用于改進(jìn)由巖石樣品的材料特性的直接數(shù)值模擬以及確定材料特性的不確定性的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于改進(jìn)由巖石樣品的材料特性的直接數(shù)值模擬以及確定 材料特性的不確定性的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)是2013年3月15日提出的同時(shí)待決申請(qǐng)S.N. 13/836, 483的部分接續(xù)申 請(qǐng)，該申請(qǐng)以引用方式并入本文中。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明
[0004] 不適用。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本公開總體上涉及用于分析材料樣品的三維數(shù)字體積以確定取樣材料的特性的 方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0006] 對(duì)于地下巖層的材料特性，也稱為物理特性或巖石物理特性，的了解對(duì)于評(píng)估地 球中的油氣儲(chǔ)層和制定關(guān)于這些儲(chǔ)層的開發(fā)策略是重要的。通常，感興趣的巖層的樣品經(jīng) 受物理實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以確定這些材料特性。然而，這些試驗(yàn)通常是耗時(shí)且昂貴的。因此，需要 開發(fā)以基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法的時(shí)間和成本的小部分來獲得地下巖石的材料特性的可靠估 計(jì)的技術(shù)。
[0007] 由巖石的數(shù)字圖像的材料特性的直接數(shù)值模擬是旨在實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一種有前景 的技術(shù)。為了利用該方法來確定材料特性，拍攝巖石樣品的X射線斷層圖像，且對(duì)數(shù)字圖像 體積應(yīng)用計(jì)算實(shí)驗(yàn)以模擬特定物理實(shí)驗(yàn)?？墒褂迷摮Ｒ?guī)方法來確定材料特性，諸如孔隙率、 絕對(duì)滲透率、相對(duì)滲透率、地層因數(shù)、彈性模量等。
[0008] 直接數(shù)值模擬具有在實(shí)質(zhì)上比實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出的材料特性所需的時(shí)限短的時(shí)限內(nèi)，提供 困難巖石類型，諸如致密砂巖氣或碳酸鹽，的材料特性的潛力。這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)進(jìn)行特定實(shí) 驗(yàn)，諸如完全水飽和，所需的物理?xiàng)l件的過程可相當(dāng)緩慢。相比之下，可容易且迅速地實(shí)現(xiàn) 再現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的模擬數(shù)值條件。
[0009] 對(duì)于多數(shù)巖石類型，必需獲取巖石的高分辨率圖像以解析其孔隙空間。這通常需 要對(duì)較小巖石樣品，例如從諸如巖柱（plug)、旋轉(zhuǎn)巖心（core)或整個(gè)巖心的較大巖石樣品 提取的樣品，拍攝圖像。然而，在巖石的此種較小成像部分內(nèi)，可能不會(huì)始終良好地表示孔 隙系統(tǒng)非均勻性。在一些狀況下，對(duì)于孔隙系統(tǒng)，計(jì)算域過小，且所計(jì)算的材料特性圍繞巖 石的實(shí)際值顯著波動(dòng)。
[0010] 在從實(shí)驗(yàn)獲取的圖像進(jìn)行材料特性的常規(guī)直接數(shù)值模擬中，該問題通常被忽略。 而是，計(jì)算是對(duì)可從圖像提取的最大的可能體積執(zhí)行，而不考慮計(jì)算域是否適用于孔隙系 統(tǒng)。因此，所計(jì)算的材料特性可由于缺乏孔隙系統(tǒng)代表性而出現(xiàn)錯(cuò)誤。
[0011] 為了確定所計(jì)算的材料特性是否因缺乏孔隙系統(tǒng)代表性而受到影響，有時(shí)執(zhí)行典 型單元體（REV)分析。該方法是定量的，這是因?yàn)槿绻境龃嬖诘湫蛦卧w，那么還確定其 大小。通過進(jìn)行該分析，能夠直接評(píng)估孔隙尺度可變性和孔隙依賴性對(duì)材料特性的影響。
