BR122020017677B1 - METHOD FOR ANALYZING A ROCK SAMPLE - Google Patents

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Randall Cygan
Joanne Fredrich
Jeffery Greathouse
Gary Russell Jerauld
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Bp Corporation North America Inc
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24Earth materials
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    • G16CCOMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/30Prediction of properties of chemical compounds, compositions or mixtures

Abstract

Métodos e sistemas para estimar a condutividade de sistemas minerais argilosos e para aplicar as estimativas em análises em larga escala. A condutividade da argila pode ser estimada construindo um modelo molecular de uma argila anidra com carga neutra e, em seguida, atribuindo uma densidade de carga por substituição de íons no modelo da estrutura da argila. Contra-íons são inseridos para neutralidade de carga e moléculas de água são adicionadas ao modelo para refletir um nível selecionado de hidratação. Após a atribuição de coeficientes de campo de força, a simulação de dinâmica molecular fornece dados a partir dos quais os coeficientes de difusão podem ser estimados. A aplicação da relação de Nernst-Einstein aos coeficientes de difusão dos contra-íons fornece a condutividade iônica do sistema argiloso. Esta condutividade pode ser usada para derivar um fator de formação e pode ser aplicada na análise de simulação numérica direta.Methods and systems for estimating the conductivity of clayey mineral systems and for applying the estimates in large-scale analyses. The conductivity of clay can be estimated by building a molecular model of an anhydrous clay with a neutral charge and then assigning an ion substitution charge density to the model of the clay structure. Counter ions are inserted for charge neutrality and water molecules are added to the model to reflect a selected level of hydration. After assignment of force field coefficients, molecular dynamics simulation provides data from which diffusion coefficients can be estimated. The application of the Nernst-Einstein relation to the diffusion coefficients of the counterions gives the ionic conductivity of the clayey system. This conductivity can be used to derive a formation factor and can be applied in direct numerical simulation analysis.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA PEDIDOS RELACIONADOSCROSS-REFERENCE TO RELATED ORDERS

[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente dos EUA No. de série 14/566.520 depositado em 10 de dezembro de 2014 e intitulado "Estimativa de Condutividade para Materiais Nanoporosos", que é aqui incorporado por referência na sua totalidade.[001] This application claims benefit of US Patent Application Serial No. 14/566,520 filed on December 10, 2014 and entitled "Conductivity Estimation for Nanoporous Materials", which is incorporated herein by reference in its entirety.

DECLARAÇÃO SOBRE INVESTIGAÇÃO OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADO FEDERALMENTESTATEMENT ON FEDERALLY SPONSORED RESEARCH OR DEVELOPMENT

[002] O Governo dos Estados Unidos tem direitos nesta invenção de acordo com o Contrato No. DE-AC04-94AL85000 entre o Departamento de Energia dos Estados Unidos e Sandia Corporation, para operação de Sandia National Laboratories.[002] The United States Government has rights in this invention pursuant to Contract No. DE-AC04-94AL85000 between the United States Department of Energy and Sandia Corporation, for the operation of Sandia National Laboratories.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOFUNDAMENTALS OF THE INVENTION

[003] Esta invenção é no campo da análise de amostras de rocha para determinar propriedades petrofísicas.[003] This invention is in the field of analyzing rock samples to determine petrophysical properties.

[004] Como é fundamental na indústria do petróleo e gás, o conhecimento das propriedades do material das formações rochosas subterrâneas é importante para avaliar os reservatórios de hidrocarbonetos na Terra e para a formulação de uma estratégia de desenvolvimento em relação a esses reservatórios. Uma ampla variedade de ferramentas e técnicas para obter esta informação são bem conhecidas na arte e variam desde a análise de dados sísmicos, obter e analisar amostras de núcleo das formações de interesse, e várias medidas indiretas da Terra que são obtidas durante o processo de perfuração.[004] As is fundamental in the oil and gas industry, knowledge of the material properties of underground rock formations is important for assessing hydrocarbon reservoirs on Earth and for formulating a development strategy in relation to these reservoirs. A wide variety of tools and techniques for obtaining this information are well known in the art and range from analyzing seismic data, obtaining and analyzing core samples from formations of interest, and various indirect measurements of the Earth that are obtained during the drilling process. .

[005] Uma técnica comum para analisar uma formação subsuperficial é registro de resistividade ao longo de um furo na formação. O registro de resistividade convencional mede a resposta elétrica da formação envolvendo o furo, tipicamente para derivar um valor denominado "fator de formação", que é a razão da resistividade da rocha que contém fluido para a resistividade do próprio fluido. De acordo com a conhecida Relação de Archie, o fator de formação é apenas uma função da geometria dos poros da rocha, e pode ser correlacionado à porosidade por meio de um expoente conhecido como o expoente de cimentação. Como resultado, a análise de um registro convencional de resistividade pode fornecer informação importante sobre a porosidade ou saturação de água da formação de interesse. Além disso, registros de resistividade em combinação com a interpretação apropriada da física da rocha podem fornecer informação sobre a permeabilidade da formação.[005] A common technique for analyzing a subsurface formation is resistivity recording along a hole in the formation. Conventional resistivity logging measures the electrical response of the formation surrounding the borehole, typically to derive a value called the "formation factor", which is the ratio of the resistivity of the rock containing fluid to the resistivity of the fluid itself. According to the well-known Archie Relation, the formation factor is just a function of the rock pore geometry, and can be correlated to the porosity by means of an exponent known as the cementation exponent. As a result, analysis of a conventional resistivity log can provide important information about the porosity or water saturation of the formation of interest. Furthermore, resistivity records in combination with the appropriate interpretation of rock physics can provide information about the permeability of the formation.

[006] Embora a Relação de Archie seja comumente usada para interpretar a resposta elétrica a partir dos registros e das amostras de núcleo, ela foi originalmente formulada com base em uma série de medidas experimentais. Observou- se, no entanto, que a Relação de Archie é válida apenas para formações rochosas petrofisicamente simples, exemplos das quais incluem areias limpas. Observou-se ainda que a Relação de Archie não é válida para as areias escamosas, nomeadamente as areias que contêm minerais de argila. Uma abordagem convencional para analisar os registros de resistividade a partir de areias escamosas é referida na arte como o método Waxman-Smits. No entanto, esta abordagem é um pouco limitada na prática, uma vez que requer conhecimento da capacidade de troca catiônica do mineral de argila na areia escamosa, a fim de correlacionar a resistividade com saturação de água e porosidade.[006] Although the Archie Relation is commonly used to interpret the electrical response from records and core samples, it was originally formulated based on a series of experimental measurements. It has been noted, however, that the Archie Relationship is only valid for petrophysically simple rock formations, examples of which include clean sands. It was also observed that Archie's Relation is not valid for scaly sands, namely sands containing clay minerals. A conventional approach to analyzing resistivity recordings from flaky sands is referred to in the art as the Waxman-Smits method. However, this approach is somewhat limited in practice, as it requires knowledge of the clay mineral's cation exchange capacity in flaky sand, in order to correlate resistivity with water saturation and porosity.

