專利名稱：圖像數(shù)據(jù)處理的制作方法
圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域
所描述的方法和系統(tǒng)涉及成像技術(shù)，更特別地，涉及處理圖像數(shù)據(jù)以獲得對圖像 數(shù)據(jù)所取自的物理樣本的屬性的了解。
背景技術(shù)：
在地質(zhì)學(xué)中針對巖心材料的圖像分析主要是沉積學(xué)和巖石學(xué)學(xué)科。來自光學(xué)和掃 描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)的二維QD)圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用于估測孔隙度、孔隙尺寸、顆粒尺 寸、流動單位、滲透性、速度和壓縮性。傳統(tǒng)的巖石學(xué)技術(shù)能夠鑒定礦物相信息和礦物相的 來源(例如，由巖屑形成的或自生的)?？梢蕴綔y小至納米的長度規(guī)格。
另一方面，能夠產(chǎn)生微米規(guī)格的孔隙結(jié)構(gòu)的詳細三維(3D)圖像的X射線微型計算 機斷層掃描(CT)近來已經(jīng)被公認為是對適當建立的2D顯微技術(shù)的有用補充。高質(zhì)量的“即 用型(turn-key)”斷層掃描系統(tǒng)的可用性近來已推動了這些系統(tǒng)的應(yīng)用的迅速增長。這些 系統(tǒng)能夠在三維上獲得多孔材料的孔隙/顆粒規(guī)格信息。不幸的是，傳統(tǒng)的顯微CT成像給 出的是低礦物分辨率并且受限位大約1微米的空間分辨率。
近來對表征和測量巖心材料的孔隙/顆粒/粘土規(guī)格方面的屬性的關(guān)注度增加； 了解此規(guī)格的屬性對于油和氣工業(yè)中的應(yīng)用至關(guān)重要。對巖心樣本的分析用于產(chǎn)生關(guān)鍵的 巖石學(xué)和多相流動屬性。這些屬性對于減少石油公司在尋找、生產(chǎn)和操作油田和氣田時所 面對的高經(jīng)濟風(fēng)險至關(guān)重要。相比于使新油田投入生產(chǎn)的成本或擴展現(xiàn)有油田的使用壽命 的潛在利潤，對它們本身進行分析的成本是低的。巖心分析保留了用于估測儲量和預(yù)測采 油率的工業(yè)標準數(shù)據(jù)。盡管事實是巖心分析可能經(jīng)常提供矛盾的數(shù)據(jù)以及難以解釋和重現(xiàn) 的數(shù)據(jù)。這樣的困難至少部分由于復(fù)雜的界面現(xiàn)象，其需要在基礎(chǔ)層面解決以便更好的了 解多相流動屬性。
在巖心實驗室內(nèi)用傳統(tǒng)的多相流動實驗獲得的測量值用于研究巖石的孔隙規(guī)格 結(jié)構(gòu)以及流體/流體的界面屬性和流體/巖石的相互作用。用來對應(yīng)用于多相流動的孔隙 級遷移進行建模的規(guī)則和方法的研發(fā)受到很大的關(guān)注。正在研究孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，其包括在 不同的潤濕性條件(水濕、混合濕大/小)下各孔隙中的流體的占用的規(guī)則，以試圖提高 對實際多孔材料中的多相流動屬性的了解(參看，例如Morrow和Mason的“Recovery of Oil by spontaneous imbibition",Current Opinion in Colloid & Interface Science, Vol. 6, pp. 321-337(2001)以及 H. Behbahani 和 M. Blunt 的 “Analysis of Imbibition in mixed wet rocks using pore scale modeling，，, SPE 90132,發(fā)表于SPE Annual Teehnical Conference, Houston, 2004)。至今，沒有方法能夠?qū)⒉煌黧w相的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型描述直接 校準到實際潤濕性條件下的流體相的分布的實驗孔隙級信息。因此不能對孔隙規(guī)格放熱建 模直接進行孔隙級校準。
已經(jīng)證明對CT圖像的直接模擬可以用于預(yù)測多孔材料的單相屬性；例如， 滲透性、傳導(dǎo)性和汞注入毛細管壓力曲線(參見例如“Digital core laboratory Petrophysical analysis from 3D imaging of reservoir core fragments，，，C. H. Arns, F. Bauget, A. Ghous, A. Sakellariou, T. J. Senden, A. P. Sheppard, R. M. Sok, W. V. Pinczewski, J. Kelly 和 M. A. Knackstedt,Petrophysics,46 (4)，260—277，2005)。
先前的研究已經(jīng)證明了能夠基于顯微CT成像實驗來在3D中識別流體的孔隙規(guī)格 分布(參見 Seright 等，"Characterizing disproportionate permeability reduction using synchrotron X-ray computed tomography，，，SPE Reservoir Evaluation and Engineering, October 2002，pp. ；355_364)。然而這些研究嚴重受礙于需要注采(flood)研 究的巖心樣本，而樣本不從X射線CT束線移開。這將在3D孔隙規(guī)格下進行的實驗限制為 簡單的注采實驗。
而且，這些實驗受限于需要在長的獲取次數(shù)內(nèi)維持對巖心材料的微米精確定位。 因此，涉及相當多的適當次數(shù)的實驗(例如，在儲層條件下測量穩(wěn)固狀態(tài)相對滲透性，天然 原油和鹽溶液中的巖心的老化，多孔板注采等)可能需要樣本保持在CT設(shè)備上幾個星期或 者甚至幾個月。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于基本上克服或者至少改善已知結(jié)構(gòu)的一個或多個缺點，或者提 供有用的替代方式。
根據(jù)本公開的第一方面，提供了一種處理樣本的圖像數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括 配準至少部分重疊樣本的空間區(qū)域的第一和第二圖像；以及
處理來自所配準的圖像的數(shù)據(jù)以獲得包括與樣本有關(guān)的信息的整合圖像數(shù)據(jù)，所 述信息相對于能夠從所述第一和第二圖像獲得的信息是附加的。
根據(jù)本公開的第二方面，提供了一種可執(zhí)行的計算機程序，以實現(xiàn)第一方面的方 法的步驟。
根據(jù)本公開的第三方面，提供了一種計算機程序產(chǎn)品，其具有計算機可讀介質(zhì)，其 中計算機可讀介質(zhì)包括第二方面的計算機程序。
根據(jù)本公開的又一方面，提供了一種用于處理樣本的圖像數(shù)據(jù)的電子系統(tǒng)，包 括
成像裝置，設(shè)置為用于獲取至少部分重疊樣本的空間區(qū)域的第一和第二圖像；
存儲裝置，設(shè)置為用于存儲所獲取的圖像；以及
至少一個微處理器，設(shè)置為用于檢索和配準所獲取的圖像的數(shù)據(jù)以獲得整合圖像 數(shù)據(jù)，整合圖像數(shù)據(jù)包括與樣本有關(guān)的信息，所述信息相對于從所述第一和第二圖像獲得 的信息是附加的。
還公開了本公開的其他方面。


下面參照如下附圖來描述本發(fā)明的一個或多個實施方式，其中
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的方法的示意流程圖，該方法涉及配準2D 和3D圖像以及隨后整合來自兩個圖像的信息。