[0012] 傳統(tǒng)上，已將REV定義為巖石的體積范圍，從該體積范圍，計(jì)算實(shí)驗(yàn)或物理測(cè)量將 返回代表較大的或宏觀的均勻巖體的值。即，REV被定義為從樣品體積計(jì)算或測(cè)量的物理 參數(shù)不取決于整個(gè)巖體內(nèi)的樣品體積的特定位置的樣品體積大小。相比之下，來自對(duì)小于 REV的體積的計(jì)算域或巖石樣品進(jìn)行的計(jì)算測(cè)量或?qū)嶒?yàn)的數(shù)據(jù)可能不會(huì)在宏觀上準(zhǔn)確地表 示巖體的孔隙系統(tǒng)，而所計(jì)算或測(cè)量的物理參數(shù)將取決于巖體內(nèi)的計(jì)算域的位置而變化。 隨著樣品體積的大小接近REV的大小，所計(jì)算或測(cè)量的參數(shù)將趨向于實(shí)際典型值。只要不 存在宏觀尺度非均勻性，對(duì)大于典型體積的體積大小執(zhí)行的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)將返回與關(guān)于被定 義為REV的體積而獲得的值均等的值（即，典型值）。
[0013] 圖1圖示出針對(duì)多孔介質(zhì)的孔隙率的REV的傳統(tǒng)定義。在圖1中，樣品體積被以 AV1表示，REV體積被以AV。表示，且Ii1表示空隙空間體積除以樣品的體積。在取樣體積 AV'AV。中，僅存在少數(shù)孔隙和顆粒。該情形示出在圖2的左側(cè)窗格中，其中，樣品體積 AV1小于REVAV。，且不包含足量的孔隙和顆粒來允許確定孔隙率的物理上有意義的統(tǒng)計(jì) 平均值。因此，這些樣品體積上的孔隙率計(jì)算將趨向于反映局部孔隙尺度可變性，而不是準(zhǔn) 確地表示整個(gè)多孔介質(zhì)的孔隙率。隨著樣品體積大小進(jìn)一步減小到REV以下，取決于樣品 體積的質(zhì)心P碰巧位于孔隙還是顆粒內(nèi)，所計(jì)算的空隙空間與總體積的比將接近一或零。 在這狀況下，值Ii1由孔隙空間的局部微觀尺度可變性主導(dǎo)。
[0014] 另一方面，大小為REVAV?；騌EVAV。以上的樣品體積AV1含有足量的孔隙和顆粒 而允許從樣品確定整個(gè)巖石的物理上有意義的統(tǒng)計(jì)平均值。這示出在圖2的右側(cè)窗格中， 其中，樣品體積AV1大于REVAV。，由此體積的孔隙率計(jì)算將反映多孔介質(zhì)的實(shí)際孔隙率值 (即，相對(duì)孔隙空間Ii1= (6)。對(duì)于均勻多孔介質(zhì)的樣品體積AV1AAVid,所計(jì)算或所測(cè)量 的孔隙率基本上恒定于如在REV樣品體積大小下表示的相同孔隙率。然而，對(duì)于不均勻的 多孔介質(zhì)，即使在大量樣品體積AV，〉A(chǔ)V。上，宏觀尺度的不均勻性也將會(huì)導(dǎo)致孔隙率的 波動(dòng)。
[0015] REV的這種經(jīng)典定義鞏固了多孔材料的材料特性的定義的連續(xù)統(tǒng)框架。即，孔隙 率、滲透率、地層因數(shù)等全部被定義為REV體積下的微觀特性的體積平均值。然而，針對(duì)一 種材料特性，諸如孔隙率，的REV可未必是針對(duì)另一材料特性，諸如滲透率，的REV。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)于用于分析材料樣品以從材料樣品的三維（3D)數(shù)字體積確 定材料特性的方法和系統(tǒng)。界定多個(gè)試驗(yàn)體積大小，每一試驗(yàn)體積大小具有與其它試驗(yàn)體 積大小不同的數(shù)個(gè)體素。在多個(gè)試驗(yàn)體積大小中的每一者，確定3D數(shù)字體積中的兩個(gè)鄰近 樣品體積的材料特性的差值。接著從在多個(gè)試驗(yàn)體積大小上取得的一組差值識(shí)別用于對(duì)材 料樣品進(jìn)行試驗(yàn)的典型單元體。
【附圖說明】
[0017] 因?yàn)楫?dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，參考所述實(shí)施例的下文詳細(xì)描述，所描述的實(shí)施例的各 種特征變得更好理解，因此能夠更全面地了解所描述的實(shí)施例的各種特征，其中：
[0018] 圖1是圖示出針對(duì)多孔介質(zhì)的孔隙率的REV的傳統(tǒng)定義的圖示。
