一种基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法

1.本发明属于岩体内部裂缝面重构技术领域，涉及一种基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法。


背景技术：

2.由于页岩油储层的渗透率极低，需要进行水力压裂以促进岩石破裂形成复杂的裂缝网络，从而提高裂缝导流能力和非常规油气的产量。水力压裂裂缝形态影响着油气流动，支撑剂运移和裂缝闭合，所以三维重构压裂裂缝对分析压裂机理和评估压裂改造效果具有重要意义。对于压裂液主要成分为水的常规水力压裂物理模拟实验而言，目前广泛使用的压裂裂缝显现方法为，首先，通过向水中加入示踪剂，然后剖切压裂后试样，肉眼观察示踪剂所在的区域，最后用cad，3dmax，solidworks等绘图软件抽象式概括出三维裂隙面。尽管这种方法比较简单，但是三维构面精度不高，一般常用于定性分析，且该方法不适用于不含示踪剂的气压致裂后试样。除此之外，尚有电子计算机断层扫描、3d扫描、电镜扫描和声发射等技术可应用于裂缝观察的研究，但是这些技术的使用前提和应用效果有所局限。例如，尽管电子计算机断层扫描技术亦可用于致裂试样内部三维裂缝的观察，但是该技术仍受限于岩石致密度，试样尺寸，裂缝宽度等因素，尤其是对于未贯通试样钻孔周边小裂缝和次生裂缝的提取更为困难，这将导致试样内部三维裂缝形态不能完全被显现。对于完全破裂试样，3d扫描和电镜扫描技术只能获取破裂面及其局部区域的数据信息，却无法准确描述试样内部整体的三维裂缝形态。另外，声发射技术基于材料内部微裂缝产生而激发的弹性波可用于分析岩石内部动态微破裂，但其定位效果受限于基本参数设置，岩样和装置，无法细节地反映三维裂缝形态。除了用cad，3dmax，solidworks等绘图软件抽象式概括出三维裂隙面以外，常用裂隙面确定性重构算法为delaunay三角网格剖分。例如，利用三维扫描仪对沿着贯通裂隙分解的块体进行逐个扫描构面，再利用分解之前参考点的坐标对获得的曲面进行坐标转化拼接，进行delaunay三角网格剖，再结合储层物性建立离散裂缝网格模型。此种方法的三维构面精度完全取决于原始数据的精度，且仅适用于均匀数据下的裂缝面重构，对于不能完全获取裂缝面上所有离散点的情况，此方法适用困难。
3.综上所述，对于不含示踪剂的气压致裂后试样，以上技术方法均不足以用来简单有效地显现致裂后试样内部三维裂缝，且无法保证裂缝面精度。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法，能够提高岩体内部裂缝面重构的准确度，得到符合真实岩体试样内部特征的裂缝面。
5.本发明提供一种基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法，包括如下步骤：
6.步骤1：获取含有裂缝的岩体试样的内部裂缝面切片栅格图像和侧面展布栅格图
像；
7.步骤2：基于内部裂缝面切片栅格图像、侧面展布栅格图像的颜色信息，提取内部矢量裂缝线集合ui和侧面矢量裂缝线集合us：
8.步骤3：获取用来统一内部裂缝面切片栅格图像和侧面展布栅格图像中裂缝的位置信息的相应的定位矢量文件；
9.步骤4：通过相应的定位矢量文件分别对岩体试样内部和表面的矢量裂缝线统一坐标系，获得统一坐标后的内部矢量裂缝线集合和侧面矢量裂缝线集合
10.步骤5：基于距离和角度的双向连接和排序算法，对获得统一坐标后的内部矢量裂缝线集合进行连接和排序，得到新的内部矢量裂缝线集合ui
*
；
11.步骤6：基于法向叉乘和距离的双重约束递归寻优算法，自动确定新的内部矢量裂缝线集合ui
*
中任意裂缝线与裂缝面所属关系，并建立含有所属关系的裂缝线集合g用以自动构面；
12.步骤7：基于裂缝线和裂缝面的法向量比较的边界线构造算法，根据已有裂缝线补充添加边界线，并基于样条曲面和coons曲面算法，将裂缝线集合g中同一裂缝面的若干裂缝线上的点作为曲面控制点，进行试样裂缝面自动重构。
13.在本发明的基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法中，步骤1具体为：
14.步骤1.1：自定义切片厚度，沿试样高度方向进行切割标记，并利用精细切割机对压裂后试样进行切片处理，以获得n个切片；