[007] Verificou-se que a presença de argila dentro de uma amostra de rocha complica a interpretação de dados elétricos obtidos a partir de registros e amostras de núcleo. Uma das razões para isso é que as propriedades elétricas dos minerais de argila (também aqui referidos como "argilas") não são bem compreendidas. A este respeito, a interpretação das propriedades elétricas (e propriedades associadas, como a capacidade de troca catiônica) de argilas como medidas no laboratório, mostrou-se difícil. Esta interpretação complicada de dados elétricos de argila também surge da estrutura de argilas típicas que estão na "nanoescala", que é muito menor do que a das areias e que torna as argilas menos favoráveis às experiências e análises de resolução atômica. Além disso, a estrutura cristalina dos minerais de argila é muitas vezes bastante irregular, como consistindo de placas finas que não estão orientadas paralelamente entre si, com limites de forma estranha e poros de forma invulgar. Além disso, impurezas que são frequentemente presentes em argilas, particularmente em superfícies externas das placas, podem deslocar outros átomos por substituição e alterar a distribuição de carga no material de argila. Em geral, essas complexidades do tamanho de cristal de nanoescala, a desordem de cristais e placas, e a composição complexa de minerais de argila tornam muito difícil a medição direta de propriedades petrofísicas em argilas.[007] The presence of clay within a rock sample has been found to complicate the interpretation of electrical data obtained from logs and core samples. One of the reasons for this is that the electrical properties of clay minerals (also referred to here as "clays") are not well understood. In this regard, interpretation of the electrical properties (and associated properties such as cation exchange capacity) of clays as measured in the laboratory has proven difficult. This complicated interpretation of clay electrical data also arises from the structure of typical clays that are at the "nanoscale", which is much smaller than that of sands and which makes clays less amenable to atomic resolution experiments and analyses. Furthermore, the crystalline structure of clay minerals is often quite irregular, such as consisting of thin plates that are not oriented parallel to each other, with oddly shaped boundaries and unusually shaped pores. Furthermore, impurities that are often present in clays, particularly on the outer surfaces of the plates, can displace other atoms by substitution and change the charge distribution in the clay material. In general, these nanoscale crystal size complexities, the disorder of crystals and plates, and the complex composition of clay minerals make direct measurement of petrophysical properties in clays very difficult.

[008] A simulação numérica direta de propriedades de materiais a partir de imagens digitais de rocha é uma tecnologia recente para determinar as propriedades de material de amostras de rocha. De acordo com essa abordagem, uma imagem tomográfica de raios X é tirada de uma amostra de rocha para produzir um volume de imagem digital representativo dessa amostra. Uma experiência computacional é, então, aplicada ao volume de imagem digital para simular os mecanismos físicos a partir dos quais as propriedades físicas da rocha podem ser medidas. As propriedades da rocha, tais como porosidade, permeabilidade absoluta, permeabilidade relativa, fator de formação, módulos elásticos e similares, podem ser determinadas usando simulação numérica direta.[008] Direct numerical simulation of material properties from digital rock images is a recent technology for determining the material properties of rock samples. According to this approach, an X-ray tomographic image is taken of a rock sample to produce a representative digital image volume of that sample. A computational experiment is then applied to the digital image volume to simulate the physical mechanisms from which the physical properties of the rock can be measured. Rock properties such as porosity, absolute permeability, relative permeability, formation factor, elastic modulus and the like can be determined using direct numerical simulation.

[009] Especificamente, simulação numérica direta de propriedades elétricas a partir de imagens digitais de rocha, é realizada pela aproximação ou resolução de equações elétricas relevantes, como a equação de Laplace com coeficientes variáveis e condições de contorno relevantes. Esta abordagem assume, no entanto, que as propriedades elétricas dos materiais constituintes dentro da rocha são conhecidas. Por exemplo, grãos sólidos (por exemplo, quartzo) podem ser considerados como não condutores, frações de argila como parcialmente condutoras, e fluidos de poros tais como solução salina como a fase mais condutora na simulação. Embora esta atribuição de propriedades condutoras seja bem compreendida para grãos sólidos e fluidos de poros, não foi estabelecida uma base física para a atribuição das propriedades condutoras para argilas. Como tal, o uso de valores assumidos para a condutividade da argila leva a incertezas em simulações convencionais da resposta elétrica das areias portadoras de argila.[009] Specifically, direct numerical simulation of electrical properties from digital rock images is performed by approximating or solving relevant electrical equations, such as the Laplace equation with variable coefficients and relevant boundary conditions. This approach assumes, however, that the electrical properties of the constituent materials within the rock are known. For example, solid grains (eg quartz) can be considered as non-conductors, clay fractions as partially conductive, and pore fluids such as saline as the most conductive phase in the simulation. Although this assignment of conductive properties is well understood for solid grains and pore fluids, a physical basis for the assignment of conductive properties to clays has not been established. As such, the use of assumed values for clay conductivity leads to uncertainties in conventional simulations of the electrical response of clay-bearing sands.

[0010] Ainda a título de fundamento, simulação de dinâmica molecular ("MD") refere-se a um método computacional de descrever a evolução, ao longo do tempo, de um sistema molecular ou atômica finito, com base em uma expressão aproximada (isto é, um "campo de força") que determina a energia potencial experimentada por cada átomo no sistema. Em uma simulação de MD convencional, dados como coordenadas, velocidades e forças para cada átomo sob o campo de força são armazenados em intervalos de tempo periódicos. Estes dados são depois usados para calcular as propriedades instantâneas e de média no tempo, tais como trajetórias atômicas ou moleculares, perfis de densidade atômicas ou moleculares em uma ou duas dimensões), estrutura interatômica (por exemplo, uma função de distribuição radial), coeficientes de difusão, estrutura vibracional, e similares.[0010] Still as a background, molecular dynamics simulation ("MD") refers to a computational method of describing the evolution, over time, of a finite molecular or atomic system, based on an approximate expression ( i.e., a "force field") that determines the potential energy experienced by each atom in the system. In a conventional MD simulation, data such as coordinates, velocities and forces for each atom under the force field are stored at periodic time intervals. This data is then used to calculate instantaneous and time-averaged properties, such as atomic or molecular trajectories, atomic or molecular density profiles in one or two dimensions), interatomic structure (e.g., a radial distribution function), coefficients diffusion, vibrational structure, and the like.

BREVE RESUMO DA INVENÇÃOBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

[0011] As modalidades desta invenção fornecem um método e sistema de estimativa precisa da resposta elétrica de minerais de argila e areias contendo minerais de argila.[0011] Embodiments of this invention provide a method and system for accurately estimating the electrical response of clay minerals and sands containing clay minerals.

[0012] As modalidades desta invenção fornecem tal método e sistema para realizar a medição de simulação numérica direta de propriedades petrofísicas em uma amostra de uma formação subsuperficial que inclui minerais de argila.[0012] Embodiments of this invention provide such a method and system for performing direct numerical simulation measurement of petrophysical properties in a sample of a subsurface formation that includes clay minerals.

[0013] As modalidades desta invenção fornecem tal método e sistema para aplicar medições, tais como a medição de simulação numérica direta da resposta elétrica, de um material de nanoescala tal como um mineral de argila ou areias contendo minerais de argila, para uma caracterização em grande escala da formação.[0013] The embodiments of this invention provide such a method and system for applying measurements, such as direct numerical simulation measurement of the electrical response, of a nanoscale material such as a clay mineral or sands containing clay minerals, to a characterization in large-scale training.

