具可靠多相渗透性决定数字岩石分析系统及方法

文档序号:8303176阅读:452来源:国知局
具可靠多相渗透性决定数字岩石分析系统及方法
【技术领域】
[0001] 本申请案主张由Giuseppe De Prisco与Jonas Toelke在2012年7月13日所申 请、发明名称为「具可靠多相渗透性决定数字岩石分析系统及方法」的美国第13/549, 354 号非临时申请案的优先权,所述申请案藉由引用形式而并入本文。
【背景技术】
[0002] 电子显微镜提供了科学家与工程师获得其工作的材料有更佳了解的一种方式。在 高放大倍率下,可明白许多材料(包含岩石与骨骼)都具有允许流体流动的多孔微结构。这 种流体流动通常在例如地下油气层(hydrocarbon reserviors)中受到高度关注。因此,已 经花费了大量心力来特征化材料的流动相关特性,包括孔隙率、渗透率以及饱和度。
[0003] 科学家一般是在实验室中经由使具有压力差范围的选择流体通过样品来特征化 材料。这类测试通常需要数周,并且充满了困难,包括对于高温、压力与流体体积的需求,泄 漏与设备故障的风险,以及不精确的初始条件。(流动相关测量一般不仅与施加的流体与压 力有关,也与样品的历程有关。实验应以在原生状态下的样品开始,但这个状态是难以达到 的,一旦样品已经自其原始环境中被移除。)
[0004] 因此,业界已经转为以数字岩石分析以一种快速、安全且可重复的方式来特征化 材料的流体相关特性。取得材料的孔隙结构的数字表示并将其用以特征化材料的流动相关 特性。然而,特征化的质量与数字表示精确代表实体材料的程度有关。因为异向性及/或 非均质性的原因,太小的样品可能无法代表整体材料;而过大的样品会产生过度的计算需 求却无任何额外效益。想要有的是一种可有效率地确保从数字岩石模型所得到的多相流动 相关测量精确性的程序。