15.步骤1.2：针对每一个切片，通过相机焦点正对切片中心进行拍摄，以获取岩体试样的内部裂缝面切片栅格图像；通过相机拍摄带有刻度的岩体试样侧面展布，以获取岩体试样的侧面展布栅格图像；由于每一个切片的上下两个面都进行拍摄，获得2n个含有裂缝的切片栅格图像，构成内部裂缝面切片栅格图像集合，以及1个含有裂缝的侧面展布栅格图像。
16.在本发明的基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法中，步骤2具体为：
17.步骤2.1：在qgis软件中，通过geotrace插件，从每一个内部裂缝面切片栅格图像中，提取切片矢量裂缝线子集合，保存为*.dxf文件；将所有内部裂缝面切片栅格图像提取的切片矢量裂缝线子集合组成整个岩体试样的内部矢量裂缝线集合ui＝{ui1,ui2,
…
,uii,
…
,ui
2n
}；
18.步骤2.2：在qgis软件中，通过geotrace插件，从侧面展布栅格图像中，提取侧面矢量裂缝线集合us＝{us1,us2,
…
,usi,
…
,usn}，保存为*.dxf文件。
19.在本发明的基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法中，步骤3具体为：
20.步骤3.1：在qgis软件中，通过geotrace插件，从每一个内部裂缝面切片栅格图像中，描取试样轮廓上的两条线段作为内部定位矢量线段，保存为*.dxf文件，作为切片矢量裂缝线子集合uii的定位矢量文件，将所有内部裂缝面切片栅格图像中提取的内部定位矢量线段组成此岩体试样的内部定位矢量线段集合；
21.步骤3.2：在qgis软件中，通过geotrace插件，从岩体试样的侧面展布栅格图像中，描取岩体试样轮廓上的相互平行的两条边作为侧面定位矢量线段，保存为*.dxf文件，作为侧面矢量裂缝线集合us的定位矢量文件。
22.在本发明的基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法中，步骤4具体为：
23.步骤4.1：建立岩体试样的局部坐标系，以岩体试样底部的中心为原点，以侧面定位矢量线段中的第一条线段的第二端点与原点的连线作为x轴，以岩体试样底部的中心到岩体试样顶部的中心的连线作为z轴，建立直角坐标系；
24.步骤4.2：使用岩体试样的内部定位矢量线段集合通过平移、旋转、缩放、对称操作转换坐标系，将内部矢量裂缝线集合ui转换为岩体试样的统一坐标后的内部矢量裂缝线集合
25.步骤4.3：使用两条侧面定位矢量线段，通过平移、旋转、缩放、对称操作转换坐标系，将侧面矢量裂缝线集合us转换为岩体试样的统一坐标后的侧面矢量裂缝线集合
26.在本发明的基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法中，步骤5具体为：
27.步骤5.1：循环遍历统一坐标系后的内部矢量裂缝线集合计算中任意两个内部裂缝线l1和l2的走向v1和v2的夹角θ，并计算l1的首端点与l2的首端点、尾端点之间的距离d
11
和d
12
,计算l1的尾端点与l2的首端点、尾端点之间的距离d
21
和d
22
之间的最小距离：
28.d＝min(d
11
,d
12d21
,d
22
)
29.步骤5.2：当且时，连接这两个内部裂缝线为一条裂缝线,循环遍历所有内部裂缝线，完成集合的连接操作；其中，为预设的连接夹角阈值，为预设的连接距离阈值；
30.步骤5.3：完成连接操作之后，再次遍历集合中的任意裂缝线l＝{p1,p2,
…
,pi,
…
,pn},pi为l中的点，当l的首端点p1小于尾端点pn，定义临时线t等于l，l清空，按照倒序从n到1，将t中的点逐一加入l中，完成中的任意裂缝线的排序处理；
31.步骤5.4：经过连接和排序处理后的裂缝线组成新的内部裂缝线集合表示第i个栅格图像中的第j个内部矢量裂缝线。
32.在本发明的基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法中，步骤6具体为：
33.步骤6.1：循环遍历新的内部裂缝线集合中的每一条裂缝线同时循环遍历第i 1个栅格图像中的每一个裂缝线计算条裂缝线和的法向的叉乘b,并计算裂缝线和的端点之间的最小平面距离d；
34.步骤6.2：当且时，表明两裂缝线接近平行且垂直投影接近重合，令裂缝线的所属标记为k(0＜k＜n)，与属于同一裂缝面，且该裂缝面标记为k；其中，为预设的构面平行阈值，接近于0；为预设的构面距离阈值，接近于0；
35.步骤6.3：建立空的集合g＝{g1,g2,
…
,gi,
…