圖2A和圖2B分別顯示了 2D電子顯微鏡圖像和3D斷層掃描圖像。
圖3顯示了來自圖2A和2B的配準圖像的動畫的最后一幀。
圖4A和圖4B分別顯示了 2D光學(xué)顯微鏡圖像和3D斷層掃描圖像。
圖5和圖6分別顯示了 2D顯微鏡圖像和配準的3D斷層掃描圖像，所述圖像具有 基本不同的空間分辨率。
圖7顯示了通過將從2D圖像獲得的孔隙結(jié)構(gòu)信息整合成3D圖像數(shù)據(jù)而獲得的整 合圖像。
圖8顯示了用于扭曲變換的規(guī)則正方形柵格的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖9顯示了扭曲變換模板的示意圖。
圖10顯示了最接近扭曲變換的圖像的中心的五個關(guān)聯(lián)最大值。
圖11顯示了從配準之前已經(jīng)被去扭曲(圖11B)或未被去扭曲(圖11A)的圖像 所獲得的圖像。
圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的方法的示意流程圖，該方法涉及將3D 圖像與3D圖像對齊，并且隨后整合來自兩個圖像的信息。
圖13顯示了流體攝取前的樣本，而圖14顯示了流體攝取后的樣本。
圖15為來自顯示流體在樣本內(nèi)的分布的影片的快照，其中通過將3D圖像對齊而 獲得流體分布。
圖16A顯示了 3D相分布，而圖16B顯示了孔隙尺寸分布和流體含量之間的相互關(guān)系。
圖17顯示了與本發(fā)明的第一實施方式關(guān)聯(lián)的計算處理的算法。
圖18顯示了與本發(fā)明的第二實施方式關(guān)聯(lián)的計算處理的算法。
圖19顯示了圖17和18中所示算法的步驟2的流程圖的詳情。
圖20顯示了在3D斷層掃描圖像內(nèi)配準的2D顯微鏡圖像。
圖21顯示了兩個配準圖像中的特征的等價，一個圖像為2D SEM圖像，另一個圖像 為3D斷層掃描圖像的相應(yīng)切片。
圖22顯示了 2D SEM圖像及其來自配準的3D斷層掃描圖像的等價切片。
圖23為從3D斷層掃描圖像獲得的衰減數(shù)據(jù)和從2D顯微鏡圖像獲得的孔隙率數(shù) 據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系曲線圖。
圖24A顯示了兩個不同分辨率的圖像以及基于從兩個圖像獲得的整合數(shù)據(jù)的圖像。
圖24B顯示了局部孔隙尺寸分布(y軸)與微孔率之間的相互關(guān)系，微孔率映射自 基于圖24A中的圖像的圖像數(shù)據(jù)繪制的X射線衰減(χ軸)。
圖25描述了相對于從3D斷層掃描圖像獲得的衰減數(shù)據(jù)映射來自2D顯微鏡方法 的礦物相信息。
圖沈和27描述了從樣本取得3D圖像的原理；用樣本進行試驗，其中樣本從成像 設(shè)備移開；對樣本再成像并且配準實驗前和試驗后獲得的兩個3D圖像，以識別樣本中的結(jié) 構(gòu)或其他變化。
圖28顯示了樣本的配準的3D圖像的兩個相應(yīng)的切片，該樣本已進行碳酸處理，明 顯的結(jié)構(gòu)差別是由于酸對樣本材料屬性的影響。
圖四顯示了由樣本的連續(xù)狀態(tài)定義的一系列曲線，每個狀態(tài)由水飽和度和毛細 管壓力的特定值表征。
圖30、31和32A顯示了處于相對于圖四的圖形的各個狀態(tài)的樣本的配準圖像。
圖32B量化了在不同潤濕性情況下的殘余碳氫化合物斑點尺寸的尺寸變化。
圖33顯示了多分辨率的3D圖像的配準的應(yīng)用。
圖34顯示了將較高分辨率3D圖像嵌入到較低分辨率3D圖像的應(yīng)用。
圖35顯示了用于直接比較的不同分辨率的配準的3D圖像的相應(yīng)切片。
圖36A和36B形成了可以在其上實現(xiàn)所描述的結(jié)構(gòu)的通用計算機系統(tǒng)的示意方框 圖。
具體實施方式
圖1至35顯示了用于處理通過整合配準的2D和3D圖像所獲得的數(shù)據(jù)的本公開 方法的各個方面，以及這樣的處理所實現(xiàn)的實際應(yīng)用。
A、硬件實現(xiàn)
圖36A和36B共同形成了通用計算機系統(tǒng)3600的示意方框圖，其上可以實現(xiàn)所述 的各種結(jié)構(gòu)。
如圖36A所見，計算機系統(tǒng)3600由計算機模塊3601，例如鍵盤3602、鼠標指示器 裝置3603、掃描儀36 和麥克風(fēng)3680的輸入裝置，以及包括打印機3615、顯示器裝置3614 和揚聲器3617的輸出裝置形成。一個或多個成像裝置3627也可以直接連到計算機模塊 3601。這些裝置提供待被此后所討論的方法處理的圖像數(shù)據(jù)。
外部調(diào)制器-解調(diào)器(調(diào)制解調(diào)器)收發(fā)器裝置3616可被計算機模塊3601用來 通過連接3621與通信網(wǎng)絡(luò)3620來往通信。網(wǎng)絡(luò)3620可以是廣域網(wǎng)(WAN)，例如因特網(wǎng)或 專用WAN。其中連接3621可以是電話線，調(diào)制解調(diào)器3616可以是傳統(tǒng)的“撥號”調(diào)制解調(diào) 器?？蛇x地，當連接3621是高性能(例如電纜)連接時，調(diào)制解調(diào)器3616可以是寬帶調(diào)制 解調(diào)器。無線調(diào)制解調(diào)器也可以用于無線連接到網(wǎng)絡(luò)3620。
計算機模塊3601典型地包括至少一個處理器單元，以及例如由半導(dǎo)體隨機存取 存儲器(RAM)和半導(dǎo)體只讀存儲器(ROM)形成的存儲器單元3606。圖36A中所示的計算 機系統(tǒng)包括兩個處理器3605A和3605B，使得能夠在如下所描述的方法的至少一些步驟中 實現(xiàn)并行處理。模塊3601還包括多個輸入/輸出(I/O)接口，其包括連接到視頻顯示器 3614、揚聲器3617和麥克風(fēng)3680的音頻-視頻接口 3607，用于鍵盤3602、鼠標3603、掃描 儀36 、成像裝置3627以及可選的操縱桿(未示出)的I/O接口 3613，以及用于外部調(diào)制 解調(diào)器3616和打印機3615的接口 3608。在一些實施方式中，調(diào)制解調(diào)器3616可以結(jié)合 到計算機模塊3601內(nèi)，例如在接口 3608內(nèi)。計算機模塊3601還具有本地網(wǎng)絡(luò)接口 3611， 該接口通過連接3623能夠?qū)⒂嬎銠C系統(tǒng)3600連接到與被稱為局域網(wǎng)(LAN)的本地計算機 網(wǎng)絡(luò)3622。如圖所示，本地網(wǎng)絡(luò)3622還可以通過連接36 連接到廣域網(wǎng)3620，連接36 將典型地包括所謂的“防火墻”裝置或具有相似功能的裝置。接口 3611可以由Khernet 電路卡，Bluetooth 無線設(shè)置或IEEE 802. 11無線設(shè)置形成。
接口 3608和3613可以提供串行或并行連接中的一種或兩種，前者典型地根據(jù)通 用串行總線(USB)標準實現(xiàn)并且具有相應(yīng)的USB連接器(未示出)。存儲裝置3609被設(shè)置 且典型地包括硬盤驅(qū)動器(HDD) 3610。也可以使用例如軟盤驅(qū)動器和磁帶驅(qū)動器(未示出) 的其他存儲裝置。典型地設(shè)置光盤驅(qū)動器3612以作為非揮發(fā)性數(shù)據(jù)源。諸如光盤(例如⑶-ROM、DVD)、USB-RAM、和軟盤的便攜式存儲器裝置例如也可以作為系統(tǒng)3600的合適的數(shù)據(jù)源。
計算機模塊3601的部件3605至3613典型地通過互連總線3604以及以本領(lǐng)域技 術(shù)人員公知的計算機系統(tǒng)3600的傳統(tǒng)操作模式的方式進行通信。其上可以實現(xiàn)所描述的 布置的計算機的示例包括IBM-PC和兼容機，Sun Sparcstations, Apple Mac 或從它們發(fā) 展出的類似計算機系統(tǒng)。