[0014] As modalidades desta invenção fornecem tal método e sistema para fornecer uma estimativa do fator de formação para formações compostas incluindo componentes de nanoescala, tais como argilas.[0014] Embodiments of this invention provide such a method and system to provide a formation factor estimate for composite formations including nanoscale components such as clays.

[0015] Outros objetos e vantagens fornecidos por modalidades desta invenção serão evidentes para os especialistas na matéria com referência à seguinte especificação juntamente com os seus desenhos.[0015] Other objects and advantages provided by embodiments of this invention will become apparent to those skilled in the art with reference to the following specification together with the drawings thereof.

[0016] As modalidades desta invenção podem ser implementadas em um método de simulação da resposta elétrica de um componente de mineral de argila e um sistema de realização de tal simulação. Um modelo de um sistema de argila molecular é construído como uma estrutura de várias camadas correspondente a um mineral de argila análogo à argila de interesse, com cátions multivalentes de uma espécie selecionada inseridos na estrutura com uma densidade de carga selecionada, e com uma quantidade de camadas de água inseridas no espaço entre as camadas na estrutura, de acordo com uma saturação de água selecionada. Os parâmetros de campo de força representando forças interatômicas e variáveis de simulação correspondentes às condições desejadas da simulação, como pressão, temperatura, volume e similares, são atribuídos ao modelo construído da argila. A simulação de dinâmica molecular é então realizada para determinar os coeficientes de difusão dos íons entre as camadas no sistema de argila. A aplicação da Relação de Nernst-Einstein renderiza uma estimativa das condutividades de íons da argila.[0016] Embodiments of this invention can be implemented in a method of simulating the electrical response of a clay mineral component and a system for performing such simulation. A model of a molecular clay system is constructed as a multilayer structure corresponding to a clay mineral analogous to the clay of interest, with multivalent cations of a selected species embedded in the structure with a selected charge density, and with an amount of layers of water inserted into the space between the layers in the structure, according to a selected water saturation. Force field parameters representing interatomic forces and simulation variables corresponding to the desired simulation conditions, such as pressure, temperature, volume and the like, are assigned to the model constructed from clay. Molecular dynamics simulation is then performed to determine the ion diffusion coefficients between layers in the clay system. Application of the Nernst-Einstein Relation yields an estimate of clay ion conductivities.

[0017] De acordo com outras modalidades da invenção, são fornecidos um método e sistema correspondente para realizar a simulação numérica direta de uma rocha contendo frações de argila. Um volume de imagens tridimensionais (3D) de uma amostra da rocha é obtido por tomografia de raios X, seguida por segmentação do volume para diferenciar as fases de frações de rocha não condutoras (por exemplo, quartzo), frações parcialmente condutoras (por exemplo, argila), e o espaço de poros. As propriedades condutoras são atribuídas a cada fase segmentada, e a simulação numérica é realizada para avaliar a resposta elétrica do volume. A partir da resposta simulada, uma ou mais propriedades elétricas da amostra de rocha contendo argila correspondente são estimadas.[0017] According to other embodiments of the invention, a method and corresponding system are provided for performing direct numerical simulation of a rock containing clay fractions. A three-dimensional (3D) volume image of a rock sample is obtained by X-ray tomography, followed by segmentation of the volume to differentiate the phases of non-conductive rock fractions (e.g. quartz), partially conductive fractions (e.g. clay), and the pore space. Conductive properties are assigned to each segmented phase, and numerical simulation is performed to evaluate the electrical response of the volume. From the simulated response, one or more electrical properties of the rock sample containing corresponding clay are estimated.

[0018] De acordo com outras modalidades da invenção, um modelo de um sistema de fluido molecular é construído e povoado com água com a densidade desejada, com contra-íons selecionados intersticialmente colocados na estrutura de modelo na concentração de carga desejada. Os coeficientes de campo de força são atribuídos ao modelo, e a simulação de dinâmica molecular é realizada para determinar a condutividade de fluido do volume do fluido como uma referência. Um fator de formação para um material portando argila é então calculado a partir de uma proporção da condutividade de volume do modelo de fluido de referência para as condutividades de íons simuladas do sistema de argila.[0018] According to other embodiments of the invention, a model of a molecular fluid system is constructed and populated with water of the desired density, with interstitially selected counterions placed in the model structure at the desired charge concentration. Force field coefficients are assigned to the model, and molecular dynamics simulation is performed to determine the fluid conductivity of the fluid volume as a reference. A formation factor for a clay bearing material is then calculated from a ratio of the volume conductivity of the reference fluid model to the simulated ion conductivities of the clay system.

BREVE DESCRIÇÃO DAS VÁRIAS VISTAS DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE VARIOUS VIEWS OF THE DRAWINGS

[0019] A Figura 1 é um diagrama elétrico, em forma esquemática, de um sistema de computador em rede programado para executar vários processos na modelagem e simulação de reservatórios de óleo e gás, de acordo com as modalidades da invenção.[0019] Figure 1 is an electrical diagram, in schematic form, of a networked computer system programmed to perform various processes in the modeling and simulation of oil and gas reservoirs, in accordance with the embodiments of the invention.

[0020] A Figura 2 é um fluxograma ilustrando um processo de estimativa da condutividade iônica de um sistema de mineral de argila, de acordo com as modalidades da invenção.[0020] Figure 2 is a flowchart illustrating a process for estimating the ionic conductivity of a clay mineral system, in accordance with the embodiments of the invention.

[0021] A Figura 3 é um fluxograma ilustrando a construção de um modelo molecular de um sistema de mineral de argila no processo da Figura 2, de acordo com uma modalidade da invenção.[0021] Figure 3 is a flowchart illustrating the construction of a molecular model of a clay mineral system in the process of Figure 2, in accordance with an embodiment of the invention.

[0022] As Figuras 4a a 4g são diagramas esquemáticos ilustrando modelos moleculares de sistemas de mineral de argila em vários estágios do processo da Figura 3.[0022] Figures 4a to 4g are schematic diagrams illustrating molecular models of clay mineral systems at various stages of the process of Figure 3.

[0023] A Figura 5 é um fluxograma ilustrando um processo de estimativa do fator de formação para um sistema de mineral de argila, de acordo com uma modalidade da invenção.[0023] Figure 5 is a flowchart illustrating a formation factor estimation process for a clay mineral system, in accordance with an embodiment of the invention.

[0024] As Figuras 6a e 6b são uma imagem de microtomografia de raios X e uma representação segmentada, respectivamente, de uma amostra de uma formação composta incluindo um componente de argila, para análise de acordo com as modalidades da invenção.[0024] Figures 6a and 6b are an X-ray microtomography image and a segmented representation, respectively, of a sample of a composite formation including a clay component, for analysis in accordance with embodiments of the invention.

[0025] A Figura 6c é um gráfico do fator de formação para três areias portadoras de argila diferentes usando simulação numérica direta, de acordo com uma modalidade da invenção.[0025] Figure 6c is a graph of the formation factor for three different clay-bearing sands using direct numerical simulation, in accordance with an embodiment of the invention.