[0019] 圖2是圖示出樣品體積的實(shí)例的圖示。
[0020] 圖3是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在環(huán)境壓力和干燥流體飽和度下從砂石巖石 樣品獲取的X射線斷層圖像的實(shí)例的圖示。
[0021] 圖4是圖示出如結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例適用的將簡(jiǎn)單分割算法應(yīng)用到圖3的X射線 斷層圖像的實(shí)例的圖示。
[0022] 圖5是圖示出如結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例適用的通過球體的立方堆積產(chǎn)生的構(gòu)造體 積的實(shí)例的圖示。
[0023] 圖6a和圖6b是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于分析3D數(shù)字體積的過程的實(shí) 例的流程圖。
[0024] 圖7是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的取樣策略的實(shí)例的圖示。
[0025] 圖8是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在對(duì)3D數(shù)字圖像體積進(jìn)行取樣中的試驗(yàn)體 積大小的選擇的一個(gè)實(shí)例的圖示。
[0026] 圖9是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的巖石樣品的實(shí)例以及差值的曲線圖的實(shí)例 的圖示。
[0027] 圖10是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的對(duì)于四個(gè)不同數(shù)字體積的對(duì)于孔隙率不確 定性的REV%的研究的實(shí)例的圖示。
[0028] 圖11是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的X射線斷層圖像的實(shí)例以及用于評(píng)估各向 異性的曲線圖的實(shí)例的圖示。
[0029] 圖12是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的計(jì)算裝置的組件的通用框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了簡(jiǎn)單起見且出于說明的目的，將參考各種實(shí)施例來描述本發(fā)明的原理。然而， 所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到相同原理同樣適用于且可實(shí)施在所有類型的信息 和系統(tǒng)中，且任何這種變化不偏離本發(fā)明的實(shí)際精神和范圍。此外，在下文詳細(xì)描述中，對(duì) 說明各種實(shí)施例和實(shí)施方案的特定實(shí)例的附圖進(jìn)行參考。能夠?qū)Ω鞣N實(shí)施方案的實(shí)例進(jìn)行 電氣、機(jī)械、邏輯和結(jié)構(gòu)改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，關(guān)于如隨附權(quán)利要求書 及其等同物界定的本發(fā)明的范圍，不應(yīng)以限制性意義來看待下文詳細(xì)描述。
[0031] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于實(shí)現(xiàn)且增強(qiáng)由數(shù)字體積的材料特性的直接數(shù)值模擬的 系統(tǒng)和方法。出于本說明書的目的，結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例適用的數(shù)字體積包含，但不限于， 從多孔材料獲取的圖像體積、從這些圖像體積獲得的導(dǎo)出體積，以及構(gòu)造體積。例如，能夠 利用諸如X射線斷層攝影術(shù)（包含微米X射線斷層攝影術(shù)和納米X射線斷層攝影術(shù)）、聚焦 離子束掃描電子顯微術(shù)、核磁共振和中子斷層攝影術(shù)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)來獲取三維（3D)圖像體 積