利用多相流表征单元体积确定的数字岩石分析系统与方法
【技术领域】
[0001] 本申请案主张 Guiseppe De Prisco 与 Jonas Toelke 在 2012 年 6 月 15 日申 请、发明名称为"利用多相流表征单元体积确定的数字岩石分析系统与方法"的美国第 13/524, 758号非临时申请案的优先权。
【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的更佳了解的一种方式。在 高度放大下，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。此 种流体流动通常例如在地下油气层（hydrocarbon reservoirs)中受到高度关注。就孔度、 渗透性与饱和度方面，特征化材料的可行性是已知的，但是在材料是过度各向异性及/或 不均匀性而无法被特征化为均质介质的程度时，这种特征化方式必将失去作用。
[0003] 自然地，会有兴趣想要知道何种尺寸的材料样本可代表整体。通过其可进行 产生代表较大体积的数值的最小体积称为表征单元体积（Representative EIementary Volume，REV)。需注意REV取决于所选择的测量。
[0004] 有许多文献都着重在确定REV，但都有一个或多个缺点，包括：主观性、误差、过度 估计、过于广泛的搜寻区域、过于受限的子体积定位、无法解决样本不均匀性、以及无法对 REV预期用途（例如多相流体流模拟）应用所选择的测量。
【发明内容】
[0005] 无
【附图说明】
[0006] 因此，在本文中公开了利用多相流表征单元体积（REV)确定的数字岩石分析系统 与方法。在附图中：
[0007] 图1显示了示例性高分辨率聚焦离子束与扫描式电子显微镜。
[0008] 图2显示了示例性高性能计算网络。
[0009] 图3显示了示例性的样本体积表征。
[0010] 图4显示用于执行样本分析的示例坐标系统。
[0011] 图5A与图5B显示示例性的样本参数分布。
[0012] 图6A至图6D显示孔度的相基础区分。
[0013] 图7为示例分析方法的流程图。
[0014] 图8A与图8B显示在第一示例样本中相基础区分的孔度的参数分布根据饱和度而 变化。
[0015] 图9A与图9B显示第二示例样本相基础区分孔度的参数分布根据饱和度而变化。
[0016] 然而，应该要理解，在附图与下述详细说明中给出的特定【具体实施方式】并不限制 公开内容。相反的，其为本领域技术人员提供基础，以辨别出在所附权利要求范围涵盖的替 代形式、等效物与其他修饰。
【具体实施方式】
[0017] 上下文中，图1提供了高分辨率聚焦离子束与扫描式电子显微镜100的说明，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,在观察室102中置有材料样本。 计算机104与观察室设施耦接以控制测量过程。计算机104上的软件通过用户接口而与用 户交互，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）以及一个或多个输出装置108 (例如，显示器或打印机）。
[0018] 对于高分辨率成像，观察室102 -般是排除了空气与其他气体。电子束或离子束 可于样本表面间扫描，以得到高分辨率图像。此外，可增加离子束能量以磨除样本的薄层， 从而得到多个深度的样本图像。在堆栈时，这些图像提供了待获取样本的三维图像。作为 一个可行的示例实例，有些系统可在10纳米分辨率下得到40X40X40微米立方体的这类 成像。
[0019] 上述系统仅为可用于使样本成像的技术的一个实例。无论是如何获取这些图像， 下述公开内容都可应用，只要分辨率足以显现样本的孔度结构即可。
[0020] 图2是较大系统200的实例，可在所述系统200中使用扫描式电子显微镜100。 在所述较大系统200中，个人工作站202是通过局域网（LAN)以耦接至扫描式电子显微镜 100。LAN 204还能使扫描式电子显微镜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存储装置208 (例如，RAID、NAS、SAN等）之间互相通信。高性能 计算平台206 -般是使用多个处理器212,每一个处理器212耦接至区域内存214。内部总 线216提供了多个处理器（通过区域内存）与网络接口 220之间的高带宽通信。驻留在内 存214中的并行处理软件能使多个处理器以加速方式共同地中断及执行待执行的任务、依 需要存取共享的储存装置208以传送结果及/或取得输入数据与中间结果。
[0021] 通常，用户会使用个人工作站202 (例如，桌上型或膝上型计算机）来与较大系统 200交互。在个人工作站202的内存中的软件会使它的一个或多个处理器通过用户接口而 与用户交互，让用户可以例如探索或执行软件以处理扫描式电子显微镜得到的图像。对于 具有小量计算需求的任务而言，软件可于个人工作站202上执行，而有计算上需求的任务 则优先于高性能计算平台206上运行。
[0022] 图3是可由扫描式电子显微镜100获取的示例图像302。此三维图像是由三维体 积单元（三维像素）构成，每一个三维像素具有表明在那个点处的样本组成的数值。
[0023] 图4提供了数据体积402的坐标系统，其中x-、y_与Z-轴是在该体积的一个角落 处交错。在所述数据体积内，定义有子体积404。所示出的子体积404是具有边长为a的正 立方体，但可替代地使用其他形状的子体积，例如具有与整体数据体积相同形状的平行六 面体、球体、或四面体。期望（但非必须要）选择可通过特征维度（例如直径或边长）缩放 的子体积形状。可使用从原点至子体积上固定点处的位移向量408以在数据体积402内的 任何位置406定义子体积404。同样的，可在每一个子体积内定义且定位次子体积。
[0024] -种特征化样本孔度结构的方式是确定整体参数值，例如孔度。图像经过处理以 将每一个三维像素分类为代表基质的孔隙或一部分，从而得到孔隙-基质模型，其中每一 个三维像素由单一位来表示。接着可利用直接计数过程来确定样本的总孔度。然而，所得 的数量显示了极少关于样本的结构、不均匀性与各向同性的信息。因此，需要更为复杂的测 量方式。
[0025] 图5A显示在示例碳酸盐岩石样本中的子体积孔度（或表面/体积或可以子体积 切片计算的任何其他量值）的标准偏差直方图，这是沿着特定方向（流动方向）计算的。标 准偏差是针对整个数据体积的平均孔度（或表面/体积或其他全局量值）来计算。注意分 布是用以定义子体积的长度大小1的函数。对于在数据体积内的长度大小1的子体积的每 一个可能位置，可于横向切片中计算的量值标准偏差是沿着特定方向来评估。换言之，一种 标准偏差计算表示在给定流动方向中特定子体积的孔度（或可于切片中计算的其他量值） 相对于整个体积的平均孔度的变异量，由整个体积的平均孔度来正规化。对整个体积内的 子体积的每一个可能位置重复标准偏差的计算，产生将可针对子体积的特定长度大小与固 定方向来建立可于切片中计算的特定量值标准偏差分布的一组标准偏差。子体积孔度的这 组标准偏差被绘制在图5A中的直方图中，表示有相当一致程度的不均匀性，仅于高侧上有 渐进尾部。
[0026] 若对于不同的子体积长度大小重复此操作，将可得到不同的直方图，因此可得到 长度大小的统计函数。可评估分布的动差（平均值、变异值、峰度与偏斜度），以检查所述分 布会在哪个长度大小上稳定（即，统计值收敛）。REV可定义为达到收敛的长度大小值。通 常当达到收敛时，分布动差接近高斯分布的动差（而且直方图看起来为高斯分布）。
[0027] 图5B显示子体积表面/体积比例的标