有機質(zhì)反射率的數(shù)字圖像實現(xiàn)方法

仰云峰，申寶劍，騰格爾，徐二社

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

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有機質(zhì)反射率的數(shù)字圖像實現(xiàn)方法

仰云峰，申寶劍，騰格爾，徐二社

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

有機質(zhì)反射率參數(shù)是烴源巖評價和盆地?zé)嵫莼费芯康幕A(chǔ)數(shù)據(jù)。目前有機質(zhì)反射率的測量工作主要依靠人工手動方法，人為主觀因素對測量結(jié)果影響較大。從圖像傳感技術(shù)出發(fā)，探尋鏡質(zhì)體反射率與灰度圖像之間的相互關(guān)系，嘗試建立利用鏡質(zhì)體灰度圖像表征反射率值的方法。分別對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地質(zhì)樣品開展了鏡質(zhì)體反射率和灰度級的對應(yīng)測量工作，發(fā)現(xiàn)兩者具有極好的重合特征，表明利用灰度級定量鏡質(zhì)體反射率的方法具有可行性。但對于高過成熟階段，兩者的關(guān)系尚有待深化研究。

數(shù)字圖像；灰度級；鏡質(zhì)體反射率；烴源巖評價

沉積巖中大部分有機質(zhì)來源于植物，而這部分有機質(zhì)隨著地質(zhì)時間的飛逝，經(jīng)歷熱蝕變作用而生成石油和天然氣[1]。鏡質(zhì)體[2]是煤和大多數(shù)沉積有機質(zhì)中基本有機顯微組分之一，來源于成煤植物的細(xì)胞壁或木質(zhì)組織，在顯微鏡下通過它的形狀、形態(tài)、反射色和熒光顏色進行鑒定。鏡質(zhì)體反射率是通過測量鏡質(zhì)體表面反射光強度與入射光強度的百分比來確定的，在固定入射光強度的光學(xué)顯微鏡下，對比樣品中鏡質(zhì)體和已知反射率的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)之間的光電信號值來確定樣品的反射率值。1932年，霍夫曼和詹克訥首先用貝瑞克線性光度計對煤進行研究，發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)體反射率與煤階有關(guān)[3]。由于鏡質(zhì)體反射率測定準(zhǔn)確快速、價格低廉又不具破壞性，后來就作為研究有機質(zhì)從干酪根到烴類轉(zhuǎn)化這一變質(zhì)作用的一個基礎(chǔ)工具，被認(rèn)為是石油勘探工業(yè)中確定熱成熟度的最強大的巖石學(xué)參數(shù)[4-7]。

但是，對于烴源巖而言，反射率測量面對的是巖石中的分散有機質(zhì)[8]，多為碎屑狀，所以反射率測量首先要求測量人員具有很強的有機顯微組分識別能力。目前，沉積巖中鏡質(zhì)體反射率測量方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]只要求提供測量數(shù)據(jù)，而未要求記錄測量數(shù)據(jù)所對應(yīng)的有機質(zhì)顯微形態(tài)的證據(jù)。在面對缺少鏡質(zhì)體的泥盆系以前地層或海相地層，以及高—過成熟階段的地層，加上全球油氣工業(yè)對非常規(guī)頁巖油氣資源的不斷深入勘探，形成這類巖石熱成熟度的測量規(guī)范顯得更加重要[10]。由于前期未記錄有機質(zhì)顯微形態(tài)，對這類巖石熱成熟度測量結(jié)果的復(fù)查也時常發(fā)生。受人為因素影響，實驗室之間的測量結(jié)果的可再現(xiàn)性是一個歷史難題，最終導(dǎo)致測量結(jié)果被質(zhì)疑。

隨著有機質(zhì)成熟度的增加，反射光下有機質(zhì)的顏色由暗黑色逐漸過渡為灰白色。這種顏色變化特征可以指示熱成熟過程，如TAI[11]，CAI[12]等?；赗GB的圖像測試技術(shù)[13]最先應(yīng)用于熱成熟度定量評價，之后Helson等[14]將此技術(shù)應(yīng)用于確定CAI參數(shù)，Yule等[15]應(yīng)用于量化孢粉顏色。事實上，在1986年金奎勵等[16]就開始了將圖像分析技術(shù)應(yīng)用于煤巖學(xué)的探索研究，試圖消除人為主觀經(jīng)驗因素，取代手動方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，2006年出現(xiàn)了煤巖組分自動識別的VB程序[17]。丁華等[18]借助巖石圖像分析軟件，對煤中有機顯微組分的灰度值和形態(tài)特征參數(shù)進行了定量化的系統(tǒng)測試。但這些研究受當(dāng)時數(shù)字采樣技術(shù)的限制，實際測試精度未能達(dá)到廣泛應(yīng)用的要求。目前，單色數(shù)字圖像傳感技術(shù)已取得飛速發(fā)展，為此，筆者利用65 536個灰度級精度的數(shù)字采樣技術(shù)，開展了有機質(zhì)熱成熟度的灰度級表征方法初步探索。