【发明内容】

[0005] 无
[0006] 图式简单说明
[0007] 因此,本文揭露了具可靠多相渗透性决定的数字岩石分析系统与方法。在图式 中:
[0008] 图1显示了例示的高分辨率聚焦离子束与扫描式电子显微镜。
[0009] 图2显不了例不的尚性能计算网络。
[0010] 图3A显示了例示的样品的体积表征。
[0011] 图3B显示了用于执行样品分析的例示坐标系统。
[0012] 图4显示了将模型区域分为切片的例示方式。
[0013] 图5A至图5B显示了例示的样品参数分布。
[0014] 图6说明了分布动差与次体积尺寸的相关性。
[0015] 图7A至图7D说明了以相为基础的孔隙率划分。
[0016] 图8A至图8B以参数分布显示了渗透率/饱和度关系。
[0017] 图9为例示分析方法的流程图。
[0018] 然而,应理解的是,在图式中以及在下述详细说明中所提出的特定具体实施例并 不限制本发明的揭露内容。相反的,它们提供了供发明所属技术领域中具通常知识者辨别 如附权利要求的范围中所涵盖的替代形式、等效例以及其他修饰例的基础。
[0019] 详细说明
[0020] 以上下文而言,图1提供了高分辨率聚焦离子束与扫描式电子显微镜100的例示 说明,所述高分辨率聚焦离子束与扫描式电子显微镜100具有观察室102,材料样品即置于 观察室102中。计算机104耦接至观察室仪表以控制测量程序。计算机104上的软件经由 用户接口而与用户互动,所述用户接口具有一个或多个输入设备1〇6(例如键盘、鼠标、游 戏杆、光笔、触摸板、或触控屏幕)与一个或多个输出装置108 (例如显示器或打印机)。
[0021] 对于高分辨率成像而言,观察室102 -般会排空空气与其他气体。电子束或离子 束会在样品的表面上来回扫描以取得一高分辨率影像。此外,可增加离子束能量来磨除样 品的薄层,因而可取得在多个深度处的样品影像。在堆栈时,这些影像提供了想要获得的样 品三维影像。作为可能的一种例示实例,有些系统可在10奈米的分辨率下进行40x40x40 微米立方体的此种成像。
[0022] 上述系统仅为可用以使样品成像的其中一个技术实例。穿透式电子显微镜(TEM) 与三维断层X射线穿透显微镜则为可取得样品数字模型的另外两种技术。不管影像是如何 获得,下述揭露内容都可适用,只要分辨率足以揭露样品的孔隙结构即可。
[0023] 样品的来源(例如在岩石成形样品的实例中)并不受特定限制。举例而言,对于 岩石成形样品而言,样品可为侧壁芯材、整个芯材、钻肩、露头采石样品、或是可提供适当样 品以使用本发明所揭方法进行分析的其他样品来源。图2为一较大系统200的实例,在所 述系统内可使用扫描式显微镜100。在所述较大系统200中,个人工作站202是经由局域网 络(LAN) 204而耦接至扫描式显微镜100。LAN 204进一步允许扫描式显微镜100、个人工 作站202、一个或多个高性能计算平台206、以及一个或多个共享储存装置208 (例如RAID、 NAS、SAN等)之间的互相通信。高性能计算平台206 -般使用了多个处理器212,每一个处 理器都耦接至本地内存214。内部总线216提供了多个处理器(经由本地内存)与网络接 口 220之间的高带宽通信。常驻在内存214中的并列处理软件可使多个处理器共同运作地 分解并以一种快速的方式执行所要执行的任务,依需要接入共享的储存装置208以传送结 果,及/或取得输入数据与中间结果。
[0024] 一般而言,使用者将使用个人工作站202 (例如桌上型或膝上型计算机)来与较大 系统200互动。在个人工作站202的内存中的软件会使其一个或多个处理器经由用户接口 与用户互动,可让使用者进行,例如制作及执行软件以处理由扫描式显微镜所获得的影像。 对于具有小计算需求的任务而言,软件可于个人工作站202上执行,而需大量计算需求的 任务则最好在高性能计算平台206上运作。
[0025] 图3A为扫描式显微镜100可获得的例示影像302。此三维影像是由三维体积元 素(「三维像素(voxels)」)所构成,每一个三维像素都具有代表在该点处的样品组成的数 值。
[0026] 图3B提供了数据体积402的坐标系统,其中X轴、y轴与z轴是在体积的一个角 处交会。在所述数据体积内定义了次体积404。所述次体积404是具有边长为a的立方体, 但也可替代地使用其他的次体积形状,例如,具有与整体数据体积相同形状的平行四边形、 球体、或四面体。虽非必要,但希望的是所选择的次体积形状可经由特征维度(例如直径或 边长)来重设大小。利用从原点到次体积上固定点的位移向量408,可在数据体积402内的 任何位置406处定义次体积404。类似地,可在每一个次体积内定义并置位次次体积。举例 而言,图4显示了将次体积分为垂直于流动方向(在本例中,即z轴)的切片502。
[0027] 一种用以特征化样品的孔隙率结构的的方式是,决定整体参数值,例如孔隙率。影 像经过处理以将每一个三维像素分类为代表孔隙、或代表基质的一部分,由此取得孔隙/ 基质模型,其中每一个三维像素都由单一位来代表,其表示在该点处的模型是不是基质材 料或孔隙空间。接着以直线向前计数程序来决定样品的总孔隙率。然而,所产生的数字对 样品结构、非均质性与等向性揭露极少。因此,会需要一种较复杂的量度。
[0028] 较复杂的量度的一个实例是沿着特定方向上的孔隙率标准偏差。如图4所示,体 积(或次体积)可被分为与流动方向垂直的切片。孔隙的结构会使孔隙率随着切片而变 化,由此即可决定出孔隙率的标准偏差(相对于平均孔隙率)。这个量度本身虽提供了孔 隙结构的有用表示,但其可被延伸。当样品体积被分为次体积(见例如图3B),且对于每一 个次体积都测得孔隙率标准偏差(相对于整个样品的平均孔隙率,并以相同的平均孔隙率 予以常态化)时,即可产生如图5A所示的直方图。然而,注意此直方图为次体积大小的函 数。随着次体积大小从接近〇处增加至表征单元体积(REV),直方图会收敛并且在形状上 变得接近高斯(Gaussian)。(作为比较,当完美周期性的「理想」样品中的次体积维度具有 的大小为REV大小的整数倍数时,直方图将具有零中位数与零变异值,换言之,以零为中心 的迪拉克δ函数。)REV大小与用以将其定义的统计量度有关。前述方法可产生适合达西 (Darcian)分析的REV,且因此这个REV大小(例如直径、长度或其他维度)在本文中即称 为「整体尺度」或「达西尺度」。对于分析而言,其他的长度尺度也是重要的。举例而言,渗 透尺度(percolation scale)在本文中是定义为总孔隙率与连接孔隙率(以某种形式连接 到入流面之孔隙率)之间的差异低于临界值(例如2%)的次体积大小。渗透尺度可大于、 或小于整体尺度。
[0029] 孔隙率结构的另一种量度为表面对体积比例的标准偏差。若将在每一个切片 502(图4)中的孔隙的表面积(或在二维影像中,为周长)除以对应孔隙的体积(或在2D 中,为表面积),所产生的比例会随切片不同而有变化,这可被测量为标准偏差。随着对于模 型中的每一个次体积都决定了表面对体积比例的标准偏差,即产生如图5B所示的直方图。 如同之前,当次体积大小达到或超过整体尺度时,直方图应该收敛并逼近高斯分布。
[0030] 图6以次体积大小的函数来比较两种不同样品的两个直方图(孔隙率标准偏差、 以及表面对体积比例(SVR)的标准偏差)的动差。前四个动差(中位数、标准偏差、偏度与 峰度)是为
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