,gn}用以存储构面所用的裂缝线，每一个子集gi都用来存储所属标记为i(0＜i＜n)的若干个裂缝线用来构面；按照子集gi中的
裂缝线高度，截断侧面矢量裂缝线集合中的侧边裂缝线，并将介于gi中裂缝线高度内的侧边裂缝线加入gi。
36.在本发明的基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法中，步骤7具体为：
37.步骤7.1：遍历集合g＝{g1,g2,
…
,gi,
…
,gn}的子集gi进行样条曲面构面，当子集gi中的裂缝线个数小于2时，基于仿射变换原理构造一条裂缝线添入gi中；当gi中的裂缝线个数小于4时，基于产状比较的边界线构造算法，计算子集gi中已有两条裂缝线m1,m2的法向量并计算子集gi中已有裂缝线的任意三个端点构成的平面的法向量判断裂缝线相对位置关系，并基于仿射变换理论按照边界位置关系添加两条裂缝线构成接近四边形边界的边界线；
38.步骤7.2：基于样条曲面或者coons曲面，将子集gi中的裂缝线作为约束线计算裂缝曲面，获得当前子集gi约束下的裂缝面。
39.本发明的一种基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法，基于样条曲面和coons曲面算法，使用统一坐标系后的矢量裂缝线，以直观展现和定量描述压裂后试样裂隙的空间形态，为压裂裂隙面几何特征的量化表征及裂隙面渗流特性数值模拟研究提供更为精准的模型基础。
附图说明
40.图1是本发明的一种基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法的流程图。
具体实施方式
41.如图1所示，本发明的一种基于自由曲面的页岩试样内部压裂缝三维重构方法，包括如下步骤：
42.步骤1：获取含有裂缝的岩体试样的内部裂缝面切片栅格图像和侧面展布栅格图像，步骤1具体为：
43.步骤1.1：自定义切片厚度，沿试样高度方向进行切割标记，并利用精细切割机对压裂后试样进行切片处理，以获得n个切片；
44.步骤1.2：针对每一个切片，通过相机焦点正对切片中心进行拍摄，以获取岩体试样的内部裂缝面切片栅格图像；通过相机拍摄带有刻度的岩体试样侧面展布，以获取岩体试样的侧面展布栅格图像；由于每一个切片的上下两个面都进行拍摄，获得2n个含有裂缝的切片栅格图像，构成内部裂缝面切片栅格图像集合，以及1个含有裂缝的侧面展布栅格图像。
45.本实施例中，首先自定义切片厚度，然后沿圆柱试样高度方向进行切割标记，最后利用精细切割机对压裂后试样进行切片处理，以获得圆形切片。获取裂缝面切片栅格图像方法为：首先将所述圆形切片置于带有刻度和角度的标记圈内，然后相机焦点正对所述切片中心进行拍摄，以获取所述切片表面裂缝原始数据。获取裂缝侧面展布栅格图像方法为：首先将透明热塑膜包裹于所述圆柱试样侧面，然后将侧面裂缝勾勒至所述透明热塑膜，最后按照试样高度方向的所述切割标记点展布所述透明热塑膜，并用相机拍摄带有刻度的展
布区域，以获取所述切片侧面裂缝原始数据。
46.所述含有裂缝的岩体试样的内部裂缝面切片栅格图像和侧面展布栅格图像包括颜色信息，所述颜色信息包括每一个点在rgb三个通道的值(r,g,b)。
47.步骤2：基于内部裂缝面切片栅格图像、侧面展布栅格图像的颜色信息，提取内部矢量裂缝线集合ui和侧面矢量裂缝线集合us，步骤2具体为：
48.步骤2.1：在qgis软件中，通过geotrace插件，从每一个内部裂缝面切片栅格图像中，提取切片矢量裂缝线子集合，保存为*.dxf文件；将所有内部裂缝面切片栅格图像提取的切片矢量裂缝线子集合组成整个岩体试样的内部矢量裂缝线集合ui＝{ui1,ui2,
…
,uii,
…
,ui
2n
}；
49.步骤2.2：在qgis软件中，通过geotrace插件，从侧面展布栅格图像中，提取侧面矢量裂缝线集合us＝{us1,us2,
…
,usi,
…
,usn}，保存为*.dxf文件。
50.步骤3：获取用来统一内部裂缝面切片栅格图像和侧面展布栅格图像中裂缝的位置信息的相应的定位矢量文件，步骤3具体为：
51.步骤3.1：在qgis软件中，通过geotrace插件，从每一个内部裂缝面切片栅格图像中，描取试样轮廓上的两条线段作为内部定位矢量线段，保存为*.dxf文件，作为切片矢量裂缝线子集合uii的定位矢量文件，将所有内部裂缝面切片栅格图像中提取的内部定位矢量线段组成此岩体试样的内部定位矢量线段集合；