1 數(shù)字圖像原理

多數(shù)圖像是由“照射源”和形成圖像的“場景”元素對光能的反射或吸收而產(chǎn)生的。在顯微鏡系統(tǒng)中，鹵素?zé)艟褪恰罢丈洹痹矗刭|(zhì)樣品就是“場景”元素，顯微鏡就是一個成像系統(tǒng)，將場景元素投影到裝載在顯微鏡上的攝像機圖像平面上，圖像軟件用于顯示和編輯數(shù)字化后的圖像(圖1)。顯微鏡系統(tǒng)中的圖像平面是以二維陣列形式排列的單獨的傳感器，稱為電荷藕合器件圖像傳感器(英文縮寫CCD)。經(jīng)單色CCD捕獲后產(chǎn)生的可編輯數(shù)字化的圖像叫做灰度圖像[19]。

對于有機質(zhì)反射率測定而言，每一個反射率的測點是其灰度圖像中全部包含有機質(zhì)的一小塊區(qū)域，每一小塊區(qū)域包含若干個像素，那么每一個測試區(qū)域可以定義為一個二維函數(shù)f(x，y)，其中x和y是空間(平面)坐標(biāo)，而在任何一對空間坐標(biāo)(x，y)處的幅值f稱為圖像在該點處的灰度，0

圖1 傳感器陣列獲取數(shù)字圖像過程Fig.1 Process of digital image acquisition

根據(jù)以上定義，那么灰度圖像在任何坐標(biāo)(x0，y0)處的灰度表示為g=f(x0，y0)，g的取值范圍為iminrmin=Lmin≤g≤Lmax=imaxrmax，區(qū)間[Lmin，Lmax]稱為灰度級。實際情況下常常令該區(qū)間為[0，2n-1]，其中g(shù)=0為黑色，g=2n-1為白色，n為數(shù)字采樣位數(shù)，由CCD固有條件決定，n越大，灰度分辨率越大，灰度級越多，精度越高。

原則上，截取數(shù)字圖像中有機質(zhì)(鏡質(zhì)體、瀝青等)均勻分布的小塊區(qū)域，統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)所有像素的灰度值，根據(jù)有機質(zhì)灰度值與反射率相關(guān)關(guān)系，可求得該區(qū)域內(nèi)有機質(zhì)的反射率值。根據(jù)以上思路，筆者開展了相關(guān)探索工作，并在以下章節(jié)中詳細(xì)介紹。

2 樣品與實驗方法

2.1 樣品選擇

筆者分別對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地質(zhì)樣品進行了顯微鏡下反射率實測和數(shù)字圖像灰度級計算工作。選取鏡質(zhì)體反射率測試最常用的4個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(表1)，進行反射率實測和灰度級計算。當(dāng)反射率值小于2.0%時，可以得到較好的校正；但當(dāng)反射率值大于2.0%時，由于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)缺乏，反射率的測定存在很大的不確定性，這一部分的反射率測定也是當(dāng)下非常規(guī)油氣資源勘探的重點。

地質(zhì)樣品選取準(zhǔn)噶爾盆地烏參1井深灰色泥巖樣品3個、煤巖樣品4個，以及四川盆地涪陵地區(qū)涪頁4井泥巖樣品3個(表2)。在偏光顯微鏡下對地質(zhì)樣品的有機巖石學(xué)特征進行觀察，有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，泥巖樣品中鏡質(zhì)體包含殼質(zhì)體和惰質(zhì)體，均以碎屑狀分布為主；煤巖樣品中鏡質(zhì)體以結(jié)構(gòu)均質(zhì)鏡質(zhì)體或基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，包含惰質(zhì)體和殼質(zhì)體，多數(shù)結(jié)構(gòu)清晰(圖2)。

表1 反射率測定所涉及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

表2 本文選取的地質(zhì)樣品信息

圖2 地質(zhì)樣品顯微照片F(xiàn)ig.2 Microscopic images of geological samples

2.2 實驗方法

“雙課堂”是指在線網(wǎng)絡(luò)課堂和面授課堂。在線課堂以知識樹形式展開，具備清晰的學(xué)習(xí)脈絡(luò)，全面的知識節(jié)點和時間節(jié)點。學(xué)生可以很方便地自主學(xué)習(xí)，不受時間、空間的影響，還可以安排經(jīng)典的題目進行小組討論，如：子類父類的選取，動態(tài)數(shù)組的使用等等。面授課堂中教師對整班同學(xué)進行集中輔導(dǎo)，梳理教材知識點，并對于重點和難點進行現(xiàn)場演示講解，制定下一次課的預(yù)習(xí)計劃，并對上一次課的復(fù)習(xí)情況進行集中點評，幫助學(xué)生突破線上課程學(xué)習(xí)中遇到的難點。

