一种基于二维岩心结构的多尺度快速模拟退火建模方法

技术领域

本发明涉及岩心三维建模及地质建模领域，特别是涉及一种基于二维岩心结构的多尺度快速模拟退火建模方法。

背景技术

岩心物理实验是石油地质勘探的基础，传统岩心物理实验只能对岩心物理特性做定性解释，而且岩心物理实验周期长，成本高，在极端条件下(如低孔低渗等)误差较大。近年来，数字岩心分析技术获得了飞速发展，为研究油气储层宏观物理性质提供了一种行之有效的手段。数字化的岩心三维微观结构是研究岩心物理性质，揭示岩心微观结构中油气水的流动、分布规律的基础，如何将岩心三维结构数字化，为石油地质部门服务，模拟退火算法是构建数字岩心三维结构重要的方法，该算法在构建数字岩心三维结构时，可以考虑任意多的目标函数用以度量二维图像与三维结构的特征，在构建岩心三维结构时以两者目标函数的误差为能量做约束，计算二维图像与重建三维结构的相似度，从而再现复杂的地学岩心结构特征，传统的模拟退火方法在建立数字岩心结构时存在费时较长、孤立点较多等缺点。

发明内容

本发明的目的提供一种基于二维岩心结构的多尺度快速模拟退火建模方法，包括分层与合成，具体步骤为：

S1、首先对读入的二维图像进行不同尺度的分层(S，S-1，...，0尺度)，获取一系列重建参考图像；

S2、重建从最粗的尺度S开始，根据尺度S图像所包含的相数和相所占的百分比产生一个随机图像作为初始状态，选取两点概率函数作为能量函数，并设定初始条件；

S3、随机选取不同相的两点并交换，产生新的状态；

S4、计算新状态与旧状态所对应的目标函数差△E，判断新状态是否被接受，判断接受依据是Metropolis准则；

S5、判断在该尺度下是否满足结束条件，若不满足进行下次迭代，若满足结束条件，则判断该尺度是否为0，若为0则整个重建结束，若不为0则S 尺度重建完成，并对重建结果进行形态学腐蚀操作；

S6、尺度S重建图像合成尺度S-1图像，并依据尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比，随机改变合成尺度S-1结构中被腐蚀的结构状态，使合成尺度S-1结构中岩石相和孔隙相所占的百分比，与尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比相同，并将该结构作为尺度S-1下的初始结构，重新设定初始条件，并以原始图像中尺度为S-1的图像作为参考图像，重复S3--S6步；

S7、在尺度S-1结构下再应用模拟退火方法重建该尺度的结构，重复上述过程直到完成尺度0的重建，则基于二维岩心结构的多尺度快速模拟退火建模方法重建完成。

进一步的，所述分层过程主要是为了获取一系列原始参考图像，所述合成过程则是对不同尺度下重建的结构按一定规则合成下一尺度的结构，并将合成的结构作为下一尺度重建结构的初始结构。

进一步的，所述从最粗尺度S开始进行模拟退火方法重建，然后对最粗尺度S重建结果的孔隙相和岩石相进行形态学的腐蚀操作，被腐蚀的结构位置用像素值128标定。

进一步的，所述被腐蚀的结构作为自由状态参与到下一尺度的重建，未被腐蚀的结构作为稳定状态不再参与模拟退火算法中像素点的选取。

进一步的，所述对腐蚀后的结构按照合成规则合成细尺度S-1结构，并依据尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比。

进一步的，所述随机改变合成尺度S-1结构中被腐蚀的结构状态，使合成尺度S-1结构中岩石相和孔隙相所占的百分比，与尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比相同，并将该结构作为尺度S-1下的初始结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所构建的数字岩心结构，除了尺度0在每个尺度下对重建结果做腐蚀操作，都为下一尺度重建做了一次修正，提高建模效果，由于在每个尺度下仅有很少一部分像素点参与模拟退火的重建，本发明算法能够快速的实现数字岩心结构建模。