[0026] A Figura 7 é um fluxograma ilustrando um processo de realização de simulação numérica direta em uma amostra de uma formação composta tal como mostrado nas Figuras 6a e 6b, para uso em conexão com registros e medições de resistividade, de acordo com uma modalidade da invenção.[0026] Figure 7 is a flowchart illustrating a process of performing direct numerical simulation on a sample of a composite formation as shown in Figures 6a and 6b, for use in connection with records and resistivity measurements, in accordance with an embodiment of the invention.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0027] Esta invenção será descrita em ligação com uma ou mais das suas modalidades, nomeadamente como implementadas em um método e sistema para desenvolver simulações de minerais de argila, particularmente para utilização em ligação com simulação numérica direta, uma vez que é contemplado que esta invenção será especialmente benéfica em tal aplicação. No entanto, é contemplado que as modalidades desta invenção podem fornecer benefícios e vantagens significativos em uma vasta gama de aplicações além das aqui descritas. Consequentemente, deve ser entendido que a descrição que segue é fornecida apenas a título de exemplo, e não se destina a limitar o âmbito verdadeiro desta invenção como reivindicado.[0027] This invention will be described in connection with one or more of its embodiments, namely as implemented in a method and system for developing clay mineral simulations, particularly for use in connection with direct numerical simulation, as it is contemplated that this invention will be especially beneficial in such an application. However, it is contemplated that embodiments of this invention may provide significant benefits and advantages in a wide range of applications beyond those described herein. Accordingly, it is to be understood that the description which follows is provided by way of example only, and is not intended to limit the true scope of this invention as claimed.

[0028] Nos últimos anos, argilas e xistos tornaram-se formações importantes no desenvolvimento e produção de petróleo e gás. Observou-se que algumas dessas argilas possuem impurezas substitutivas, tais como átomos de alumínio que substituem átomos de silício na estrutura cristalina, ou átomos de magnésio ou ferro que substituem os átomos de alumínio na estrutura cristalina. Estas impurezas catiônicas alteram o equilíbrio de carga da estrutura cristalina de argila de tal forma que os íons extra-estrutura adsorvidos são necessários para manter a neutralidade da carga. Estes íons extra-estrutura adsorvidos estão presentes nas superfícies externas da argila, e não fazem parte da estrutura da argila por si só.[0028] In recent years, clays and shales have become important formations in the development and production of oil and gas. It was observed that some of these clays have substitutive impurities, such as aluminum atoms that replace silicon atoms in the crystalline structure, or magnesium or iron atoms that replace aluminum atoms in the crystalline structure. These cationic impurities alter the charge balance of the clay crystal structure in such a way that adsorbed extra-structure ions are required to maintain charge neutrality. These adsorbed extrastructure ions are present on the outer surfaces of the clay, and are not part of the clay structure per se.

[0029] Conforme descrito acima, registros de resistividade fornecem informação importante sobre o conteúdo de fluido, volume de fluido e estrutura de poro das formações subsuperficiais. No entanto, a presença de componentes de argila na formação nubla a relação entre a resistividade e as propriedades físicas de interesse, já que as aproximações empíricas e baseadas em física do comportamento da argila apresentam grandes incertezas. Uma compreensão melhorada dos mecanismos físicos envolvidos no comportamento de condutividade dos minerais de argila seria, portanto, também desejável.[0029] As described above, resistivity records provide important information about the fluid content, fluid volume and pore structure of subsurface formations. However, the presence of clay components in the formation clouds the relationship between resistivity and the physical properties of interest, as empirical and physics-based approximations of clay behavior present large uncertainties. An improved understanding of the physical mechanisms involved in the conductivity behavior of clay minerals would therefore also be desirable.

[0030] As modalidades desta invenção fornecem ferramentas e técnicas para obter uma melhor compreensão dos mecanismos físicos em que se baseia o comportamento de minerais de argila em formações subsuperficiais. Além disso, como será descrito abaixo, essas ferramentas e técnicas permitem uma análise em escala maior das formações portando argila, de forma a fornecer uma precisão aprimorada em uma forma eficiente.[0030] Embodiments of this invention provide tools and techniques to gain a better understanding of the physical mechanisms underlying the behavior of clay minerals in subsurface formations. Furthermore, as will be described below, these tools and techniques allow for larger scale analysis of clay bearing formations in order to provide improved accuracy in an efficient manner.

SISTEMA COMPUTADORIZADOCOMPUTERIZED SYSTEM

[0031] De acordo com modalidades desta invenção, é contemplado que estas ferramentas e técnicas serão implementadas, pelo menos em parte, por um sistema computadorizado, considerando a natureza e extensão dos cálculos necessários. A Figura 1 ilustra um exemplo da implementação de uma modalidade da invenção, na forma do sistema computadorizado 20, que executa as operações descritas nesta especificação para executar de forma eficiente uma simulação do comportamento de um mineral de argila, particularmente para fins de estimativa da condutividade de uma ou mais argilas, e em algumas modalidades para estimar a condutividade e outras propriedades petrofísicas de uma amostra de rocha incluindo um componente de argila através de simulação numérica direta. Neste exemplo, o sistema 20 pode ser realizado por meio de um sistema de computador incluindo a estação de trabalho 21 conectada ao servidor 30 por meio de uma rede. Claro, a arquitetura particular e a construção de um sistema de computador útil em conexão com esta invenção podem variar amplamente. Por exemplo, o sistema 20 pode ser realizado por um único computador físico, como uma estação de trabalho convencional ou computador pessoal, ou, alternativamente, por um sistema de computador implementado em uma maneira distribuída em vários computadores físicos. Consequentemente, a arquitetura generalizada ilustrada na Figura 1 é fornecida apenas a título de exemplo.[0031] In accordance with embodiments of this invention, it is contemplated that these tools and techniques will be implemented, at least in part, by a computerized system, considering the nature and extent of the necessary calculations. Figure 1 illustrates an example implementation of an embodiment of the invention, in the form of computer system 20, which performs the operations described in this specification to efficiently run a simulation of the behavior of a clay mineral, particularly for conductivity estimation purposes. of one or more clays, and in some embodiments to estimate the conductivity and other petrophysical properties of a rock sample including a clay component through direct numerical simulation. In this example, system 20 may be realized via a computer system including workstation 21 connected to server 30 via a network. Of course, the particular architecture and construction of a computer system useful in connection with this invention could vary widely. For example, system 20 may be realized by a single physical computer, such as a conventional workstation or personal computer, or, alternatively, by a computer system implemented in a distributed manner across multiple physical computers. Consequently, the generalized architecture illustrated in Figure 1 is provided by way of example only.