所討論的圖像處理方法可以利用計算機系統(tǒng)3600實現(xiàn)，其中待描述的圖1和12 的步驟以及圖17-19的計算算法可以實現(xiàn)為在計算機系統(tǒng)3600內(nèi)執(zhí)行的一個或多個軟件 應(yīng)用程序3633。特別地，所討論的方法的步驟由在計算機系統(tǒng)3600內(nèi)執(zhí)行的軟件3633中 的指令3631實現(xiàn)。軟件指令3631可以形成為一個或多個代碼模塊，每個代碼模塊執(zhí)行一 個或多個特定任務(wù)。軟件也可以劃分成兩個獨立部分，其中第一部分和相應(yīng)的代碼模塊執(zhí) 行本方法的步驟，第二部分和相應(yīng)的代碼模塊管理第一部分和用戶之間的用戶接口。
軟件3633通常通過計算機可讀介質(zhì)加載到計算機系統(tǒng)3600內(nèi)，并且然后被典型 地存儲于HDD 3610中，如圖36A所示，或者存儲于存儲器3606中，之后軟件3633可以被計 算機系統(tǒng)3600執(zhí)行。在一些情況中，可以向用戶提供在一個或多個⑶-ROM 3625上編碼的 應(yīng)用程序3633，并在存儲于存儲器3610或3606之前通過相應(yīng)的驅(qū)動器3612讀取?？蛇x 地，軟件3633可以通過計算機系統(tǒng)3600從網(wǎng)絡(luò)3620或3622讀取，或從其他計算機可讀介 質(zhì)加載到計算機系統(tǒng)3600中。計算機可讀存儲介質(zhì)指的是參與提供指令和/或數(shù)據(jù)給計算 機系統(tǒng)3600來執(zhí)行和/或處理的任何存儲介質(zhì)。這樣的存儲介質(zhì)的示例包括軟盤、磁帶、 CD-ROM、硬盤驅(qū)動器、ROM或集成電路、USB存儲器、磁-光盤、或例如PCMCIA卡的計算機可 讀卡等，這些裝置可以內(nèi)置或外置于計算機模塊3601?？梢詤⑴c提供軟件、應(yīng)用程序、指令 和/或數(shù)據(jù)給計算機模塊3601的計算機可讀傳輸介質(zhì)的示例包括無線電或紅外傳輸信道 以及到另一個計算機或聯(lián)網(wǎng)裝置的網(wǎng)絡(luò)連接，以及包括電子郵件傳輸和記錄在網(wǎng)站上的信 息的因特網(wǎng)或內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)等。
上面提到的應(yīng)用程序3633的第二部分和相應(yīng)的代碼模塊可被執(zhí)行以實現(xiàn)一個或 多個圖形用戶接口(⑶I)在顯示器3614上的渲染或顯示。通過典型地為鍵盤3602和鼠標 3603的操作，計算機系統(tǒng)3600的用戶以及應(yīng)用能夠以功能上適用的方式操作接口以便向 與GUI相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用提供控制命令和/或輸入。功能上適用的用戶接口的其他形式也可以 實現(xiàn)為，例如利用通過揚聲器3617輸出的聲音提示以及通過麥克風(fēng)3680輸入的用戶聲音 命令的音頻接口。
圖36B為處理器3605A或3605B之一以及“存儲器” 36；34的詳細示意方框圖。存 儲器3634表示能夠被圖36A中的計算機模塊3601訪問的所有存儲器裝置(包括HDD 3610 和半導(dǎo)體存儲器3606)的邏輯集合。
當計算機模塊3601開始啟動時，上電自檢(POST)程序3650執(zhí)行。POST程序3650 典型地存儲于半導(dǎo)體存儲器3606的ROM 3649中。永久存儲于例如R0M3649的硬件裝置中 的程序有時被稱為固件。POST程序3650檢測計算機模塊3601內(nèi)的硬件以確保正常工作， 并且典型地分別檢查處理器3605A或3605B中的每個，存儲器(3609、3606)，以及典型地存 儲于ROM 3649中的基本輸入-輸出系統(tǒng)軟件(BIOS)模塊3651，來進行正確的操作。一旦 POST程序3650已經(jīng)成功運行，BIOS 3651激活硬盤驅(qū)動器3610。硬盤驅(qū)動器3610的激活引發(fā)了駐留在硬盤驅(qū)動器3610上的引導(dǎo)加載器程序3652以通過處理器3605A或3605B中 的一個執(zhí)行。這將操作系統(tǒng)3653加載到RAM存儲器3606內(nèi)，操作系統(tǒng)3653在RAM存儲器 3606上開始運行。操作系統(tǒng)3653是系統(tǒng)級應(yīng)用程序，可通過處理器3605A或3605B中的一 個執(zhí)行，以執(zhí)行各種高級功能，包括處理器管理、存儲器管理、設(shè)備管理、存儲管理、軟件應(yīng) 用接口、以及通用用戶接口。
操作系統(tǒng)3653管理存儲器(3609、3606)以確保在計算機模塊3601上運行的每個 進程或應(yīng)用程序具有足夠的存儲器，從而運行不會與分配給其他進程的存儲器相沖突。而 且，系統(tǒng)3600中可用的不同類型的存儲器必須是合適的，從而每個進程可以有效地運行。 因此，集成的存儲器3634不是意指表示存儲器的特定段如何分配(除非聲明)，而是提供了 一種可被計算機系統(tǒng)3600訪問的存儲器以及如何使用該存儲器的概況圖。
處理器3605A和3605B均包括多個功能模塊，包括控制單元3639，運算邏輯單元 (ALU) 3640，以及有時稱為緩存的本地或內(nèi)部存儲器3648。緩存3648典型地包括在寄存器 區(qū)的多個存儲寄存器3644-3646。一個或多個內(nèi)部總線3641將這些功能模塊功能性的互 連。每個處理器3605A或3605B典型地還具有一個或多個接口 3642，用于通過系統(tǒng)總線 3604，利用連接3618與外部設(shè)備通信。
應(yīng)用程序3633包括一系列指令3631，其可能包括條件轉(zhuǎn)移和循環(huán)指令。程序 3633還可以包括在程序3633的執(zhí)行中使用的數(shù)據(jù)3632。指令3631和數(shù)據(jù)3632分別存儲 在存儲器位置36觀-3630和3635-3637中。取決于指令3631的相對大小以及存儲器位置 36觀-3630，特定的指令可以存儲在單個存儲器位置中，如在存儲器位置3630中所示的指 令所描述的?？蛇x地，指令可以分段成多個部分，每個部分存儲在分開的存儲器位置，如存 儲器位置36觀-3629中所示的指令段所示。
通常，一組要在處理器3605A和3605B內(nèi)執(zhí)行的指令被提供給處理器3605A和 3605B。然后處理器等待隨后的輸入，處理器通過執(zhí)行另外一組指令對隨后的輸入進行反 應(yīng)。每個輸入可以從多個資源的一個或多個提供，包括通過輸入裝置3602、3603中的一個 或多個產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，從跨越網(wǎng)絡(luò)3620、3622中的一個的外部資源接收到的數(shù)據(jù)，從存儲裝 置3506、3609中的一個獲得的數(shù)據(jù)，或者從插入到相應(yīng)讀取器3612中的存儲介質(zhì)3625獲 得的數(shù)據(jù)。一組指令的執(zhí)行在某些情況中可以引起數(shù)據(jù)的輸出。執(zhí)行還可以涉及存儲數(shù)據(jù) 或變量至存儲器36；34。
稍后在本文中公開的計算裝置利用了輸入變量36M，其存儲在存儲器3634中相 應(yīng)的存儲器位置3655-3658。執(zhí)行的計算產(chǎn)生輸出變量3661，輸出變量存儲在存儲器3634 中相應(yīng)的存儲器位置3662-3665。中間變量可以存儲在存儲器位置3659、3660、3666和 3667。
運行的一個或多個處理器3605A和/或3605B的寄存器區(qū)3644-3646，運算邏輯單 元(ALU) 3640，以及控制單元3639共同工作以執(zhí)行一系列微操作，需要這些微操作來對組 成程序3633的指令集中的每一個指令執(zhí)行“取出、解碼和執(zhí)行”循環(huán)。每個取出、解碼和執(zhí) 行循環(huán)包括
