團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制說明

數(shù)字巖心CT圖像的二值化處理方法

BinarizationstandardfordigitalcoreCTimages

起草單位：中國(guó)石油大學(xué)（北京）

起草時(shí)間：2024年7月1日

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一、工作簡(jiǎn)況

1.任務(wù)來源

在數(shù)字巖心建模的過程中，如何進(jìn)行合理的圖像分割以精確提取孔隙度十分重要，一般

對(duì)于數(shù)字巖心的閾值分割會(huì)選擇實(shí)測(cè)孔隙度進(jìn)行標(biāo)定。但由于CT掃描的分辨率與視域范圍存

在固有矛盾，即掃描分辨率越高，視域范圍越小，因此在保證高分辨率成像的同時(shí)需要采用

對(duì)巖心全覆蓋的CT掃描成像，同時(shí)利用核磁分析和氦氣孔隙度測(cè)量可以反算當(dāng)前掃描分辨率

下的絕對(duì)孔隙度。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)確定的孔隙度與通過本標(biāo)準(zhǔn)確定的計(jì)算孔隙度一致時(shí)，即可得

到經(jīng)實(shí)測(cè)孔隙度標(biāo)定的二值化CT數(shù)據(jù)。但目前國(guó)內(nèi)還缺乏相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此

有必要提供專門的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。本文件的制定任務(wù)主要來源于自選課題，并得到了國(guó)家科技

重大專項(xiàng)課題“下古生界－前寒武系地球物理勘探關(guān)鍵技術(shù)研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金“針

對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的跨頻段（從地震頻率—超聲頻率）巖石物理實(shí)驗(yàn)與建模研究”以及“跨頻

段巖石物理實(shí)驗(yàn)與理論驅(qū)動(dòng)的地震速度頻散成像研究”的資助。

2022年7月20日，中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)綠盟(以下簡(jiǎn)稱中綠盟)發(fā)布了《關(guān)于征集2022

年度團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的通知》。按照通知要求，項(xiàng)目組提交了《數(shù)字巖心CT圖像的二值化處理

方法標(biāo)準(zhǔn)》的中綠盟團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)提案表。2022年8月1日，經(jīng)中綠盟研究決定,發(fā)布了《2022年

度團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制訂計(jì)劃》。

2.起草單位、參編單位

本文件起草單位：中國(guó)石油大學(xué)（北京）、中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院

本文件參編單位：中國(guó)石油大學(xué)（北京）、中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院

3、主要起草人

文件的主要起草人：趙建國(guó)、李闖、張宇、閆博鴻、李智。

表1主要起草人所做的主要工作

序號(hào)姓名工作單位主要工作

1趙建國(guó)中國(guó)石油大學(xué)（北京）項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人

2李闖中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人

3張宇中國(guó)石油大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)理論分析

4閆博鴻中國(guó)石油大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)理論分析

5李智中國(guó)石油大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

二、制定標(biāo)準(zhǔn)的必要性和意義

隨著我國(guó)發(fā)展對(duì)油氣資源的需求不斷增加，油氣田的勘探和開發(fā)逐步由常規(guī)儲(chǔ)層轉(zhuǎn)向非

常規(guī)儲(chǔ)層。針對(duì)以上復(fù)雜儲(chǔ)層，巖石物理實(shí)驗(yàn)遇到了諸多困難，如低孔隙度低滲透率巖石驅(qū)

2

替困難，裂縫發(fā)育的碳酸鹽巖難以取到有代表性的巖心，頁巖和油砂很難開展巖石物理實(shí)驗(yàn)

等。同時(shí)，巖石物理實(shí)驗(yàn)無法定量研究?jī)?chǔ)層微觀參數(shù)對(duì)巖石宏觀物理屬性的影響。反映巖石

微觀結(jié)構(gòu)的孔隙模型由最初的毛細(xì)管模型發(fā)展到了網(wǎng)絡(luò)模型再到愈滲網(wǎng)絡(luò)模型，這些模型都

對(duì)巖石的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以根據(jù)巖石微觀結(jié)構(gòu)信息重建反

