè)形狀因子的閾值為TC，則有單孔型剩余油的判斷準(zhǔn)則S1，如式(6)所示：

(6)

其中，C為不同類型剩余油的形狀因子，閾值TC的計(jì)算公式如式(7)：

(7)

式(7)中，min(C[m,n])表示m，n類樣本集中樣本形狀因子的最小值，max(C[m,n])表示m，n類樣本集中樣本形狀因子的最大值。

通過準(zhǔn)則可以確定剩余油是否為單孔型，如果不是則需要繼續(xù)判斷剩余油的類型。從表1中可以看出，油膜型剩余油的偏心率和長(zhǎng)寬比大于多孔型和連片型剩余油，因此根據(jù)這兩個(gè)特征參數(shù)可以得到油膜型剩余油的分類準(zhǔn)則S2，如式(8)所示。設(shè)偏心率和長(zhǎng)寬比的閾值分別為TE、TAR，則有：

(8)

式(8)中，E和AR分別為不同類型剩余油的偏心率和長(zhǎng)寬比，閾值TE、TAR計(jì)算如下：

(9)

(10)

式(9)中,min(E[m,n])、max(E[m,n])分別表示m、n類樣本集中樣本偏心率的最小值和最大值；式(10)中，min(AR[m,n])、max(AR[m,n])分別表示m、n類樣本集中樣本長(zhǎng)寬比的最小值和最大值。

通過準(zhǔn)則S1和S2可以判斷出剩余油是否為單孔型或油膜型，若剩余油不屬于這兩種類型，則仍需要對(duì)其進(jìn)行判定分類，從而確定其類型是多孔型還是連片型。從表1中可知連片型剩余油的聯(lián)通孔隙系數(shù)明顯大于多孔型剩余油，這也正是兩者的區(qū)別。為此，設(shè)分類閾值為TL，則有準(zhǔn)則S3，如式(11)所示。

(11)

同理：

(12)

式(12)中，L表示不同類型剩余油的聯(lián)通孔隙系數(shù)，min(L[m])、max(L[m])分別表示m類樣本集中樣本聯(lián)通孔隙系數(shù)的最小值和最大值。綜上可知，從決策樹分類識(shí)別算法[9-10]的角度出發(fā)可以將上述分類算法表示為一棵多叉判決樹的形式，如圖3所示。

圖3 剩余油形態(tài)識(shí)別的多叉判決樹

本文的剩余油分類識(shí)別算法是根據(jù)能明顯區(qū)分出不同剩余油類型的幾何特征參數(shù)，如形狀因子、長(zhǎng)寬比、偏心率以及剩余油聯(lián)通孔隙系數(shù)來對(duì)剩余油進(jìn)行分類處理，是一種多類型多分類準(zhǔn)則[11]的識(shí)別算法。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 剩余油形態(tài)靜態(tài)分類結(jié)果分析

由作者和石油地質(zhì)研究人員共同選出140個(gè)剩余油樣本，其中包含所有類型的剩余油，且基本平均分布。每類選取10個(gè)，總共40個(gè)樣本作為訓(xùn)練集，用于分類準(zhǔn)則閾值參數(shù)的調(diào)整，最后將剩余的100個(gè)樣本作為測(cè)試集，進(jìn)行分類識(shí)別，并驗(yàn)證識(shí)別準(zhǔn)確度。首先對(duì)訓(xùn)練集中的目標(biāo)進(jìn)行特征參數(shù)計(jì)算，再利用上述的剩余油形態(tài)分類識(shí)別算法以及計(jì)算得到的特征參數(shù)進(jìn)行分類，最后利用得到的分類準(zhǔn)則對(duì)100個(gè)剩余油樣本進(jìn)行分類識(shí)別，其識(shí)別結(jié)果如表2所示。

表2 剩余油樣本測(cè)試集識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中樣本的識(shí)別效果圖和原圖分別如圖4、圖5所示，圖中不同的顏色代表的形狀說明如圖6所示。

圖4 剩余油識(shí)別效果圖

圖5 剩余油原圖

圖6 分類形狀說明

實(shí)驗(yàn)表明本文的識(shí)別算法能夠正確識(shí)別大多數(shù)的剩余油形態(tài)，具有較好的準(zhǔn)確率。但從表2可以看出，仍然有部分剩余油的識(shí)別率會(huì)出現(xiàn)誤判，如膜狀剩余油以及對(duì)一些處在多孔型和連片型二者之間的剩余油的分類識(shí)別也可能會(huì)出錯(cuò)。

4.2 剩余油形態(tài)類別動(dòng)態(tài)變化分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以序列圖像的形式記錄了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中仿真模型內(nèi)原油和驅(qū)替液的變化過程。為了知道不同的驅(qū)替劑對(duì)各種形態(tài)剩余油的作用效果，就需要從剩余油形態(tài)動(dòng)態(tài)變化的角度去分析。在驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后期殘存的剩余油即使發(fā)生變化，相鄰兩幅圖之間其變化也不大，若時(shí)間間隔太小可能觀察不出剩余油形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。如圖7、圖8所示是T時(shí)刻與T+1時(shí)刻的剩余油形態(tài)分類結(jié)果圖，其時(shí)間間隔為67 min,從圖中可以看出兩幅圖之間的剩余油形態(tài)有明顯的變化。