(a)取出操作，從存儲器位置36 取出或讀取指令3631 ；
(b)解碼操作，其中控制單元3639確定哪個指令已經(jīng)被取出；以及
(c)執(zhí)行操作，其中控制單元3639和/或ALU 3640執(zhí)行指令。
此后，可以執(zhí)行針對下一個指令的進一步的取出、解碼和執(zhí)行循環(huán)。相似地，可以 執(zhí)行存儲循環(huán)，通過存儲循環(huán)控制單元3639存儲或?qū)懭胍粋€值到存儲器位置3632。
圖17至19中的算法的每個步驟或子過程與程序3633的一個或多個段相關(guān)聯(lián)， 并且通過處理器3605A(和/或3605B)中的寄存器區(qū)3644-3647，ALU 3640以及控制單元 3639共同工作來執(zhí)行，以針對程序3633中的標注的段的指令集中的每一個指令執(zhí)行取出、 解碼和執(zhí)行周期。
所公開的圖像處理方法可選地可以實現(xiàn)在專用硬件中，例如執(zhí)行各種計算程序的 功能或子功能的一個或多個集成電路。這樣的專用硬件可以包括圖形處理器，數(shù)字信號處 理器，或一個或多個微處理器，以及相關(guān)的存儲器。
為了能夠比較和整合兩個圖像的數(shù)據(jù)集合攜帶的信息，成像數(shù)據(jù)的各集合中的至 少一個要被變換，以使兩個集合都能用于單個坐標系。在光學(xué)成像領(lǐng)域，該變換稱為“配 準”，以及“對齊”到單個坐標系的圖像稱為“配準”圖像。
B、處理配準的2D和3D圖像
如下公開涉及擴展了例如傳統(tǒng)的顯微CT的3D成像性能的方法，且能夠利用補償 和/或通過一定范圍2D顯微技術(shù)獲得的較高分辨率的數(shù)據(jù)來校準3D圖像數(shù)據(jù)。以此方式 獲得的整合數(shù)據(jù)的一個應(yīng)用為用于巖心材料/樣本的地質(zhì)學(xué)表征。具體地，本公開方法涉 及將2D圖像的圖像數(shù)據(jù)配準到3D圖像上和3D圖像內(nèi)。
2D顯微圖像數(shù)據(jù)在相似分辨率的3D圖像體內(nèi)的像素-體素識別能夠映射3D圖 像中的X射線灰度等級到從顯微鏡技術(shù)獲得的一定范圍的屬性，并且用于研究包括礦物學(xué) (mineralogy)、元素組成、表面能和聲學(xué)/彈性屬性中的至少一個的屬性。而傳統(tǒng)的X射線 顯微CT具有大約1微米的分辨率，顯微技術(shù)能夠探測小至納米規(guī)格的特征和屬性。將2D圖 像對齊和映射到至少部分重疊樣本內(nèi)的空間區(qū)域的3D圖像能夠獲得當前對于X射線CT分 析而言太細微的與特性有關(guān)的信息。配準和處理后的圖像可以相對于彼此被任意定向、縮 放和/或平移。而且，本公開方法的有利性能還可應(yīng)用于處理兩個3D圖像的配準的情況， 其中兩個配準的3D圖像可以相對于彼此被任意定向、縮放和平移。應(yīng)注意，在2D和3D圖 像之間配準的情況中，部分重疊為通過3D成像技術(shù)成像的3D體與通過2D成像方式成像的 位于樣本上或樣本內(nèi)的被任意定向的平面之間的線或面重疊。在3D到3D配準的情況中， 部分重疊典型地為通過一個或多個3D成像技術(shù)成像的樣本的兩個或更多個3D區(qū)域之間的 空間重疊。
本公開方法執(zhí)行的映射能夠?qū)碜砸欢ǚ秶?D顯微鏡技術(shù)的傳統(tǒng)的沉積學(xué)數(shù)據(jù) (例如，與巖心描述、巖石記述學(xué)、地質(zhì)相、地質(zhì)巖石種類、礦物相、礦物來源、彈性/聲學(xué)屬 性、表面化學(xué)有關(guān)的數(shù)據(jù))關(guān)聯(lián)到通過顯微CT分析獲得的3D圖像數(shù)據(jù)(例如，與衰減、顆 粒形狀、顆粒連通性、孔隙連通性、孔隙形狀有關(guān)的數(shù)據(jù))。顯微鏡技術(shù)可以探測到小至納 米，這低于顯微CT的分辨率。然后所獲得的高分辨率數(shù)據(jù)可以被直接關(guān)聯(lián)到來自3D顯微 CT圖像的X射線衰減數(shù)據(jù)。因此，傳統(tǒng)的沉積學(xué)信息可以關(guān)聯(lián)到與巖石學(xué)屬性(例如，滲透 性、排水毛細管壓力、聲學(xué)和震測屬性、電阻系數(shù)、NMR)以及儲層工程屬性(例如，相對滲透 性、殘余飽和度、吸收毛細管壓力)的預(yù)測有關(guān)的數(shù)據(jù)。
將2D圖像配準到3D圖像所獲得的整合信息
所述方法的詳情在圖1中示出。一旦提取了多孔材料的樣本，在步驟102中例如通過微斷層掃描獲得3D圖像。然后收集樣本的一個或多個2D截面或暴露平面并準備在步 驟104中用于顯微鏡法/光譜法，截面來自斷層掃描設(shè)備的視場。剩余的巖心材料可以用 于質(zhì)量控制實驗(例如，壓氦法和壓汞法)。
通過如下技術(shù)中的一個或多個在步驟106中執(zhí)行顯微鏡法/光譜法
·掃描電子顯微鏡(SEM) ；二次和反散射；
·光學(xué)顯微鏡；
·掃描聲學(xué)顯微鏡；
·激光共聚焦顯微鏡；
·聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIBSEM)；
·能譜儀(EDAX)；
· 二次離子質(zhì)譜(SIMS)；
·光譜技術(shù)，包括但不限于紅外、UV-可見和拉曼光譜；以及
·其他顯微鏡或光譜技術(shù)。
以傳統(tǒng)技術(shù)處理獲得的顯微鏡法/光譜法2D圖像數(shù)據(jù)以提取跨越一定范圍長度 規(guī)格(納米到微米規(guī)格)的2D樣本的各種結(jié)構(gòu)的屬性(步驟110)。該范圍使得能夠?qū)?如礦物學(xué)、表面屬性、局部表面相互作用、聲學(xué)屬性等的屬性進行分析。例如，通過光學(xué)顯微 鏡的標準巖相分析能夠測量與如下屬性的至少一個相關(guān)的屬性
·孔隙率；
·礦物學(xué)(例如，石英、長石、方解石、粘土、黃鐵礦等)；
識別顆粒邊界，粘結(jié)相；
·識別地質(zhì)相種類；
·地質(zhì)巖石種類。
所述方法的步驟108執(zhí)行一個或多個2D圖像在3D圖像上的像素-體素配準。步 驟110執(zhí)行傳統(tǒng)的2D圖像分析，例如光譜儀分析。這能夠在本方法的步驟112中獲得量化 的整合數(shù)據(jù)，這能夠?qū)νㄟ^單個技術(shù)單獨獲得的數(shù)據(jù)增加值。整合信息的一個應(yīng)用是通過 與高分辨率、高質(zhì)量的2D顯微分析數(shù)據(jù)相比較，來對3D圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行直接質(zhì)量控制。整合 數(shù)據(jù)還可以用于將來自高分辨率2D顯微鏡圖像的孔隙和礦物相信息直接關(guān)聯(lián)到從具有子 CT或傳統(tǒng)CT分辨率的3D圖像獲得的數(shù)據(jù)。這些關(guān)聯(lián)可以用于如下所述的任意一種
·直接測試微孔率測量值；
·將來自子CT分辨率規(guī)格的顆粒/孔隙尺寸信息填入微孔率數(shù)據(jù)；
將通過2D顯微鏡和光譜技術(shù)獲得的信息(例如，礦物學(xué)、粘結(jié)性、成巖歷史、更高 的分辨率(微米)孔隙率、有效滲透性、顆粒尺寸、亞微米分辨率的孔隙尺寸、聲學(xué)屬性和表 面化學(xué)特性)填入從顯微CT獲得的3D圖像數(shù)據(jù)。
同樣，利用如上所述的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以在可選的步驟114中模擬一定范圍的物理 屬性，包括不同流體相的相對滲透性、電阻率、介電反應(yīng)、NMR反應(yīng)、以及聲學(xué)震測反應(yīng)。關(guān) 于典型應(yīng)用的模擬方法的信息可以參考如下文獻
