在模拟应力和应变条件下的岩石物理属性的基于图像的直接数值模拟的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开主要涉及用于分析岩石样品的图像以确定岩石物理属性的方法和系统。
【背景技术】
[0002]在油气生产中，对于估计岩石地层中所含的油气体积，以及对于制定用于从岩石地层提取油气的策略，获得岩石地层的岩石物理属性的精确地下估计是重要的。传统上，诸如岩心样品或者钻井钻肩的岩石地层的样品经过物理实验室测试，以测量岩石物理属性，诸如渗透率、孔隙率、地层因数、弹性模量等。如本领域中已知的，取决于岩石本身的特性，这些测量中一些测量需要长时间段，在一些情况下长达几个月。用于做出这些测量的设备也可能非常昂贵。
[0003]通常，在实验室中的周围环境条件下测量岩石物理属性，岩石样品处于室温和地表大气压力下。然而，地层中的岩石的地下环境可能与周围实验室条件差异显著。例如，随着埋深增大而增大的地层岩石上的覆岩沉积的重量引起地层岩石被压实，与地表周围环境条件相比，其反映为较低孔隙率和渗透率。
[0004]作为油气开发和生产的结果，地下岩石地层也经受原位应力/应变变化。例如，在于钻孔相邻的岩石地层中的点处的应力条件将与相同点处的钻孔之前的原始原位应力条件不同。另外，油田生产中发生的注入和抽取孔隙流体产生与生产之前不同的孔隙流体压力变化，这也导致原位应力条件变化。相对于在周围条件下的相同的岩石，这些和其它原因引起的不同应力和应变条件能够显著地改变岩石的岩石物理属性。当然，对于油田的评价、开发和生产，最感兴趣的是岩石在原位应力条件下的岩石的地下岩石物理属性。
[0005]为了补偿原位应力变化的影响，能够在实验室中在各种应力和应变条件下物理地测量孔隙率、渗透率、导电性和其它岩石物理属性的传统实验室测量值。然而，已经观察到，与在室内周围环境条件下执行测试相比，在实验室中人工地施加这些物理条件所需的设备和技术人员时间可能惊人地昂贵，并且也可能需要明显更多的执行时间，对于复杂岩石类型特别如此。此外，用于特殊岩石物理属性的测量的实验室施加的应力和应变条件的范围通常非常有限，并且不能精确地表示原位地下条件。
[0006]即使可获得用于在侧限应力和压力下测量岩石属性的设备，也通常不可能在几种不同的应力/应变条件下评价给定岩石样品的岩石物理属性，这是因为岩石样品的微观结构可能由于一个或者更多加载和卸载应力/应变循环而永久地变形。例如，当最初在静水力学应力条件下(即，其中样品受到均匀的侧限应力)测量给定岩石样品的岩石物理属性并且然后在单轴应力条件(即，其中仅在单个方向中施加应力，不是在所有其它方向中施加应力)下测量相同岩石的岩石物理属性时，可能发生这种变形。在这种情况下，相同样品的测量实验的后续迭代能够导致不表示岩石的真实应力/应变响应的不同岩石物理属性值或者其它物理行为变化。因而第二次和随后的应力实验中的测量到岩石物理属性可能与这些应力实验所寻求的真实原位值差异显著。
[0007]由于直接测量岩石物理属性所需的成本和时间，所以已经开发了“直接数值模拟”技术，用于高效地评价物理属性，诸如岩石样品的孔隙率、绝对渗透率、相对渗透率、地层因数、弹性模量等，所述岩石样品包括来自困难岩石类型的样品，诸如致密砂岩或者碳酸盐。根据这种方法，例如通过计算机断层(CT)扫描获得岩石样品的三维断层图像。三维图像体积内的体素被“分割”(例如，通过“阈值化”它们的亮度值或者通过另一种方法)，以区分岩石体素和空隙空间。然后执行流体流动或者诸如弹性或者导电性的其它物理特性的数值模拟，通过数值模拟能够推导出孔隙率、渗透率(绝对和/或相对)、弹性、电属性等。能够应用多种数值方法，以求解或者近似得出模拟适当行为的物理方程。这些方法包括格子-玻尔兹曼(Lattice-Boltzmann)、有限元、有限差分、有限体积数值方法等。