[0032] Como mostrado na Figura 1 e, como mencionado acima, o sistema 20 inclui estação de trabalho 21 e servidor 30. Estação de trabalho 21 inclui unidade de processamento central 25, acoplado ao barramento de sistema BUS. Também acoplado a um barramento de sistema BUS é a interface de entrada / saída 22, que se refere a esses recursos de interface por meio dos quais as funções periféricas de I / O (por exemplo, teclado, mouse, exibição, etc.) interagem com os outros constituintes da estação de trabalho 21. A unidade de processamento central 25 refere-se à capacidade de processamento de dados da estação de trabalho 21 e, como tal, pode ser implementada por um ou mais núcleos de CPU, circuitos de coprocessamento e semelhantes. A construção e capacidade particulares da unidade de processamento central 25 são selecionadas de acordo com as necessidades de aplicação da estação de trabalho 21, tais necessidades incluindo, no mínimo, a realização das funções descritas nesta especificação, e também incluindo outras funções que podem ser executadas pelo sistema 20. Na arquitetura do sistema 20 de acordo com este exemplo, memória de sistema 24 é acoplada ao barramento de sistema BUS, e fornece recursos de memória do tipo desejado úteis como memória de dados para armazenar dados de entrada e os resultados do processamento executados pela unidade de processamento central 25, bem como memória de programa para armazenar as instruções de computador a serem executadas pela unidade de processamento central 25 na execução dessas funções. Naturalmente, este arranjo de memória é apenas um exemplo, entendendo-se que a memória de sistema 24 pode implementar tal memória de dados e memória de programa em recursos de memória física separados, ou distribuídos no total ou parcialmente fora da estação de trabalho 21. Além disso, como mostrado na Figura 1, a estação de trabalho 21 também pode receber a partir do sistema de formação de imagem 28, através da função de entrada / saída 22, dados na forma de um volume de imagem digital representativo de uma amostra de rocha 28 a partir de sensores e transdutores implantados em poços no campo de produção. Essas entradas de medição podem ser armazenadas em um recurso de memória acessível à estação de trabalho 21, localmente ou através da interface de rede 26.[0032] As shown in Figure 1 and as mentioned above, system 20 includes workstation 21 and server 30. Workstation 21 includes central processing unit 25, coupled to the system bus BUS. Also coupled to a BUS system bus is the input/output interface 22, which refers to those interface features through which peripheral I/O functions (e.g., keyboard, mouse, display, etc.) interact with the other constituents of the workstation 21. The central processing unit 25 refers to the data processing capability of the workstation 21 and, as such, may be implemented by one or more CPU cores, co-processing circuits and similar. The particular construction and capacity of the central processing unit 25 are selected in accordance with the application needs of the workstation 21, such needs including, at a minimum, performing the functions described in this specification, and also including other functions that may be performed by system 20. In the architecture of system 20 according to this example, system memory 24 is coupled to the system bus BUS, and provides desired type memory resources useful as data memory for storing input data and the results of processing executed by central processing unit 25, as well as program memory for storing the computer instructions to be executed by central processing unit 25 in carrying out these functions. Of course, this memory arrangement is just one example, it being understood that system memory 24 may implement such data memory and program memory in separate physical memory resources, or distributed wholly or partially outside of workstation 21. Furthermore, as shown in Figure 1, the workstation 21 can also receive from the imaging system 28, via the input/output function 22, data in the form of a digital image volume representative of a sample of Rocha 28 from sensors and transducers implanted in wells in the production field. These measurement entries can be stored in a memory resource accessible to the workstation 21, either locally or via the network interface 26.

[0033] A interface de rede 26 da estação de trabalho 21 é uma interface ou adaptador convencional através do qual a estação de trabalho 21 acessa recursos de rede em uma rede. Conforme mostrado na Figura 1, os recursos de rede a que a estação de trabalho 21 tem acesso através da interface de rede 26 incluem o servidor 30, que reside em uma rede de área local, ou uma rede de área ampla, como uma intranet, uma rede privada virtual ou na Internet e que são acessíveis para a estação de trabalho 21 por meio de um desses arranjos de rede e pelas correspondentes instalações de comunicação com ou sem fio (ou ambas). Nesta modalidade, o servidor 30 é um sistema de computador, de uma arquitetura convencional semelhante, em um sentido geral, a da estação de trabalho 21 e, como tal, inclui uma ou mais unidades de processamento central, barramentos de sistema e recursos de memória, funções de interface de rede, e similares. De acordo com esta modalidade da invenção, o servidor 30 é acoplado à memória de programa 34, que é um meio legível por computador que armazena instruções de programa de computador executáveis, de acordo com as quais as operações descritas nesta especificação são realizadas pelo sistema de análise 20. Nesta modalidade da invenção, estas instruções de programa de computador são executadas pelo servidor 30, por exemplo sob a forma de uma aplicação interativa, mediante dados de entrada comunicados a partir da estação de trabalho 21, para criar dados de saída e resultados que são comunicados à estação de trabalho 21 para exibição ou saída por periféricos de I / O de uma forma útil para o usuário humano da estação de trabalho 21. Além disso, a biblioteca 32 também está disponível para o servidor 30 (e talvez a estação de trabalho 21 na rede de área local ou na rede de área ampla) e armazena a informação de arquivamento ou de referência como pode ser útil no sistema 20. A biblioteca 32 pode residir em outra rede de área local ou, em alternativa, ser acessível através da Internet ou de outra rede de área ampla. Está contemplado que a biblioteca 32 também pode ser acessível a outros computadores associados na rede geral.[0033] The network interface 26 of the workstation 21 is a conventional interface or adapter through which the workstation 21 accesses network resources on a network. As shown in Figure 1, the network resources that the workstation 21 has access to through the network interface 26 include the server 30, which resides on a local area network, or a wide area network, such as an intranet, a virtual private network or the Internet and which are accessible to the workstation 21 via one of these networking arrangements and corresponding wired or wireless communication facilities (or both). In this embodiment, the server 30 is a computer system, of a conventional architecture similar, in a general sense, to that of the workstation 21 and, as such, includes one or more central processing units, system buses and memory resources. , network interface functions, and the like. According to this embodiment of the invention, the server 30 is coupled to the program memory 34, which is a computer-readable medium that stores executable computer program instructions, in accordance with which the operations described in this specification are carried out by the control system. analysis 20. In this embodiment of the invention, these computer program instructions are executed by the server 30, for example in the form of an interactive application, upon input data communicated from the workstation 21, to create output data and results. which are communicated to workstation 21 for display or output by I/O peripherals in a form useful to the human user of workstation 21. Furthermore, library 32 is also available to server 30 (and perhaps workstation 21). library 21 on the local area network or wide area network) and stores such archival or reference information as may be useful on the system 20. The library 32 may reside on another local area network or, alternatively, be accessible over the Internet or another wide area network. It is contemplated that the library 32 may also be accessible to other associated computers on the general network.

[0034] Naturalmente, o recurso de memória particular ou o local em que as medições, a biblioteca 32 e a memória de programa 34 residem fisicamente podem ser implementados em vários locais acessíveis ao sistema 20. Por exemplo, esses dados e instruções de programa podem ser armazenados em recursos de memória local dentro da estação de trabalho 21, dentro do servidor 30, ou em recursos de memória acessíveis por rede para essas funções. Além disso, cada desses recursos de memória de dados e programas pode ser distribuído entre vários locais, como é conhecido na arte. É contemplado que os especialistas na técnica serão facilmente capazes de implementar o armazenamento e a recuperação das medições, modelos e outras informações aplicáveis, úteis em conexão com esta modalidade da invenção, de uma maneira adequada para cada aplicação particular.[0034] Of course, the particular memory resource or location where the measurements, library 32 and program memory 34 physically reside can be implemented in various locations accessible to the system 20. For example, these data and program instructions can be stored in local memory resources within the workstation 21, within the server 30, or in network accessible memory resources for these functions. Furthermore, each of these data and program memory resources may be distributed among multiple locations, as is known in the art. It is contemplated that those skilled in the art will be readily able to implement the storage and retrieval of measurements, models and other applicable information useful in connection with this embodiment of the invention, in a manner suitable for each particular application.