鏡質(zhì)體反射率是在徠卡DM4500P偏光顯微鏡

和MSP200顯微分光光度計測試系統(tǒng)下按“沉積巖中鏡質(zhì)體反射率測定方法：SY/T 5124—2012”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行測定。同時，在偏光顯微鏡上安裝了16比特采樣位數(shù)的徠卡DFC365 FX單色攝像機進行圖像采集。在固定光源照射總量的前提下，同時獲得了鏡質(zhì)體的反射率值和灰度數(shù)字圖像，數(shù)字圖像的灰度處理采用LabView程序?qū)崿F(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度級關(guān)系

對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實測反射率與灰度級數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隨著反射率的增加，灰度級也逐漸增大，兩者具有很好的線性相關(guān)性。藍(lán)寶石、釔鋁石榴石、釓鎵石榴石和立方氧化鋯4個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的反射率與灰度級擬合曲線方程為Ro=0.041G-1.254，相關(guān)系數(shù)為0.992(圖3a)。藍(lán)寶石、釔鋁石榴石和釓鎵石榴石3個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值擬合曲線方程為Ro=0.033G-0.806，相關(guān)系數(shù)為0.995(圖3b)。雖然高—過成熟度階段，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值之間的相關(guān)性較差，但總體相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98以上，充分說明兩者的相關(guān)性是可靠的。就標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)而言，灰度值是可以用于表征其反射率值的。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率值與灰度值相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between reflectance values and grey levels of standard materials

3.2 地質(zhì)樣品鏡質(zhì)體反射率與灰度級關(guān)系

丁華等[18]對煤中有機顯微組分自動識別的研究發(fā)現(xiàn)，不同煤中鏡質(zhì)組組分灰度級范圍中的上限和下限均隨變質(zhì)程度的增高而增大；同時，在低煤階煤中鏡質(zhì)組的灰度級變化范圍較寬，中煤階煤中鏡質(zhì)組灰度級變化范圍平穩(wěn)，高煤階煤中由于受到各向異性的影響，灰度級范圍也隨之增大。

總體來講，鏡質(zhì)組隨變質(zhì)程度的提高，灰度級呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，但在不同的階段，灰度級的變化范圍是不一樣的，兩者不具有線性相關(guān)關(guān)系(圖4)。測定每個煤階的鏡質(zhì)體最大灰度值和最小灰度值進行作圖分析的方法，對研究鏡質(zhì)組在不同熱演化程度下的各向異性具有意義，而對表征鏡質(zhì)體反射率與灰度級之間的關(guān)系顯然不合理。圖4灰度級測定存在的較大誤差，極大可能是由于CCD精度不夠，所以筆者使用16比特采樣位數(shù)的CCD，灰度級達(dá)到65 536個，而常用的8比特采樣位數(shù)CCD只有256個灰度級。但是，圖4所反映的趨勢可以看出，當(dāng)Ro<2.0%時，鏡質(zhì)組組分灰度級的變化范圍較窄，即灰度級相對集中，那么在精確測定有機質(zhì)灰度級的基礎(chǔ)上，在灰度級直方圖上優(yōu)選出合理數(shù)據(jù)，通過反射率與灰度級的轉(zhuǎn)換公式可以求出對應(yīng)的反射率。當(dāng)Ro>2.0%時，隨著有機質(zhì)各向異性的增強，灰度級分布范圍也不斷擴大，如果能夠確定反射率與灰度級分布范圍之間的關(guān)系，那么通過測定灰度級分布范圍不僅可以確定反射率，還可以定量表示有機質(zhì)的各向異性程度。

筆者在以上啟發(fā)之下，首先對反射率小于2.0%的地質(zhì)樣品反射率與灰度級之間的關(guān)系開展了相關(guān)研究。有機質(zhì)灰度值計算采用微小測區(qū)代表測點的方法，這與常規(guī)鏡質(zhì)體反射率測試中的測點概念是一致的。微小測區(qū)根據(jù)有機質(zhì)的特征調(diào)節(jié)，所以能最大程度地代表一個有機質(zhì)顆粒的全部反射率信息，可以是任意大小的正方形或矩形，也可以是單個像素點。對徠卡DFC365 FX攝像機而言，單個像素點的大小為0.156 μm。通常情況下，一個微小測區(qū)包含幾百至幾千個像素點，每一個像素有一個灰度級，用所有像素點的平均值來代表一個微小測區(qū)的灰度級，這樣處理的優(yōu)點是削弱了單個像素不均勻性產(chǎn)生的誤差，更具有代表性。