映巖石真實(shí)孔隙空間的三維數(shù)字巖心?；谌S數(shù)字巖心借助于數(shù)值算法可以進(jìn)行巖石物理

實(shí)驗(yàn)?zāi)M，這種方法被稱為數(shù)字巖石物理或計(jì)算巖石物理?；赬射線CT技術(shù)獲取的巖心

圖像，孔隙結(jié)構(gòu)清晰、準(zhǔn)確，是最直接、最準(zhǔn)確的方法，但是由于掃描、處理、分割流程缺

乏標(biāo)準(zhǔn)約束，使得孔隙結(jié)構(gòu)提取結(jié)果受操作者主觀影響強(qiáng)烈，這在一定程度上限制了該技術(shù)

的應(yīng)用與推廣。而圖像二值化處理是獲取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中最重要的處理步驟，簡(jiǎn)單、合理的

處理流程與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有助于數(shù)字巖石物理領(lǐng)域，尤其是數(shù)字巖心建模技術(shù)方面的發(fā)展。

所以，本文件基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，提出一套適用于數(shù)字巖心CT圖像的二值化處理方法的技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)，它可為CT圖像的二值化處理提供統(tǒng)一的技術(shù)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

三、主要起草過程

1、前期準(zhǔn)備

2023年12月-2024年4月，開展了前期研究與資料收集工作，包括巖心建模、CT掃描成

像等工作，探討立項(xiàng)的必要性和結(jié)構(gòu)要點(diǎn)，為本標(biāo)準(zhǔn)編制打下了良好基礎(chǔ)。

2、標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)

2024年8月，在中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的指導(dǎo)下，成立標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)，標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)

就《數(shù)字巖心CT圖像的二值化處理方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)研制工作召開了專題會(huì)議，擬定了標(biāo)準(zhǔn)編

制工作方案，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制工作進(jìn)行總體部署和任務(wù)分工，力求科學(xué)性和實(shí)用性。

3、確定標(biāo)準(zhǔn)編制原則

標(biāo)準(zhǔn)編制團(tuán)隊(duì)在充分研究國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的綠色礦山發(fā)展相關(guān)政策及要求，在巖心建模的基礎(chǔ)

上，確定了本標(biāo)準(zhǔn)的編制原則。

4、標(biāo)準(zhǔn)起草過程

①立項(xiàng)。2023年7月，成立標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)，召開專題會(huì)議，擬定了標(biāo)準(zhǔn)編制工作方案，

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制工作進(jìn)行總體任務(wù)部屬和任務(wù)分工，力求科學(xué)性和實(shí)用性。

②擬定初稿。2023年10月，標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)在中國(guó)知網(wǎng)等網(wǎng)站廣泛收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)數(shù)字巖

心的二值化處理方法的法律法規(guī)、規(guī)章、相關(guān)政策文件、標(biāo)準(zhǔn)，以及網(wǎng)站報(bào)道，期刊論文等

材料，并對(duì)其進(jìn)行綜合分析整理，搭建了標(biāo)準(zhǔn)編制的框架，完成了標(biāo)準(zhǔn)初稿。

③實(shí)驗(yàn)論證。2022年7月-2022年11月，進(jìn)行相應(yīng)的巖心建模實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，

3

選取合適的方法進(jìn)行二值化處理，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)初稿進(jìn)行內(nèi)容填充和細(xì)節(jié)完善。

④內(nèi)部研討。2023年12月，標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)就標(biāo)準(zhǔn)初稿召開了多次內(nèi)部討論會(huì)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)

行反復(fù)修改，形成了標(biāo)準(zhǔn)工作組討論稿，并明確了標(biāo)準(zhǔn)化需求和標(biāo)準(zhǔn)研制重點(diǎn)方向。

⑤確定終稿。2023年12月-2024年6月，在相關(guān)討論和修改的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果、

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、參數(shù)提取精度，最終確定了標(biāo)準(zhǔn)的終稿。

四、制定標(biāo)準(zhǔn)的原則

堅(jiān)持高起點(diǎn)、嚴(yán)要求與適宜性、可操作性相結(jié)合原則。高起點(diǎn)即標(biāo)準(zhǔn)編制所涉及的原材

料及產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)不低于目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量指標(biāo)；嚴(yán)要求即標(biāo)準(zhǔn)的編

制應(yīng)嚴(yán)格遵循GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的

規(guī)定及相關(guān)法律法規(guī)的要求；適宜性既要充分考慮到行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)，又要有一個(gè)適