[0035] De acordo com esta modalidade da invenção, a título de exemplo, a memória de sistema 24 e a memória de programa 34 armazenam instruções de computador executáveis pela unidade de processamento central 25 e o servidor 30, respectivamente, para executar as funções descritas nesta especificação. Essas instruções de computador podem estar na forma de um ou mais programas executáveis, ou na forma de código fonte ou código de nível superior a partir do qual um ou mais programas executáveis são derivados, montados, interpretados ou compilados. Qualquer de várias linguagens ou protocolos de computador pode ser usado, dependendo da maneira como as operações desejadas devem ser realizadas. Por exemplo, estas instruções de computador para criar o modelo de acordo com as modalidades desta invenção podem ser escritas em uma linguagem de alto nível convencional, como JAVA, FORTRAN ou C ++, seja como um programa de computador linear convencional ou organizado para execução em uma maneira orientada a objeto. Essas instruções também podem ser incorporadas em uma aplicação de nível superior. Mais especificamente, é contemplado que a simulação do comportamento do volume subsuperficial modelado pode ser realizada, em parte, por meio de uma aplicação ou pacote de software de simulação de computador, um exemplo do qual é o pacote de software de computador de dinâmica molecular de Simulador Paralelo Massivamente Atômico / Molecular (LAMMPS) disponível a partir de Sandia National Laboratories, usando uma estrutura de campo de força geral adequada para simulações moleculares, um exemplo da qual é a estrutura de trabalho CLAYFF descrita em Cygan et al., "Modelos Moleculares de Fases de Hidróxido, Oxidróxido, e Argila e o Desenvolvimento de um Campo de Força Geral", J. Phys. Chem. B, Vol. 108 (2004), pp. 1255 - 1266, aqui incorporado por referência. Em qualquer caso, é contemplado que os especialistas na técnica que se referem a esta descrição serão facilmente capazes de realizar, sem experimentação indevida, esta modalidade da invenção de uma maneira adequada para as instalações desejadas. Esses programas de computador executáveis para a realização de modalidades desta invenção podem ser instalados como residentes no sistema 20 como descrito acima ou, alternativamente, podem estar na forma de um aplicação executável baseada na web que é acessível ao servidor 30 e sistemas de computador clientes, como estação de trabalho 21 para receber entradas do sistema cliente, executar módulos de algoritmos em um servidor web, e fornecer saída para o sistema cliente em uma exibição conveniente ou impressa. Alternativamente, estas instruções de software executáveis em computador podem ser residentes em outros lugares na rede de área local ou rede de área ampla, ou para descarregamento a partir de servidores de nível superior ou locais, por meio de informação codificada em um sinal de portadora eletromagnética através de alguma interface de rede ou dispositivo de entrada / saída. As instruções de software executáveis por computador podem ter sido originalmente armazenadas em um meio de armazenamento legível por computador removível ou outro não volátil (por exemplo, um disco de DVD, memória flash, ou semelhantes), ou capazes de serem descarregadas como informação codificada em um sinal de portadora eletromagnética, na forma de um pacote de software a partir do qual as instruções de software executáveis por computador foram instaladas pelo sistema 20 de maneira convencional para instalação de software.[0035] According to this embodiment of the invention, by way of example, the system memory 24 and the program memory 34 store computer instructions executable by the central processing unit 25 and the server 30, respectively, to perform the functions described in this specification. These computer instructions may be in the form of one or more executable programs, or in the form of source code or higher-level code from which one or more executable programs are derived, assembled, interpreted or compiled. Any of several computer languages or protocols can be used, depending on how the desired operations are to be performed. For example, these computer instructions for creating the model in accordance with the embodiments of this invention can be written in a conventional high-level language such as JAVA, FORTRAN or C++, either as a conventional linear computer program or organized for execution. in an object-oriented way. These instructions can also be incorporated into a higher-level application. More specifically, it is contemplated that simulation of the behavior of the modeled subsurface volume may be performed, in part, by means of a computer simulation application or software package, an example of which is the molecular dynamics computer software package of Massively Parallel Atomic/Molecular Simulator (LAMMPS) available from Sandia National Laboratories, using a general force field structure suitable for molecular simulations, an example of which is the CLAYFF framework described in Cygan et al., "Molecular Models of Hydroxide, Oxide, and Clay Phases and the Development of a General Force Field", J. Phys. chem. B, Vol. 108 (2004), pp. 1255 - 1266, incorporated herein by reference. In any case, it is contemplated that those skilled in the art referring to this description will be readily able to carry out, without undue experimentation, this embodiment of the invention in a manner suitable for the desired installations. Such executable computer programs for carrying out embodiments of this invention may be installed as residents on system 20 as described above or, alternatively, may be in the form of an executable web-based application that is accessible to server 30 and client computer systems, as a workstation 21 for receiving input from the client system, executing algorithm modules on a web server, and providing output to the client system in a convenient display or printed form. Alternatively, these computer-executable software instructions may be resident elsewhere on the local area network or wide area network, or for download from higher-level or local servers via information encoded in an electromagnetic carrier signal. through some network interface or input/output device. Computer-executable software instructions may have originally been stored on removable or other non-volatile computer-readable storage medium (e.g., a DVD disc, flash memory, or the like), or capable of being downloaded as encoded information in an electromagnetic carrier signal, in the form of a software package from which computer executable software instructions have been installed by the system 20 in conventional manner for installing software.

ESTIMATIVA DE CONDUTIVIDADE IÔNICA DE UM MINERAL DE ARGILAESTIMATE OF IONIC CONDUCTIVITY OF A CLAY MINERAL

[0036] A Figura 2 ilustra a operação generalizada do sistema 20 na execução de uma simulação para estimar a condutividade de um sistema de mineral de argila modelado, tipicamente correspondente a um componente de uma formação subsuperficial de interesse na exploração e produção de petróleo ou gás, de acordo com uma modalidade da invenção. Como mencionado acima, é contemplado que as várias etapas e funções neste processo podem ser realizadas por um ou mais dos recursos de computação no sistema 20 executando instruções de programa de computador residentes na memória de programa disponível, em conjunto com entradas de usuário conforme apropriado. Como mencionado acima, é contemplado que o sistema 20 será programado, de acordo com as modalidades desta invenção, com programas de computador que, quando executados por recursos de computação no sistema 20, realizarão os vários processos descritos nesta especificação para simulação da condutividade de sistemas de mineral de argila conforme especificado por vários valores e relacionamentos de parâmetros físicos.[0036] Figure 2 illustrates the generalized operation of the system 20 in the execution of a simulation to estimate the conductivity of a modeled clay mineral system, typically corresponding to a component of a subsurface formation of interest in the exploration and production of oil or gas , according to an embodiment of the invention. As mentioned above, it is contemplated that the various steps and functions in this process may be performed by one or more of the computing resources in system 20 executing computer program instructions residing in available program memory, in conjunction with user input as appropriate. As mentioned above, it is contemplated that system 20 will be programmed, in accordance with embodiments of this invention, with computer programs that, when executed by computing resources in system 20, will perform the various processes described in this specification for simulating the conductivity of systems of clay mineral as specified by various physical parameter values and relationships.