· Digital core laboratory :Petrophysical analysis from 3D imaging of reservoir core fragments，C. H. Arns, F. Bauget, A. Ghous, A. Sakellariou，T. J. Senden， A. P. Sheppard, R. M. Sok, W. V. Pinczewski, J. Kelly 禾口 Μ· A. Knackstedt，Petrophysics，46 (4)，260-277，2005。
· C. H. Arns, A. P. Sheppard, R. M. Sok 和 M. A. Knackstedt, NMR petrophysical predictions on digitized core images, Petrophysics,48(3),202-221(2007)。
· Archie' s exponents in complex lithologies derived from 3D digital core analysis, M. Knackstedt, C. Arns, A. Sheppard, T. Senden, R. M. Sok, W. Pinczewski 禾口 Μ. Ioannidis,Society of Petrophysicists and Well Log Analysts 48th Annual Logging Symposium, Paper Z, June 4—6, 2007, Austin, USA。
技術(shù)應(yīng)用的示例
1、在一個示例中，通過將3D圖像數(shù)據(jù)與來自標準2D顯微分析的數(shù)據(jù)相比較，可以 實現(xiàn)對3D圖像數(shù)據(jù)的直接質(zhì)量控制。圖2和3顯示了巖石樣本的像素-體素配準，巖石樣 本的更多孔隙在顯微CT數(shù)據(jù)上可分辨。圖2A顯示了 SEM圖像，圖2B顯示了通過本公開方 法配準的各個斷層掃描切片，如步驟108中所述(圖1)。2D圖像與3D圖像的體素直接對 應(yīng)。任何變化主要是由為顯微鏡分析所準備的樣本造成的。
2、在另一個應(yīng)用中，可以執(zhí)行將來自3D圖像數(shù)據(jù)的衰減信息直接關(guān)聯(lián)到來自2D 顯微分析的增強信息。圖4A顯示了砂巖樣本的2D光學(xué)顯微鏡圖像的示例。觀察到了礦物 學(xué)中的擴展的變化；可以映射礦物相分布，可以進行一定范圍的經(jīng)典巖相分析。另一方面， 圖4B顯示了來自3D斷層掃描照片的相應(yīng)的配準切片?；?D圖像中的衰減信息與從光 學(xué)顯微鏡圖像中獲得的礦物學(xué)信息的直接關(guān)聯(lián)，從顯微技術(shù)獲得的礦物學(xué)信息可以被關(guān)聯(lián) 以將信息填入/擴散到3D顯微CT圖像數(shù)據(jù)中。
另一個示例如圖5所示，其顯示了以50納米分辨率獲得的顯微樣本的圖像。圖6 顯示了來自以2. 5微米分辨率獲得的斷層掃描照片的配準切片。來自顯微CT數(shù)據(jù)的灰度 衰減信息可以直接關(guān)聯(lián)到50nm規(guī)格信息(例如，更高分辨率的孔隙尺寸、孔隙形狀、顆粒尺 寸和形狀)。
3、本方法還能夠使用高分辨率的顯微鏡技術(shù)來識別各種特征，然后這些特征在空 間上關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的3D顯微CT圖像。一旦這些特征被識別為2D和3D圖像之間的重疊區(qū) 域，通過空間關(guān)聯(lián)，它們可被推導(dǎo)來用于剩余的3D空間。此方法有效地利用顯微鏡數(shù)據(jù)將 附加信息構(gòu)造到3D圖像數(shù)據(jù)中。圖7A至7C中的圖像顯示了來自50nm規(guī)格的2D SEM圖 像(圖7C中的圖像)的顆粒尺寸和孔隙尺寸信息如何能夠產(chǎn)生嵌入(映射)到圖7A的3D 斷層掃描圖像中的孔隙結(jié)構(gòu)信息。因此，產(chǎn)生了整合的圖像數(shù)據(jù)集合，其組合了來自圖7A 的顯微CT圖像的數(shù)據(jù)以及圖7B和圖7C的薄截面數(shù)據(jù)。這樣的整合數(shù)據(jù)能夠探測薄截面 內(nèi)的微孔區(qū)域以提取納米孔隙尺寸信息。能夠在更高放入率的配準圖像上探測小至nm規(guī) 格(50nm或更低)的圖像信息使得能夠以這些規(guī)格在3D圖像中測量連通性特性。
在一個應(yīng)用中，孔隙尺寸和灰度衰減之間的直接關(guān)聯(lián)能夠?qū)Ⅲw素的孔隙尺寸信息 擴散到3D數(shù)據(jù)中，所述孔隙尺寸信息最初被簡單地賦于孔隙率值。礦物學(xué)信息、聲學(xué)/彈 性屬性和表面化學(xué)信息也可以通過隨機技術(shù)映射以最優(yōu)地填入3D顯微CT數(shù)據(jù)。
去扭曲幾何圖像校正
一些顯微鏡在將要與另一圖像配準的圖像中引入了幾何變形。這將意味著，例如， 在圖像中測量的兩個對象之間的距離可能不是兩個對象之間的真實距離。在推斷出精確的 量化信息之前，或者將兩個圖像準確地配準之前，需要消除此幾何變形，以適當?shù)卣纤鼈兊男畔ⅰＯ齺碜詧D像的變形的過程稱為去扭曲。
去扭曲過程包括兩個階段。開始時，確定與觀察到的變形相關(guān)聯(lián)的扭曲變換。然 后，對圖像應(yīng)用反向扭曲變換以產(chǎn)生幾何學(xué)上校正的圖像。
估測扭曲變換的示例為獲取彼此相對的真實位置已知的點集合的圖像。然后此信 息用于在未變形圖像中的點和變形圖像中的點之間構(gòu)造光滑映射。為此目的可以使用任意 收集的點。然而，校正的準確性取決于如何能夠很好的確定扭曲變換。這還取決于校正的 復(fù)雜度和光滑性。
如下描述如何以自動方式針對2D圖像確定扭曲變換的示例方法。相同的原理也 可應(yīng)用于3D情況。
去扭曲過程的階段1包括
1、取出規(guī)則正方形柵格的圖像(圖8)。該圖像稱為柵格圖像并且用于確定圖像中 的變形。
2、提取柵格圖像的中心處的小區(qū)域910，其足夠大以包含每個方向上表示為實心 深陰影框的多個柵格單元。區(qū)域910稱為模板(圖9)。淺陰影虛線框912表示模板圖形被重復(fù)的位置。
3、計算柵格圖像和模板之間的交叉關(guān)聯(lián)，并且確定關(guān)聯(lián)峰位(correlation peak) 0關(guān)聯(lián)峰位表示相同圖形重新出現(xiàn)的地方。對于小的變形，簡單平移足夠準確。對于 較大的變形，可能需要旋轉(zhuǎn)和縮放模板。在兩種情況中，使用傅里葉變換以有效方式執(zhí)行這 些計算。
4、確定最靠近圖像的中心的五個關(guān)聯(lián)峰位及其它們相對于柵格主軸u和ν的關(guān) 系，如圖10所示。通過構(gòu)架，這將是中心位置本身，以及沿著柵格的每個主軸的第一關(guān)聯(lián)峰 位。這些軸無需與圖像的軸對齊。
5、從這五個關(guān)聯(lián)峰位，可以確定柵格的主軸。然后這些軸用于針對剩余的關(guān)聯(lián)峰 位估測正確位置，即，它們在非變形圖像中應(yīng)處的位置。
6、為每一個關(guān)聯(lián)峰位分配正確位置，這定義了此點集合的扭曲變換。然后通過合 適的插值方案來定義這些點之間的位置的扭曲變換。
階段2，圖像的去扭曲。在此處，對變形的圖像應(yīng)用反向扭曲變換，以獲得未變形圖 像未變形圖像中的每個像素被映射到其相應(yīng)的扭曲位置，并且通過插值在變形圖像中找 到像素值。用與未變形圖像對齊的規(guī)則柵格來操作極大地簡化了計算。為了計算效率，通 過兩個步驟執(zhí)行此處理
1、計算與未變形圖像對齊的規(guī)則柵格上的扭曲參數(shù)(平移、旋轉(zhuǎn)等)。