圖4 鏡質(zhì)組組分的灰度值變化范圍[18]Fig.4 Variation of grey levels of vitrinites

從表2中不同熱演化程度的地質(zhì)樣品鏡質(zhì)體反射率測定結(jié)果來看，10個樣品142個測點的鏡質(zhì)體反射率分布在0.57%～1.58%。圖5展示了實測鏡質(zhì)體反射率值與灰度級之間的相互關(guān)系，隨著實測鏡質(zhì)體反射率的增大，灰度級逐漸增大，兩者具有較好的線性相關(guān)關(guān)系，直線擬合方程為Ro=0.034G-0.88，相關(guān)系數(shù)為0.97。對于實際地質(zhì)樣品而言，采用灰度級參數(shù)表示反射率也是可行的。

3.3 結(jié)果討論

從以上分析得出，在Ro<2.0%區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度級具有很好的線性相關(guān)性，擬合線性方程為Ro=0.033G-0.806，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.995。地質(zhì)樣品實測反射率與灰度級也具有較好的線性相關(guān)性，擬合線性方程為Ro=0.034G-0.88，相關(guān)系數(shù)為0.97。兩條擬合直線基本重合(圖6)，說明當(dāng)Ro<2.0%時，只要測定樣品中有機質(zhì)的灰度級就可以通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度級相關(guān)關(guān)系，求取該點的反射率，該種方法將對反射率的自動化測試系統(tǒng)開發(fā)具有深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)Ro>2.0%時，由于有機質(zhì)自身的各向異性增強，不均一性更加明顯(圖4)，尤其是固體瀝青在同一視域下會顯示不同的反射色，有機質(zhì)灰度值對反射率值的代表性有待進一步研究，過成熟階段的有機質(zhì)灰度值分布范圍可能會成為定量表征有機質(zhì)各向異性和反射率的重要參數(shù)。

圖5 烴源巖樣品實測鏡質(zhì)體反射率與灰度值關(guān)系Fig.5 Relationship between vitrinite reflectance values and grey levels of geological samples

圖6 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地質(zhì)樣品反射率與灰度值關(guān)系Fig.6 Reflectance values and grey levels between standard materials and geological samples

4 結(jié)論

(1)一個有機質(zhì)區(qū)域可以看作由若干個像素點構(gòu)成的數(shù)字圖像，每個像素有一個灰度值，灰度值的大小取決于數(shù)字采樣位數(shù)，采樣位數(shù)越大，灰度值越多，精度越高。

(2)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值之間具有極好的線性相關(guān)性。通過地質(zhì)樣品的鏡質(zhì)體反射率和灰度值分析，發(fā)現(xiàn)隨著實測鏡質(zhì)體反射率的增大，灰度值逐漸增大，兩者亦具有很好的線性相關(guān)性。

(3)Ro<2.0%時，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)反射率與灰度值的線性關(guān)系和地質(zhì)樣品鏡質(zhì)體反射率與灰度值的線性關(guān)系基本重合，說明利用鏡質(zhì)體的灰度值確定反射率值的方法切實可行。

(4)Ro>2.0%時，由于有機質(zhì)自身的各向異性增強，灰度值分布范圍也不斷擴大，兩者的定量關(guān)系有待進一步深入研究。

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(編輯 韓 彧)

Determination of reflectance of organic matter by digital image processing

Yang Yunfeng, Shen Baojian, Tenger, Xu Ershe

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

The reflectance of organic matter is a basic parameter for source rock assessment and thermal evolution history study in a basin. At present, the main technique for reflectance measurement is manual despite heavy operator influence on the results. This paper discussed the relationship between vitrinite reflectance and grey level determination by digital image processing, and tried to determine the vitrinite reflectance by grey level. Simultaneous measurements of vitrinite reflectance values and grey levels were implemented on standard materials and geological samples. The trends of vitrinite reflectance values and grey levels coincide with each other, which demonstrate that it is feasible to quantify the vitrinite reflectance using grey level. For high-over maturity, however, more research is needed.

digital image; grey level; vitrinite reflectance; source rock evaluation

1001-6112(2017)04-0562-05

10.11781/sysydz201704562

2016-10-16；

2017-05-09。

仰云峰(1982—)，男，工程師，從事生烴母質(zhì)與有機質(zhì)熱演化程度評價、頁巖微觀孔隙與滲透性及氣體在頁巖中流動機理研究。E-mail：yangyf.syky@sinopec.com。

國家科技重大專項“重點層系頁巖氣生成與儲集機理研究”下屬專題“泥頁巖成烴生物與烴源品質(zhì)研究”(2017ZX05036002-003)資助。

TE135

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