[0037] Embora a descrição que segue apresente um exemplo desta operação como realizada na estação de trabalho 21 no arranjo em rede do sistema 20 mostrado na Figura 1, é evidente que o componente de computação particular usado para executar operações particulares pode variar amplamente, dependendo da implementação de sistema. Como tal, a descrição a seguir não se destina a ser limitativa, particularmente na identificação desses componentes envolvidos em uma operação específica. Por conseguinte, considera-se que os especialistas na técnica compreenderão facilmente, a partir desta especificação, a maneira pela qual essas operações podem ser realizadas por recursos computacionais nestas várias implementações e realizações. Consequentemente, é contemplado que a referência à execução de certas operações pelo sistema 20 será suficiente para permitir que os leitores qualificados implementem prontamente as modalidades desta invenção, sem experimentação indevida.[0037] Although the following description presents an example of this operation as performed at workstation 21 in the network arrangement of system 20 shown in Figure 1, it is evident that the particular computing component used to perform particular operations can vary widely depending on of system implementation. As such, the following description is not intended to be limiting, particularly in identifying those components involved in a specific operation. Accordingly, it is believed that those skilled in the art will readily understand from this specification the manner in which these operations can be performed by computational resources in these various implementations and embodiments. Accordingly, it is contemplated that reference to the execution of certain operations by the system 20 will be sufficient to allow skilled readers to readily implement the embodiments of this invention, without undue experimentation.

[0038] Conforme mostrado na Figura 2, um passo inicial na estimativa da condutividade de um sistema de mineral de argila de acordo com as modalidades desta invenção é a construção de um modelo molecular do sistema de argila, no processo 40. Para os fins desta descrição, o uso do termo "molecular" em conexão com os modelos de sistemas de argila e estimativa de condutividade nesta descrição destina-se a se referir a modelos e simulações nas quais átomos, íons e moléculas individuais estão representados; nesse contexto, o termo "molecular" pretende incluir espécies atômicas e iônicas, bem como moléculas.[0038] As shown in Figure 2, an initial step in estimating the conductivity of a clay mineral system in accordance with the embodiments of this invention is the construction of a molecular model of the clay system, in process 40. For the purposes of this description, the use of the term "molecular" in connection with models of clay systems and conductivity estimation in this description is intended to refer to models and simulations in which individual atoms, ions and molecules are represented; in this context, the term "molecular" is intended to include atomic and ionic species as well as molecules.

[0039] Com referência agora às Figuras 3 e 4a a 4g, a operação do processo 40 na construção do modelo molecular do sistema de mineral de argila a ser simulado de acordo com uma modalidade da invenção será descrita em maior detalhe. O processo de construção 40 começa com o processo 50, em que uma estrutura de argila anidra análoga é construída, neste exemplo, arranjada de acordo com um modelo de célula unitária. Esta estrutura de argila anidra análoga é construída para refletir os atributos do sistema de mineral de argila a ser modelado.[0039] Referring now to Figures 3 and 4a to 4g, the operation of process 40 in building the molecular model of the clay mineral system to be simulated in accordance with an embodiment of the invention will be described in greater detail. Construction process 40 begins with process 50, in which an analogous anhydrous clay structure is constructed, in this example arranged according to a unit cell model. This analogous anhydrous clay structure is constructed to reflect the attributes of the clay mineral system being modeled.

[0040] A Figura 4a ilustra um exemplo de uma tal argila anidra análoga, a partir da qual um modelo de uma argila de esmectita (inchaço) será construído de acordo com esta modalidade da invenção. A argila análoga mostrada na Figura 4a baseia-se na muscovita como argila análoga à argila de esmectita modelada. A moscovita é referida como um aluminossilicato de camada "2-1", na medida em que cada camada 65 da argila consiste em duas folhas tetraédricas de silicato em cada lado de uma folha octaédrica de aluminato de hidroxilo (aqui referida como a folha octaédrica de alumínio). De acordo com este exemplo, essa estrutura de muscovita é, então, modificada pela remoção de íons de potássio da folha octaédrica, e substituição de átomos de alumínio nas folhas tetraédricas com átomos de silício. Esta estrutura permanece na carga neutra e, na sua forma anidra, fornece a estrutura de uma argila de pirofilita. A Figura 4a ilustra a estrutura desta argila de pirofilita para porções de um par de camadas de argila paralelas 65, cada incluindo duas folhas de silicato 60 de cada lado de uma única folha octaédrica de alumínio 62. A célula unitária 64 é mostrada na Figura 4a e serve como base para o modelo deste sistema de mineral de argila; a fórmula química para a unidade de célula 64, neste exemplo, é Si8Al4O20(OH)4. Os átomos de alumínio (Al), oxigênio (O), hidrogênio (H) e silício (Si) no modelo da argila de pirofilita são rotulados na Figura 4a. Como evidente a partir deste exemplo da Figura 4a, camadas paralelas 65 são separadas umas das outras por espaço “entre camadas” 63 (isto é, o espaço de galeria entre as camadas 65 na estrutura); como será descrito abaixo, a hidratação desta estrutura de argila inchará o volume da argila, uma vez que uma ou mais camadas de água serão inseridas nesse espaço entre camadas 63 entre essas camadas paralelas 65 da estrutura.[0040] Figure 4a illustrates an example of such an anhydrous clay analogue, from which a model of a smectite (swelling) clay will be constructed in accordance with this embodiment of the invention. The clay analogue shown in Figure 4a is based on muscovite as a clay analogue to modeled smectite clay. Muscovite is referred to as a "2-1" layer aluminosilicate, in that each layer 65 of the clay consists of two tetrahedral sheets of silicate on each side of an octahedral sheet of hydroxyl aluminate (herein referred to as the octahedral sheet of aluminum). According to this example, this muscovite structure is then modified by removing potassium ions from the octahedral sheet, and replacing aluminum atoms in the tetrahedral sheets with silicon atoms. This structure remains charge neutral and, in its anhydrous form, provides the structure of a pyrophyllite clay. Figure 4a illustrates the structure of this pyrophyllite clay for portions of a pair of parallel clay layers 65, each including two silicate sheets 60 on either side of a single octahedral aluminum sheet 62. The unit cell 64 is shown in Figure 4a and serves as the basis for the model of this clay mineral system; the chemical formula for cell unit 64 in this example is Si8Al4O20(OH)4. The aluminum (Al), oxygen (O), hydrogen (H) and silicon (Si) atoms in the pyrophyllite clay model are labeled in Figure 4a. As evident from this example of Figure 4a, parallel layers 65 are separated from one another by "interlayer" space 63 (ie, the gallery space between layers 65 in the structure); as will be described below, hydration of this clay structure will swell the volume of the clay, since one or more layers of water will be inserted into this interlayer space 63 between these parallel layers 65 of the structure.

[0041] A Figura 4b ilustra a estrutura de célula unitária para um mineral de argila análogo diferente, a saber, a caulinita. A caulinita é uma argila "1-1", na medida em que uma camada 65’ (e, portanto, uma célula unitária 64') desta argila inclui uma folha de silicato 60 e uma folha octaédrica de alumínio 62. Conforme conhecido na técnica, a caulinita não é uma argila de esmectita (isto é, não tem uma carga negativa estrutural permanente), e, como tal, não vai inchar entre as suas camadas 65' após hidratação. Em vez disso, as bordas (isto é, extremidades) de camadas de caulinita 65' são reativas, e como tal, são os locais de interação com as moléculas de água e óleo.[0041] Figure 4b illustrates the unit cell structure for a different analogous clay mineral, namely kaolinite. Kaolinite is a "1-1" clay, in that a layer 65' (and therefore a unit cell 64') of this clay includes a silicate sheet 60 and an octahedral aluminum sheet 62. As known in the art , kaolinite is not a smectite clay (i.e. it does not have a permanent structural negative charge), and as such will not swell between its layers 65' after hydration. Rather, the edges (i.e., ends) of 65' kaolinite layers are reactive, and as such, are the sites of interaction with water and oil molecules.