圖7 T時(shí)刻的剩余油形態(tài)分類結(jié)果圖

圖8 T+1時(shí)刻的剩余油形態(tài)分類結(jié)果圖

為了能對(duì)比出剩余油的形態(tài)變化，得到T時(shí)刻剩余油的邊緣并將邊緣畫在T+1時(shí)刻的圖上，如圖9所示。圖9中白色實(shí)線的邊緣代表連片型，黑色實(shí)線的邊緣代表單孔型，黑色虛線的邊緣代表油膜型，白色虛線的邊緣代表多孔型。最后將T+1時(shí)刻的分類結(jié)果疊加在含邊緣的T時(shí)刻的圖上，如圖10所示。

圖9 T時(shí)刻分類邊緣圖與T+1時(shí)刻疊加圖

圖10 分類結(jié)果對(duì)比圖

因?yàn)門+1時(shí)刻的圖像上的邊緣圖即為T時(shí)刻的剩余油分類結(jié)果，通過將T+1時(shí)刻的分類結(jié)果在圖像上疊加切換可以對(duì)剩余油形態(tài)的變化進(jìn)行對(duì)比分析。從圖中可知隨著驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，分散的單孔型剩余油有細(xì)微的位置變化；油膜型附著在邊壁上，幾乎沒有變化；多孔型和連片型剩余油相對(duì)來說發(fā)生了比較大的變化，連片型剩余油可能分裂成多孔型或者分裂成兩個(gè)較小的連片型；而一部分多孔型可能由于受到連片型的分裂影響，重新聚集成形狀不同的多孔型剩余油；另一部分的多孔型沒有發(fā)生太大的變化。

5 結(jié)論

相同類型的剩余油形態(tài)并不唯一，本文通過對(duì)不同剩余油形態(tài)進(jìn)行分析，選取了幾種比較能反映剩余油形態(tài)的幾何形狀特征參數(shù)，如形狀因子、長(zhǎng)寬比、偏心率等參數(shù)，利用這些特征參數(shù)和多叉判決樹的識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)了剩余油形態(tài)的自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)本文還對(duì)剩余油形態(tài)類型的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該剩余油形態(tài)分類識(shí)別系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度。對(duì)剩余油形態(tài)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的分析為提高采收率提供了理論依據(jù)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳淦.發(fā)展三次采油的戰(zhàn)略意義及政策要求[J].油氣采收率技術(shù)，1997，4(4)：1-6.

[2] 俞啟泰.關(guān)于剩余油研究的探討[J].石油勘探與開發(fā),1997,24(2):46-50.

[3] Pei Haihua,Zhang Guicai,Ge Jijiang,et al.Comparative effectiveness of alkaline flooding and alkaline-surfactant flooding for improved heavy-oil recovery [J].Energy Fuels,2012,26 (5):2911-2919.

[4] Lu Teng,Li Zhaomin,Li Songyan,et al.Performances of different recovery methods for orinoco belt heavy oil after solution gas drive[J].Energy Fuels,2013,27(6):3499-3507.

[5] 張東,李愛芬,姚軍,等.洞-縫-洞介質(zhì)中水驅(qū)油注采規(guī)律研究[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(4):86-91.

[6] 張偉.聚驅(qū)后剩余油分布及影響因素分析[D].大慶:大慶石油學(xué)院,2010.

[7] 李陽.儲(chǔ)層流動(dòng)單元模式及剩余油分布規(guī)律[J].石油學(xué)報(bào)，2003，5(3)：52-55.

[8] 宋考平，楊釗，舒志華,等.聚合物驅(qū)剩余油微觀分布的影響因素[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，28(2):25-27.

[9] 馮少榮.決策樹算法的研究與改進(jìn)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，64(4)：496-500.

[10] Chen Huanhuan, Wang Qiang, Shen Yi.Decision tree support vector machine based on genetic algorithm for multi-class classification-decision tree support vector machine based on genetic algorithm formulti-class classification [J].Journal of Systems Engineering and Electronics, 2011, 22(2):322-326.

[11] 翟嘉，胡毅慶，成小偉.基于三分類支持向量機(jī)的多分類算法的研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，36(5):520-525.

Shape recognition of residual oil based on geometry feature

Chen Hao1, Teng Qizhi1, He Xiaohai1, Zhang Yuqiang2

(1. Research Institute of Image Information, School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University,Chengdu 610064, China; 2. Chengdu Xitu Technology Company Limited, Chengdu 610064, China)

In the latter part of oilfield development, the distributions of the remaining oil become more and more complicated. The research on the distribution of remaining oil in the rock pore structure is an important subject in the field of petroleum exploration and exploitation. In the laboratory, microscopic displacement experiment is an important simulation method for the study of remaining oil in petroleum geology experiment. The content of residual oil morphology research is to identify and count the types. However, it is a heavy and time consuming work to identify the residual oil by manual recognition. On the basis of deeply discussed the geometry characteristics of residual oil, and then utilizing image processing technology and recognition algorithm to obtain the residual oil types. It is of great significance to improve efficiency of the researchers.

residual oil; geometry feature; classification and recognition

TP391.4；TE327

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.006

陳浩，滕奇志，何小海，等. 基于幾何形狀特征的剩余油形態(tài)識(shí)別[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(1)：18-21,28.

2016-09-01)

陳浩(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理與數(shù)字通信。

滕奇志(1962-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：圖像處理與模式識(shí)別。

何小海(1964-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：圖像處理與網(wǎng)絡(luò)通信。