2、通過在規(guī)則柵格上插值來找到針對每個圖像點的扭曲參數(shù)。去扭曲過程對整合 圖像的質(zhì)量的影響如圖11所示。通過觀察明顯看出，從去扭曲SEM圖像獲得的整合圖像 (圖11B)的質(zhì)量好于從未去扭曲的圖像所獲得的圖像的質(zhì)量(圖11A)。
應(yīng)注意，上述去扭曲方法是示意性的，也可以采用其他方法。
C、處理配準的3D至3D圖像
下面描述其他應(yīng)用，其精確地將任意定向(例如旋轉(zhuǎn)、縮放、移動)的3D圖像配準 到3D圖像。通過對材料進行很多復(fù)雜的實驗之后在一定范圍的條件下測量同一多孔材料 的物理屬性，作為結(jié)果獲得的整合信息極大地擴展了傳統(tǒng)顯微CT成像的能力。
如果在相當長的時間段內(nèi)獲得的一系列3D圖像可以配準到3D中，流體相分布 可以在嚴重老化之后或在很長的平衡次數(shù)之后以孔隙規(guī)格直接映射到3D中。然后可以 基于圖像數(shù)據(jù)模擬全范圍的期望的物理屬性。這些物理屬性包括相對滲透性(在多孔材 料內(nèi)的多流體相的滲透性)，被多流體相填入的巖石的電阻率，彈性反應(yīng)屬性，NMR反應(yīng) 以及動態(tài)毛細管壓力(參看，例如如下文獻中描述的方法“Digital core laboratory Petrophysical analysis from 3D imaging of reservoir core fragments，，， C. H. Arns, F. Bauget, A. Ghous, A. Sakellariou, T. J. Senden, A. P. Sheppard, R. M. Sok, W. V. Pinczewski, J. Kelly 和 Μ. A. Knackstedt,Petrophysics, 46 (4)，260—277，2005)。流體 分布可以直接與孔隙網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)果比較，并且作為校準工具用于孔隙規(guī)格建模技術(shù)的正確 度。
本公開方法通常涉及肉眼觀察和量化孔隙結(jié)構(gòu)、礦物相結(jié)構(gòu)、以及三維多孔介質(zhì) 的孔隙空間內(nèi)的多流體相分布的變化。從多孔介質(zhì)的變化的直接量化中，可以估測在變化 的飽和度狀態(tài)和變化的表面化學(xué)條件下多孔材料的一定范圍的物理屬性。這些屬性包括不 同流體相的相對滲透性、電阻率、介電反應(yīng)、NMR反應(yīng)以及彈性。材料包括儲層巖心材料、土 壤、顆粒狀材料以及其他合成物。
本公開方法解決了對實際條件下的多相流動、巖石力學(xué)和巖石學(xué)屬性進行 理解的本質(zhì)需求。例如，已知原油中的巖心老化后的流體吸收特征變化(參見例如， Morrow, "Wettability and its effect on oil recovery，，，SPE 21621，發(fā)表于 Journal of Petroleum Technology, December 1990，p. 1476 以及 Graue 等，“Alteration of wettability and wettability heterogeneity，，Journal of Petroleum Science & Engineering, Vol. 33，pp. 3-17)。其他測量還要求能夠在儲層溫度和覆蓋層壓力下進行實 驗。進行沒有樣本發(fā)生移動或樣本從顯微CT設(shè)備移開這樣的實驗通常是不實際的。提出 的方法能夠?qū)颖境上?，在實驗室中對樣本進行一定范圍的復(fù)雜實驗，然后對樣本再成像， 并通過所描述的算法實現(xiàn)的軟件來配準實驗前和實驗后獲得的3D圖像。
用于整合與3D-3D配準圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的方法
此方法的步驟如圖12所示。方法開始于在步驟1202取得關(guān)注的多孔材料的3D 圖像。此成像定義了初始參考狀態(tài)A。典型地，此狀態(tài)下的所研究的樣本為干的(圖13)或 流體飽和的(圖14)。然后圖像數(shù)據(jù)在步驟1204存儲到存儲器中。
接下來的步驟1206涉及對多孔材料執(zhí)行一個或多個實驗，這些實驗可能導(dǎo)致孔 隙結(jié)構(gòu)、礦物相結(jié)構(gòu)或孔隙流體分布的結(jié)構(gòu)或化學(xué)變化。實驗的示例可以包括如下任一個
針對多孔材料的流體遷移研究，其可以是如下形式
非融合的流體遷移；
鉆孔流體侵入；
用表面活性劑、微生物、聚合體、凝膠體或膠體注采；或
互溶流體遷移。
活性效應(yīng)，可以包括如下任一個
活性流動；
用溶劑注采；
·沉積和活性堵塞；
·生物堵塞。
機械效應(yīng)，諸如
顆粒礦物學(xué)/破裂；
·粘土膨脹、附著和分離；或者
流體的聲學(xué)激化。
·流體對孔隙和礦物相結(jié)構(gòu)的影響
流體交換；
·通過微粒、聚合物和/或水溶液的孔隙堵塞；
粘土遷移(自然的)；
·膠體附著/分離以及堵塞；
粘土膨脹；
潤濕性分布，包括
·將流體分布關(guān)聯(lián)到孔隙尺寸和結(jié)構(gòu)；
·天然老化對潤濕性以及孔隙流體分布的影響；
·測量液體/液體和液體/固體界面的表面化學(xué)屬性(例如，接觸角、液體膜的出 現(xiàn))；
本方法還包括，在進行一個或多個實驗之后，在步驟1208對樣本材料再成像，并 在步驟1204存儲再成像的數(shù)據(jù)。樣本可以被再成像多次。除了用樣本執(zhí)行實驗，步驟1206 還可以涉及獲得用于更高的分辨率成像的樣本子段。結(jié)果，產(chǎn)生了一對圖像，其表示在實 驗前和實驗后取得的任一圖像，或者用不同的成像分辨率獲得的圖像。然后在步驟1210和 1212，通過對齊和疊加來自通過執(zhí)行3D圖像的體素配準獲得的兩個圖像的3D數(shù)據(jù)，可以 將兩個數(shù)據(jù)集合用于獲得整合成像信息。然后可以在另一對圖像之間執(zhí)行這樣的對齊和整 合。對兩個或更多個圖像的信息的整合過程可包括基于來自所有圖像的信息來確定樣本的 特定區(qū)域的物理或化學(xué)屬性。還可以包括量化孔隙結(jié)構(gòu)、礦物相結(jié)構(gòu)或孔隙流體分布的變 化。
現(xiàn)返回圖13和14，所述圖顯示了流體吸收后多孔巖石中的氣相/水相。執(zhí)行的 3D配準使得流體的孔隙規(guī)格分布可直接被肉眼觀察和在3D中量化。特別地，圖14顯示了 在執(zhí)行濕流體被吸入干燥巖石的實驗之后圖13的巖石中的流體分布。
圖15顯示了 3D視頻的快照，描述了取自一對3D圖像數(shù)據(jù)文件的圖像配準的流體 分布。
對樣本材料的再成像可以重復(fù)很多次——在每次進行的實驗之后，或者在一系列 實驗之后。圖像數(shù)據(jù)再次存儲在計算機或者進行數(shù)據(jù)處理的其他電子系統(tǒng)的存儲器中(通 常為硬驅(qū)動)。因此，對不同圖像的獲取之間的時間長度沒有時間限制。然后兩個或多個存 儲的圖像的體素-體素配準能夠?qū)碜匀我鈹?shù)量的圖像的信息組合，因此增加了所有實驗 的價值。
提出的用于從任意時間段內(nèi)執(zhí)行的任意數(shù)量的實驗產(chǎn)生整合圖像的方法不同于 包括現(xiàn)有技術(shù)的當前狀態(tài)的兩個實驗方法。在第一個方法中，由M. ProdanovM等在“3D image-based characterization of fluid displacement in a Berea core，，Advancesin Water Resources 30，2007，p214，中提出，所有的實驗以光束線進行，意味著實驗的屬 性和持續(xù)時間受光束線可用性、空間因素、溫度和機械穩(wěn)定性需要的限制。在第二個方法中 (參看，例如 Dautriet 等白勺"Laboratory determination of stress path dependency of directional permeability of Estaillades limestone，，,Symposium of the Society of Core Analysts, Abu Dhabi, November 2008，paper SCA2008-26)，樣本被成像，然后取出用 于實驗修改，然后返回到光束線用于再成像，但是沒有對不同的圖像進行配準。在此情況 中，沒有獲得直接整合的圖像信息，且僅有的結(jié)果是空間平均數(shù)。