宜的范圍與程度，從而提高標(biāo)準(zhǔn)貫徹實(shí)施的可操作性。

五、與現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。

本標(biāo)準(zhǔn)符合國(guó)家環(huán)保、安全生產(chǎn)等方面的相關(guān)法律；

本標(biāo)準(zhǔn)符合GB/T1.1-2020中的規(guī)定；

本標(biāo)準(zhǔn)與其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化文件無沖突。

六、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容說明

本標(biāo)準(zhǔn)提出了適用于數(shù)字巖心CT圖像的二值化處理的技術(shù)要求，主要包括實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)

定及分級(jí)要求等內(nèi)容，適用于利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算，對(duì)CT圖像進(jìn)行二值化處理。本標(biāo)準(zhǔn)

中涉及的主要的技術(shù)指標(biāo)和調(diào)研報(bào)告如下：

附件1:《原理》；

附件2:《處理流程》；

七、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的措施建議

1.組織措施

在中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的組織協(xié)調(diào)下，以標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)成員為主，成立標(biāo)準(zhǔn)宣貫小

組。

2.技術(shù)措施

組織撰寫標(biāo)準(zhǔn)宣貫材料，組織標(biāo)準(zhǔn)宣貫培訓(xùn)，爭(zhēng)取標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施后盡快在低頻巖石物理

實(shí)驗(yàn)中推廣應(yīng)用。

附件1：

方法原理

4

在數(shù)字巖心建模的過程中，如何進(jìn)行合理的圖像分割以精確提取孔隙十分重要，一般對(duì)

于數(shù)字巖心的閾值分割會(huì)選擇實(shí)測(cè)孔隙度進(jìn)行標(biāo)定。但由于CT掃描的分辨率與視域范圍存在

固有矛盾，即掃描分辨率越高視域范圍越小，因此在保證高分辨率成像的同時(shí)需要采用對(duì)巖

心全覆蓋的CT掃描成像。同時(shí)利用核磁分析和氦氣孔隙度測(cè)量可以反算當(dāng)前掃描分辨率下的

絕對(duì)孔隙度。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)確定的與通過本標(biāo)準(zhǔn)確定的計(jì)算孔隙度一致時(shí)，即可得到二

值化的CT數(shù)據(jù)。

附件2：

處理流程

在進(jìn)行了高分辨率的全巖心建模后，就可以應(yīng)用巖心實(shí)測(cè)氦氣孔隙度與核磁T2譜進(jìn)行標(biāo)

定，反向確定閾值，達(dá)到計(jì)算孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度的統(tǒng)一，但由于切片上往往存在大量像素

點(diǎn)的灰度等于閾值灰度，為盡可能合理的完成計(jì)算孔隙度與實(shí)際孔隙含量的完全統(tǒng)一，本標(biāo)

準(zhǔn)建立了如下分割方案：

a)通過全巖心CT掃描在一定分辨率下獲得覆蓋整塊巖心視域的三維CT數(shù)據(jù)；

b)通過實(shí)測(cè)氦氣孔隙度與核磁T2譜反映的孔徑分布，可以獲得在此掃描分辨率下

的實(shí)際孔隙含量；

c)通過確定三維CT數(shù)據(jù)體的閾值灰度，將灰度小于閾值灰度的所有像素點(diǎn)均計(jì)為孔

隙點(diǎn)；

d)在全巖心模型內(nèi)尋找所有灰度等于閾值灰度的像素點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)這些像素點(diǎn)相鄰的26

個(gè)體素單元內(nèi)（正方體區(qū)域內(nèi)，如圖1）的孔隙點(diǎn)個(gè)數(shù)；

e)按照統(tǒng)計(jì)的孔隙點(diǎn)個(gè)數(shù)（0到26個(gè)）將灰度等于閾值灰度的像素點(diǎn)分為27類，周圍

孔隙點(diǎn)個(gè)數(shù)越多的像素將其優(yōu)先計(jì)為孔隙點(diǎn)，依此確定閾值類別N，高于這一類別N

的均計(jì)為孔隙（如圖2）；

f)由于閾值類別N內(nèi)依舊存在多個(gè)像素點(diǎn)待分割（如圖3紅框內(nèi)），以實(shí)現(xiàn)計(jì)算孔隙

度與實(shí)際孔隙含量完全吻合，但該類內(nèi)的像素點(diǎn)周圍孔隙點(diǎn)數(shù)已相等，這里僅將類

內(nèi)像素點(diǎn)做隨機(jī)選取，直至計(jì)算孔隙度與實(shí)際孔隙含量完全相等，并以此為二值化

處理效果的判別標(biāo)準(zhǔn)，最終輸出二值化圖像（如圖3）。