[0008]然而，传统的直接数值模拟通常限于周围环境应力/应变条件下的岩石样品，因为通常在周围环境条件下获得通过X射线断层图像或者其它成像技术(例如，FIBSEM)获得的图像。这是因为由于成像和机械装置任一或者两者的特性，所以引起应力/应变条件所需的机械设备按常规不附接至成像设备，或者这样附接不可行。在其中诸如已经通过使用对X射线断层摄影术透明的特制样品保持器来组合成像和机械测试的那些情况下，这种组合实验设备高度专业化并且极其昂贵，并且可能涉及健康和安全风险。
【发明内容】
[0009]本发明的实施例提供一种用于在从其中推导出岩石物理属性的物理处理的直接数值模拟中模拟岩石地层中发现的地下条件的系统和方法。
[0010]本发明的实施例提供充分降低传统实验室测试的时间和成本同时提高那些测试的精确性的系统和方法。
[0011]本发明的实施例提供能够在传统的测试和分析设备中实施的系统和方法。
[0012]通过参考说明和附图，本领域的技术人员将明白本发明的实施例的其它目的和优点。
[0013]本发明的实施例可以被实施为基于岩石样品的三维(3D)图像的分析方法、系统和存储用于执行该分析的可执行程序指令的计算机可读媒体，其中相应于岩石样品中的固体材料的3D图像的体素或者其它部分区别于图像中相应于该岩石样品中的孔隙的体素或者其它部分。一种非结构网格覆盖到与固体材料对应的图像区域上，之后例如通过方程的有限元系统的边界条件，对该非结构网格数值地施加在应力、应变、力、位移等的性质上的模拟变形。模拟变形能够表示岩石样品在其在地层中的原始位置处的地下环境。非结构网格的变化表示的模拟变形的效果，意在仿效岩石样品在地下的多个应力或者应变水平下的变形。然后对利用模拟变形而变形的非结构网格，数值或者解析地确定岩石样品的至少一种岩石物理属性。
【附图说明】
[0014]图1A是示出用于根据本发明的实施例构造和运行的测试系统的岩石样品的来源的示例的一般方框图。
[0015]图1B是根据本发明实施例的用于分析岩石样品的测试系统的方框形式的电气图。
[0016]图1C是根据本发明实施例的图1B的系统中的计算装置的构造的方框形式的电气图。
[0017]图2是示出根据本发明实施例的在分析岩石样品中操作测试系统的方法的流程图。
[0018]图3A是本发明的实施例可能应用的岩石样品的横截面显微照片。
[0019]图3B至3D是本发明的实施例可能应用的图3A的岩石样品的数字表示。
[0020]图3E是示出被应用于岩石样品的数字表示的非结构网格在变形之前的数字绘图。
[0021]图3F是示出根据本发明实施例的模拟应力场和相应的孔隙空间变形的示例下的图3E的施加网格的数字绘图。
[0022]图4A至4F是包括颗粒接触区域分析的实施例所应用的岩石样品的数字表示。
[0023]图4G和4H是示出关于图4A至4F中所示的实施例所述的颗粒接触区域的考虑的绘图。
[0024]图5A至?是示出根据本发明的若干实施例中的每个实施例的图2的方法的流程图。
[0025]图6是通过本发明的实施例的应用确定的、在一个方向施加位移导致的岩石样品的孔隙率关于体积变化的绘图。
[0026]图7是根据与图5B对应的本发明的实施例的、通过模拟应力变形后的非结构栅格转换为各种分辨率的结构栅格产生的横截面图的比较。
[0027]图8是通过应用本发明的实施例确定的岩石样品的方向渗透率关于孔隙率的绘图。
[0028]图9是通过应用本发明的实施例确定的岩石样品的地层因数关于孔隙率的绘图。
[0029]图10通过应用本发明的实施例确定的岩石样品的电阻率指数关于水饱和度的绘图。