52.步骤3.2：在qgis软件中，通过geotrace插件，从岩体试样的侧面展布栅格图像中，描取岩体试样轮廓上的相互平行的两条边作为侧面定位矢量线段，保存为*.dxf文件，作为侧面矢量裂缝线集合us的定位矢量文件。
53.步骤4：通过相应的定位矢量文件分别对岩体试样内部和表面的矢量裂缝线统一坐标系，获得统一坐标后的内部矢量裂缝线集合和侧面矢量裂缝线集合步骤4具体为：
54.步骤4.1：建立岩体试样的局部坐标系，以岩体试样底部的中心为原点，以侧面定位矢量线段中的第一条线段的第二端点与原点的连线作为x轴，以岩体试样底部的中心到岩体试样顶部的中心的连线作为z轴，建立直角坐标系；
55.步骤4.2：使用岩体试样的内部定位矢量线段集合通过平移、旋转、缩放、对称操作转换坐标系，将内部矢量裂缝线集合ui转换为岩体试样的统一坐标后的内部矢量裂缝线集合
56.步骤4.3：使用两条侧面定位矢量线段，通过平移、旋转、缩放、对称操作转换坐标系，将侧面矢量裂缝线集合us转换为岩体试样的统一坐标后的侧面矢量裂缝线集合
57.步骤5：基于距离和角度的双向连接和排序算法，对获得统一坐标后的内部矢量裂缝线集合进行连接和排序，得到新的内部矢量裂缝线集合ui*，步骤5具体为：
58.步骤5.1：循环遍历统一坐标系后的内部矢量裂缝线集合计算中任意两个内部裂缝线l1和l2的走向v1和v2的夹角θ，并计算l1的首端点与l2的首端点、尾端点之间的距离d
11
和d
12
,计算l1的尾端点与l2的首端点、尾端点之间的距离d
21
和d
22
之间的最小距离：
59.d＝min(d
11
,d
12d21
,d
22
)
60.步骤5.2：当且时，连接这两个内部裂缝线为一条裂缝线,循环遍历所有内部裂缝线，完成集合的连接操作；其中，为预设的连接夹角阈值，为预设的连接距离阈值；
61.步骤5.3：完成连接操作之后，再次遍历集合中的任意裂缝线l＝{p1,p2,
…
,pi,
…
,pn},pi为l中的点，当l的首端点p1小于尾端点pn，定义临时线t等于l，l清空，按照倒序从n到1，将t中的点逐一加入l中，完成中的任意裂缝线的排序处理；
62.步骤5.4：经过连接和排序处理后的裂缝线组成新的内部裂缝线集合i∈[1,2n],j∈[1,n]，表示第i个栅格图像中的第j个内部矢量裂缝线。
[0063]
步骤6：基于法向叉乘和距离的双重约束递归寻优算法，自动确定新的内部矢量裂缝线集合ui
*
中任意裂缝线与裂缝面所属关系，并建立含有所属关系的裂缝线集合g用以自动构面，步骤6具体为：
[0064]
步骤6.1：循环遍历新的内部裂缝线集合中的每一条裂缝线同时循环遍历第i 1个栅格图像中的每一个裂缝线计算条裂缝线和的法向的叉乘b，并计算裂缝线和的端点之间的最小平面距离d。计算平面距离d的方法与步骤5.1中的计算过程相同，这里不再赘述。
[0065]
步骤6.2：当且时，表明两裂缝线接近平行且垂直投影接近重合，令裂缝线的所属标记为k(0＜k＜n)，与属于同一裂缝面，且该裂缝面标记为k；其中，为预设的构面平行阈值，接近于0；为预设的构面距离阈值，接近于0；
[0066]
步骤6.3：建立空的集合g＝{g1,g2,
…
,gi,
…
,gn}用以存储构面所用的裂缝线，每一个子集gi都用来存储所属标记为i(0＜i＜n)的若干个裂缝线用来构面；按照子集gi中的裂缝线高度，截断侧面矢量裂缝线集合中的侧边裂缝线，并将介于gi中裂缝线高度内的侧边裂缝线加入gi。
[0067]
步骤7：基于裂缝线和裂缝面的法向量比较的边界线构造算法，根据已有裂缝线补充添加边界线，并基于样条曲面和coons曲面算法，将裂缝线集合g中同一裂缝面的若干裂缝线上的点作为曲面控制点，进行试样裂缝面自动重构，步骤7具体为：
[0068]
步骤7.1：遍历集合g＝{g1,g2,
…
,gi,
…
,gn}的子集gi进行样条曲面构面，当子集gi中的裂缝线个数小于2时，基于仿射变换原理构造一条裂缝线添入gi中；当gi中的裂缝线个数小于4时，基于产状比较的边界线构造算法，计算子集gi中已有两条裂缝线m1,m2的法向量并计算子集gi中已有裂缝线的任意三个端点构成的平面的法向量判断裂缝线相对位置关系(接近平行、接近垂直)，并基于仿射变换理论按照边界位置关系添加两条裂缝线构成接近四边形边界的边界线；
[0069]
步骤7.2：基于样条曲面或者coons曲面，将子集gi中的裂缝线作为约束线计算裂
缝曲面，获得当前子集gi约束下的裂缝面。
[0070]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。