最后的步驟1212涉及利用從步驟1210中配準的3D圖像獲得的整合信息，來量化 孔隙結(jié)構(gòu)、礦物相結(jié)構(gòu)或孔隙流體分布的變化。也可以研究這些變化所暗示的多孔材料的 物理屬性。例如，從潤濕性分布的孔隙規(guī)格分布的直接量化，可以研究對這些多孔材料在變 化的飽和度狀態(tài)以及變化的表面化學(xué)條件下的一定范圍的物理屬性的直接模擬。關(guān)注的屬 性典型地包括不同流體相的相對滲透性、電阻率、介電反應(yīng)、NMR反應(yīng)，以及彈性。
圖16A和16B描述了孔隙尺寸的分布和氣/水流體含量之間的關(guān)系。3D配準使 得流體的孔隙規(guī)格分布能夠直接被肉眼觀察且在3D中量化(圖16A)。圖16B顯示了非濕 (氣)相在3D中駐留的區(qū)域的分布。在此情況中，系統(tǒng)初始是水潤濕，因此殘余氣相主要駐 留在較大孔隙中，水相集中在更小的孔隙中。
D、示例應(yīng)用
下面討論跨越一定范圍的學(xué)科的針對多孔材料的相關(guān)實驗的多個示例，其中量化 孔隙結(jié)構(gòu)、礦物相結(jié)構(gòu)或孔隙流體分布中的可能的結(jié)構(gòu)或化學(xué)變化的能力是重要的。
1、在孔隙規(guī)格針對多孔材料描述流體遷移。首先，描述在不同潤濕性條件和飽和 度狀態(tài)下對多孔材料成像的一些應(yīng)用以及再成像。可以在多孔材料內(nèi)對多個相進行成像。 與實驗有關(guān)的流體遷移屬性可以包括
a、巖心分析中的非融合流體遷移(上游油和氣/地下水以及水文)；
多飽和度狀態(tài)下的排水和吸收注采。
在變化的潤濕性狀態(tài)下(油濕、水濕、高混合濕、低混合濕)的排水和吸收。
探測注采過程中或注采后原油的老化對碳氫化合物、鹽水、氣等分布的影響。
探測流體的分布范圍
〇油/碳氫化合物
〇水/鹽水
〇CO2
〇泥
〇鉆井流體
〇聚合物
O膠體
O分散劑
〇孔隙堵塞流體(例如聚合物、凝膠體、微生物種類)
測試由設(shè)計者設(shè)計的注采；
〇用于孔隙結(jié)構(gòu)中最大程度的提取的最佳鹽水
〇利用變化的油相/鹽水混合物測試孔隙規(guī)格分布。
〇測試改進/增強的采油策略(例如WAG注入和膠體激化)的效率
·對侵入到巖心材料中的泥土(形成破壞)進行成像。
b、易融合的流體遷移
·易融合的注采(EOR)
地下水補充；
〇量化孔隙規(guī)格的有毒或放射性溢流的分布
〇測試防漏方法(化學(xué)的、水文的)
2、流體對孔隙和礦物相結(jié)構(gòu)的影響流體交換對多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)、礦物結(jié)構(gòu) 和潤濕性的影響(例如，鹽水的稀釋對孔隙拓撲的影響)；
a)粘土遷移(自然的)；
b)膠體附著/分離和堵塞；以及
c)粘土膨脹。
3、潤濕性分布。表征被多流體相占據(jù)的多孔材料中的流體/流體和流體/固體界 面的潤濕性狀態(tài)。其包括
a、將流體分布關(guān)聯(lián)到孔隙尺寸和結(jié)構(gòu)
b、測量流體/流體和流體/固體界面的表面化學(xué)屬性(例如接觸角、流體膜的出 現(xiàn))
4、活性效應(yīng)。針對活性組分對多孔材料的孔隙和礦物相結(jié)構(gòu)的影響采取直接孔隙 規(guī)格研究。也可以在多個時間步驟采取流體潤濕性研究。
a、活性流動；
〇超臨界(X)2
〇酸性注采
〇溶解性注采
b、沉積和活性堵塞；
C、生物堵塞。
5、機械效應(yīng)機械應(yīng)力和張力對多孔材料的孔隙和礦物相結(jié)構(gòu)的影響。其可以包 括
〇顆粒礦物學(xué)/破碎
〇粘土膨脹、附著和分離
〇流體的聲學(xué)激化。對使用聲波以增強碳氫化合物回收進行測試。
E、圖像配準工作流程
應(yīng)注意此后描述的配準工作流程應(yīng)用于2D-3D以及3D-3D圖像配準。與定義有微 小變化的相同的配準工作流程也應(yīng)用于2D-2D圖像配準。
定義
令T表示整個離散圖像，令T^k表示離散圖像在索引(i，j，k)處的亮度。令F為 另一個離散圖像，相似的，令Fu,k表示離散圖像F在索引(i，j，k)處的亮度。另外，令I(lǐng)(n) 表示通過用因子dn下采樣從離散圖像I產(chǎn)生的離散圖像。總是定義Cltl = 1，從而Γ(()) ^ T 且滬…。F。離散圖像T為移動離散圖像，F(xiàn)為固定離散圖像。移動(或變換)Τ，從而T與 固定離散圖像配準。例如，T為2D SEM圖像，其待與3D顯微CT圖像F配準。如果T為2D圖像，其可以被簡單地解釋為在三維空間中的平面，即，第三索引維度是固定的，比如k = 0?；蛘撸缌硪粋€示例，T可以是3D濕顯微CT圖像，其待與3D干顯微CT圖像F配準。離 散圖像F和T可以是一對2D圖像(例如，圖17的圖中所示的SEM薄截面圖像的部分片段 174)，并且通過小的可計量的變化，如下方法應(yīng)用于2D至2D配準。
令一)— R為離散圖像一)的插值圖像版本，其中^^!^。相似的，令^ Ω f — R為離散圖像F(n)的插值版本，其中Ω, e R3。
定義屮⑷.R^x R^ 擴為空間變換，其在給定的一組變換參數(shù)於e /Tw下，將3D 點映射到3D點中。
令~>及定義距離-度量，其表示兩個插值圖像t(n)和f(n)之間的配準的 質(zhì)量。我們還要的值越小，配準的越好，Μω的值越大，配準的越差。
給定初始離散圖像t 和f ，需要找到將兩個圖像配準的變換參數(shù)Φ*。這可以 重述為最優(yōu)化問題
配準最優(yōu)化問題給定空間變換Ψ ，距離-度量M(Q)以及圖像t(0)和f ，找到 fW，從而
Φ" = (mwW)
通常，M(°)為具有多個局部極小值的復(fù)雜函數(shù)，且對其進行估計的計算成本高(特 別對于全分辨率圖像)。因此，單獨的局部數(shù)值最優(yōu)化方法(單一方法，Powell方向集方 法，梯度下降法等)不能找到Φ*(的近似值)。如下部分表示多分辨率多起點全局最優(yōu)化 方法，其能夠解決配準最優(yōu)化問題。
通用方法
1、選擇下采樣因子 dQ，. . .，dN，空間變換 Ψ (°)，. . .，Ψ (N)，距離度量 M(°)，. . .，M(N)， 以及最佳變換參數(shù)的數(shù)量J(°)，. . .，J(N)。這些變量的選擇示例如下。
2、定義φ( CiTw為來自及“^的一些有限采樣點，令P 為集合Φ(Ν)中的元素的 數(shù)量。對于每個Φ/) e Φ(Ν), ρ = 1,..., Ρ(Ν)，估計⑷)。參見如下Φ(Ν)示 例。
3、產(chǎn)生集合添的={灼:Ψ} == 1,.··,/_)，其中Pj定義為使得my為所有的= …的第j個最小值。
4、設(shè)置 η = N。
5、設(shè)置11 = 11-1。如果η彡0，則持續(xù)到6，否則持續(xù)到9。
6、對于每一個j = 1，. . .，J(n+1)，使用局部數(shù)值最優(yōu)化算法(例如Powell方向集似小化)，起點εφ("+、以il.i; : Milis的局部最小值。所計算的局部最小值所采用的轉(zhuǎn)換參數(shù)表示，這些局部最小值的距離-度量值表示為箱f1=M^
7、產(chǎn)生變換參數(shù)集合；
ΦW = {ψμ 朽=4lf,j = 1/("))，11；屮 Pj 定義為使得為所有的/ ")=l，...，J(n)的第j個最小值。
8、跳轉(zhuǎn)到 5。18