【具体实施方式】
[0030]将结合其实施例描述本发明，即实施为用于通过直接数值模拟分析地下地层的样品的方法、系统和相应的软件，向那些样品数值地施加应力和应变，以研究原位应力和其它条件下的地下影响，如所预期的，当用于这些结果时，本发明将特别有利。然而，预期本发明能够有利地应用于例如重复机械实验室测试的其它应用，以及确定超出本说明中所述的那些属性的其它物理属性。因而，应理解的是，仅作为示例提供下文说明，并且其无意限制所要求的发明的真实范围。
[0031]本发明的实施例涉及用于在模拟应力/应变下的岩石物理属性数值模拟的系统和方法，所述模拟应力/应变由下述产生:应力、应变、力、或者位移边界条件的数值施加，以及与材料应力、应变和其它属性有关的适当的弹性本构方程的数值求解。更具体地，测试系统执行岩石的样品的岩石物理属性的基于图像的直接数值模拟，其中变形是应力、应变、力或者位移边界条件的数值施加以及适当的本构方程的数值求解的结果。此外，应力、应变、力或者位移边界条件的施加可表示一个或者多个地下条件，诸如岩石在其原始地下位置中经历的原位应力条件。此外，除应力、应变、力和位移之外的其它边界条件，诸如涉及旋转、率相关(rate-dependent)位移或者应变等的那些边界条件，以及能够解决涉及塑性以及其它非线性的那些公式，可以被替代性地结合公开的实施例使用，并且预期其处于权利要求的范围内。
[0032]虽然将在本说明书中参考地下应力/应变条件对岩石的岩石物理属性的影响分析而描述特定实施例，但是预期这些实施例也能够用于探究不同应力/应变路径对岩石的岩石物理属性的一般影响，即使这些路径可能或者可能不直接相应于地下应力/应变条件或者地下应力/应变条件的演变。特别地，根据一些实施例，可在应力或者应变中数值地施加渐进或者增量增大，在每个增量步骤都模拟岩石物理属性。这些应力/应变条件可维持直接类似于被设计成测试岩石的机械属性的传统实验室实验，这些实验包括静水压测试、单轴压缩、单轴应变、三轴压缩实验等。
[0033]图1A以高水平(high level)示出根据本方法的实施例的岩石样品的获取和它们的分析。预期本发明的实施例尤其有利于分析来自地下地层的岩石样品，这对油气生产是重要的。如此，图1A示出根据各种具体实施的能够从其中获得待被测试系统102分析的岩石样品104的环境100。在这些所示示例中，能够从陆地钻井系统106或者从海上(大洋、海洋、湖泊等等)钻井系统108获得岩石样品104，两种钻井系统中的任一种被用于提取资源，诸如油气(石油、天然气等)、水等。作为现有技术的基本原理，油和气生产操作的最优化受陆地钻井系统106和海上钻井系统108正在钻入或者过去已经钻入的岩石地层的结构和物理特性影响很大。
[0034]在本发明的实施例中，预期获得岩石样品104的方式以及那些样品的物理形态可能变化很大。结合本发明的实施例使用的岩石样品104的样品包括整个岩心样品、侧壁岩心样品、出露层样品、钻肩以及诸如沙包和混凝土包的实验室产生的合成岩石样品。
[0035]如图1A中所示，环境100包括测试系统102，该测试系统102被配置成分析岩石样品104的图像128，以确定相应的地下岩石的物理属性，这些属性在油气开发和生产背景下包括岩石物理属性。图1B以一般方式示出执行该分析的测试系统102的组成组件。
[0036]在一般意义上，测试系统102包括成像装置122，成像装置122用于获得岩石样品104的二维(2D)或者三维(3D)图像以及其它表示，这些图像和表示包括那些岩石样品104的内部结构的细节。成像装置122的示例为X射线计算机断层(CT)扫描仪，如本领域中已知的，其发出与物体相互作用的X射线辐射124，并且测