附图说明

图1为本发明中基于二维岩心结构的多尺度快速模拟退火建模方法流程示意图；

图2为本发明分层规则与合成规则示意图；

图3为本发明二维重建参考图像尺度原始图；

图4为本发明二维重建参考图像尺度1的结果图；

图5为本发明二维重建参考图像尺度2的结果图；

图6为本发明二维重建参考图像尺度3的结果图；

图7为本发明二维模拟退火重建的结果图；

图8为本发明尺度3重建的结果图；

图9为本发明尺度3腐蚀后结构图；

图10为本发明尺度2重建的结果图；

图11为本发明尺度2腐蚀后结构图；

图12为本发明尺度1重建结果图；

图13为本发明尺度1腐蚀后结构图；

图14为本发明尺度0重建结果图；

图15为本发明二维退火重建参考图像尺度原始图；

图16为本发明二维退火重建参考图像尺度1结果图；

图17为本发明二维退火重建参考图像尺度2结果图；

图18为本发明二维退火重建参考图像尺度3结果图；

图19为本发明二维退火重建结果图；

图20为本发明二维退火重建参考图像尺度3结果图；

图21为本发明二维退火重建参考图像尺度3腐蚀后结构图；

图22为本发明二维退火重建参考图像尺度2结果图；

图23为本发明二维退火重建参考图像尺度2腐蚀后结构图；

图24为本发明二维退火重建参考图像尺度1结果图；

图25为本发明二维退火重建参考图像尺度1腐蚀后结构图；

图26为本发明二维退火重建参考图像尺度0结果图；

图27为本发明三维退火重建参考图像尺度原始图；

图28为本发明三维退火重建参考图像尺度1结果图；

图29为本发明三维退火重建参考图像尺度2结果图；

图30为本发明三维退火重建结果图；

图31为本发明三维退火重建参考图像尺度2结果图；

图32为本发明三维退火重建参考图像尺度2腐蚀后结构图；

图33为本发明三维退火重建参考图像尺度1结果图；

图34为本发明三维退火重建参考图像尺度1腐蚀后结构图；

图35为本发明三维退火重建参考图像尺度0结果图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于二维岩心结构的多尺度快速模拟退火建模方法，包括分层与合成，具体步骤为：

S1、首先对读入的二维图像进行不同尺度的分层(S，S-1，...，0尺度)，获取一系列重建参考图像；

分层：x

在尺度为S的图像中，{i

S2、重建从最粗的尺度S开始，根据尺度S图像所包含的相数和相所占的百分比产生一个随机图像作为初始状态，选取两点概率函数作为能量函数，并设定初始条；

本发明利用两点概率函数作为能量函数，其计算公式为：

其中，E(x

S3、随机选取不同相的两点并交换，产生新的状态；

S4、计算新状态与旧状态所对应的目标函数差△E，判断新状态是否被接受，判断接受依据是Metropolis准则；

其中，ΔE为新状态的能量E′和旧状态的能量E的差，T是温度，由冷却进度表决定T的初始值和变化速度；

S5、判断在该尺度下是否满足结束条件，若不满足进行下次迭代，若满足结束条件，则判断该尺度是否为0，若为0则整个重建结束，若不为0则S 尺度重建完成，并对重建结果进行形态学腐蚀操作，被腐蚀的结构位置用像素值128标定；

S6、尺度S重建图像合成尺度S-1图像，并依据尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比，随机改变合成尺度S-1结构中被腐蚀的结构状态，使合成尺度S-1结构中岩石相和孔隙相所占的百分比，与尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比相同，并将该结构作为尺度S-1下的初始结构，重新设定初始条件，并以原始图像中尺度为S-1的图像作为参考图像，重复S3-S6步；

S7、在尺度S-1结构下再应用模拟退火方法重建该尺度的结构，重复上述过程直到完成尺度0的重建，则基于二维岩心结构的多尺度快速模拟退火建模方法重建完成。

合成：尺度S重建图像合成尺度S-1结构的规则如下：

如果

在合成过程中，粗尺度图像中像素值为0或255时，其在合成到下一尺度之后，这些位置的像素点不再参与模拟退火算法中像素点的选取，这些位置的像素点称为稳相点，在合成细尺度后，与像素值128对应的合成位置的像素值随机改为0或255，这些位置上的像素值作为自由状态参与细尺度的重建。

进一步的，所述分层过程主要是为了获取一系列原始参考图像，所述合成过程则是对不同尺度下重建的结构按一定规则合成下一尺度的结构，并将合成的结构作为下一尺度重建结构的初始结构。

进一步的，所述从最粗尺度S开始进行模拟退火方法重建，然后对最粗尺度S重建结果的孔隙相和岩石相进行形态学的腐蚀操作。

进一步的，所述被腐蚀的结构作为自由状态参与到下一尺度的重建，未被腐蚀的结构作为稳定状态不再参与模拟退火算法中像素点的选取。

进一步的，所述对腐蚀后的结构按照合成规则合成细尺度S-1结构，并依据尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比。

进一步的，所述随机改变合成尺度S-1结构中被腐蚀的结构状态，使合成尺度S-1结构中岩石相和孔隙相所占的百分比，与尺度S-1参考图像中孔隙相和岩石相所占的百分比相同，并将该结构作为尺度S-1下的初始结构。

实施例一：

表一给出了模拟退火算法和本发明设计重建二维实验所用时间，从表中可以看出本发明所用时间是模拟退火算法的四分之一左右。

实施例二：

表二给出了三维实验案例重建所用时间，模拟退火算法的计算耗时是 3925秒，本发明算法的计算耗时是1461秒，本发明算法的计算效率相比模拟退火算法大致提升了3倍，二维和三维实验都证明了本发明设计能够快速的重建出岩心结构。

表一

表二

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。