9、設(shè)定
權(quán)利要求
1.一種處理樣本的圖像數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括配準至少部分重疊樣本的空間區(qū)域的第一和第二圖像；以及處理來自配準圖像的數(shù)據(jù)以獲得包括與樣本有關(guān)的信息的整合圖像數(shù)據(jù)，所述信息相 對于從所述第一和第二圖像獲得的信息是附加的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述信息包括對樣本的特性的空間分布的量化估測。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述配準包括基于分辨率逐漸變高的圖像來執(zhí)行 計算變換參數(shù)的迭代過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述第一圖像為3D圖像，所述第二 圖像為具有相對較高分辨率的2D圖像，以及其中所述配準包括2D圖像數(shù)據(jù)與3D圖像數(shù)據(jù) 的各切片的坐標對齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過映射與2D圖像相關(guān)聯(lián)的像素圖像數(shù)據(jù)以填入 3D圖像的所述切片的各配準的體素，獲得用于所述切片的整合圖像數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中處理來自2D圖像以及所述切片的圖像數(shù)據(jù)，以 獲得遍布3D圖像所成像的至少一個空間區(qū)域的樣本的所述特性的空間分布的所述量化估 計。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的方法，其中對2D圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以提供跨 越一定范圍的長度規(guī)格的所述量化估計。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項所述的方法，其中在將2D圖像與3D圖像配準之前對 2D圖像去扭曲。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述第一和第二圖像為3D圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一圖像比所述第二圖像的分辨率高，且其 中通過映射與第一 3D圖像相關(guān)聯(lián)的像素圖像數(shù)據(jù)以填入所述第二 3D圖像的各配準的體素 來獲得所述整合圖像數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中處理來自第一3D圖像的圖像數(shù)據(jù)，以獲得遍布 第二 3D圖像所成像的至少一個空間區(qū)域的樣本的所述特性的空間分布的所述量化估計。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中第一和第二3D圖像取自不同的時間點，且其中所 獲得的整合數(shù)據(jù)形成第三3D圖像，所述第三圖像由表示第一和第二 3D圖像的圖像數(shù)據(jù)之 間的差別的數(shù)據(jù)填入。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述特性包括樣本的物理屬性、結(jié)構(gòu) 屬性、化學(xué)屬性、礦物學(xué)、孔隙度、滲透性、聲學(xué)屬性、顆粒尺寸、孔隙尺寸、彈性屬性、表面屬 性和局部表面相互作用、連通性特性、顆粒邊界、粘結(jié)相、地質(zhì)相種類、地質(zhì)巖體種類、礦物 相結(jié)構(gòu)、或孔隙流體分布中的至少一個。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述方法進一步包括利用整合數(shù)據(jù)來模 擬成像樣本的物理屬性的步驟，所述物理屬性包括樣本材料的不同流體相的相對滲透性、 電阻率、介電反應(yīng)、NMR反應(yīng)、和彈性中的至少一個。
15.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項所述的方法，其中3D圖像通過顯微CT成像獲得，2D 圖像通過如下技術(shù)中的任一項獲得掃描電子顯微鏡(SEM)；光學(xué)顯微鏡； 聚焦離子束SEM ； 激光共聚焦顯微鏡； 能量分散X射線分析； X射線熒光； X射線光電子能譜； 二次離子質(zhì)譜； 紅外與拉曼光譜； UV和可見光譜； 掃描聲學(xué)顯微鏡；和 原子力顯微鏡。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中利用多分辨率多起點全局最優(yōu)化方 法來執(zhí)行圖像配準。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中實施所述最優(yōu)化方法的計算策略包括任務(wù)并行 和數(shù)據(jù)并行中的至少一種。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中圖像配準的計算程序?qū)嵤┓植际酱鎯ζ鞑⑿兴惴ā?br> 19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述第一和第二圖像被任意地彼此 相對定向、平移和/或縮放。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中當單獨考慮每個圖像時，所獲得的整 合圖像數(shù)據(jù)包括與樣本有關(guān)的信息，該信息相對于從所述第一和第二圖像獲得的信息是附 加的。
21.一種計算機程序，能夠執(zhí)行以實現(xiàn)前述權(quán)利要求中任一項所述的步驟。
22.—種計算機程序產(chǎn)品，具有計算機可讀介質(zhì)，其中該計算機可讀介質(zhì)包括根據(jù)權(quán)利 要求20所述的計算機程序。
23.一種用于處理樣本的圖像數(shù)據(jù)的電子系統(tǒng)，包括至少一個成像裝置，設(shè)置為獲取至少部分重疊樣本的空間區(qū)域的第一圖像和第二圖像；存儲裝置，設(shè)置為存儲所獲取的圖像；以及至少一個微處理器，設(shè)置為檢索和配準所獲取的圖像的數(shù)據(jù)以獲得整合圖像數(shù)據(jù)，整 合圖像數(shù)據(jù)包括與樣本有關(guān)的信息，所述信息相對于從所述第一和第二圖像獲得的信息是 附加的。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中至少一個成像裝置包括3D成像裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中至少一個成像裝置包括2D和3D成像裝置，2D 成像裝置能夠產(chǎn)生實質(zhì)上比3D成像裝置所獲得的圖像的分辨率更高的圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種處理樣本的圖像數(shù)據(jù)的方法。該方法包括配準至少部分重疊樣本的空間區(qū)域的第一和第二圖像，以及處理配準圖像的數(shù)據(jù)以便獲得包括與樣本有關(guān)的信息的整合圖像數(shù)據(jù)，所述信息相對于可從所述第一和第二圖像獲得的信息是附加的。
文檔編號G06T7/00GK102037492SQ200980118140
公開日2011年4月27日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者A·M·金斯頓, A·P·謝潑德, M·A·克納克施泰特, R·M·索, S·J·萊瑟姆, T·K·瓦爾斯洛特 申請人:澳大利亞國立大學(xué)