[0042] É contemplado que as modalidades desta invenção podem ser utilizadas para simular a condutividade nestas, e outras, estruturas de argila. Para os fins desta descrição, a estrutura de argila da Figura 4a será discutida a título de exemplo. É contemplado que os especialistas na técnica que esta especificação se refere serão facilmente capazes de aplicar os métodos e sistemas aqui descritos, sem experimentação indevida, para a argila de caulinita da Figura 4b e a outras argilas de interesse.[0042] It is contemplated that embodiments of this invention can be used to simulate conductivity in these, and other, clay structures. For the purposes of this description, the clay structure of Figure 4a will be discussed by way of example. It is contemplated that those skilled in the art to which this specification pertains will readily be able to apply the methods and systems described herein, without undue experimentation, to the kaolinite clay of Figure 4b and to other clays of interest.

[0043] Referindo-se de novo à Figura 3, e de acordo com esta modalidade, uma vez que a estrutura de célula unitária é definida no processo 40, o processo 51 é então executado para ortogonalizar a célula unitária 64 em uma estrutura regular, com coordenadas atribuídas a cada um dos átomos para indicar suas posições em um sistema de coordenadas. Processo de ortogonalização 51 é opcional, como os processos de simulação subsequentes aqui descritos podem ser aplicados ao sistema de estrutura de simetria mineral original (ou seja, que pode ser não ortogonal). No entanto, é contemplado que o processamento subsequente seja mais convenientemente aplicado aos sistemas de modelos ortogonais, tais como produzidos pelo processo 51. Após a ortogonalização de acordo com esta modalidade, a célula unitária 64 é expandida para uma "supercélula" no processo 52. Esta supercélula criada no processo 52 é constituída por um número de células unitárias 64, e é de um tamanho suficiente para os processos de simulação aqui descritos. Por exemplo, a célula unitária 64 da Figura 4a pode ser expandida em processo 52 em uma supercélula de sessenta e quatro células unitárias, dispostas 8 x 4 x 2 em direções x, y e z (de acordo com a orientação da Figura 4-A), respectivamente. O número de repetições de células unitárias em cada direção pode naturalmente variar, de acordo com a simulação desejada. Cada dos átomos na representação da supercélula receberá coordenadas representando sua posição no sistema de coordenadas.[0043] Referring again to Figure 3, and in accordance with this embodiment, once the unit cell structure is defined in process 40, process 51 is then performed to orthogonalize the unit cell 64 into a regular structure, with coordinates assigned to each of the atoms to indicate their positions in a coordinate system. Orthogonalization process 51 is optional, as the subsequent simulation processes described herein may be applied to the original mineral symmetry structure system (ie, which may be non-orthogonal). However, it is contemplated that subsequent processing is more conveniently applied to orthogonal model systems such as produced by process 51. After orthogonalization in accordance with this embodiment, unit cell 64 is expanded into a "supercell" in process 52. This supercell created in process 52 is made up of a number of unit cells 64, and is of a sufficient size for the simulation processes described herein. For example, unit cell 64 of Figure 4a can be expanded in process 52 into a supercell of sixty-four unit cells, arranged 8 x 4 x 2 in x, y and z directions (according to the orientation of Figure 4-A), respectively. The number of unit cell repetitions in each direction can naturally vary, according to the desired simulation. Each of the atoms in the supercell representation will be given coordinates representing its position in the coordinate system.

[0044] No processo 54, de acordo com esta modalidade da invenção, íons de uma espécie selecionada são substituídos na estrutura de supercélula, de acordo com a densidade de carga desejada da argila a ser simulada. Nesta modalidade da invenção, uma argila de esmectita de montmorilonita deve ser simulada. Como tal, os íons de magnésio são substituídos por íons de alumínio na folha octaédrica 62 da estrutura de supercélula, tipicamente de forma aleatória. Como é conhecido na arte, a carga de íons de magnésio (Mg2+) difere da dos íons de alumínio (Al3+) sendo substituídos, o que resulta em locais de carga negativa nos locais da supercélula em que os íons de magnésio residem. As Figuras 4c e 4d ilustram exemplos de supercélulas da argila de esmectita de montmorilonita com base na estrutura da Figura 4a, em que íons de magnésio são substituídos aleatoriamente por íons de alumínio em duas concentrações de carga diferentes; estas vistas das Figuras 4c e 4d são vistas de plano em relação à vista de seção da Figura 4a, e como tal, o espaço entre camadas 63 entre as camadas paralelas da argila não é visível. Embora o posicionamento desses íons substituídos seja aleatório, esse posicionamento é, de preferência, controlado de modo a evitar a criação de interações de Mg-O-Mg de vizinho mais próximo. A Figura 4c ilustra um exemplo de carga relativamente baixa, em que a densidade de carga líquida da supercélula seguindo o processo de substituição 54 é - 0,375e por célula unitária, em que e representa a carga de elétron elementar; locais de carga negativa 66 são ilustrados nesta Figura 4c em locais correspondentes às posições dos íons de magnésio substituídos. A Figura 4d ilustra um exemplo de carga elevada, na qual a densidade de carga líquida da supercélula seguindo o processo de substituição de íons 54 é -0,750e por célula unitária, o qual é duas vezes a densidade de locais de carga negativa 66 como no exemplo da Figura 4c. Como parte do processo de substituição de íons 54, o modelo de supercélula é ainda modificado pela inserção de contra-íons na região entre camadas para renderizar a carga de supercélula neutra. Neste exemplo, utilizam-se contra-íons de sódio ou cálcio, embora outras espécies de contra-íons possam alternativamente ser usadas. Nos exemplos das Figuras 4c e 4d (isto é, com diferentes graus de densidade de carga), as resultantes fórmulas químicas de célula unitária resultantes do processo 54, utilizando contra-íons de sódio, são Na0, 375Si8Al3,625Mg0,375O20(OH)4 e Na0,75Si8Al3,25Mg0,75o20(OH)4, para os casos de baixa e alta densidade de carga, respectivamente.[0044] In process 54, according to this embodiment of the invention, ions of a selected species are replaced in the supercell structure, according to the desired charge density of the clay to be simulated. In this embodiment of the invention, a montmorillonite smectite clay must be simulated. As such, magnesium ions are replaced by aluminum ions in the octahedral sheet 62 of the supercell structure, typically at random. As is known in the art, the charge of magnesium ions (Mg2+) differs from that of the aluminum ions (Al3+) being replaced, which results in negatively charged sites at the supercell sites where magnesium ions reside. Figures 4c and 4d illustrate examples of montmorillonite smectite clay supercells based on the structure of Figure 4a, in which magnesium ions are randomly replaced by aluminum ions at two different charge concentrations; these views of Figures 4c and 4d are plan views relative to the sectional view of Figure 4a, and as such, the interlayer space 63 between the parallel layers of clay is not visible. Although the placement of these substituted ions is random, this placement is preferably controlled in order to avoid creating nearest neighbor Mg-O-Mg interactions. Figure 4c illustrates a relatively low charge example, where the net charge density of the supercell following the 54 replacement process is -0.375e per unit cell, where e represents the elementary electron charge; Negatively charged sites 66 are illustrated in this Figure 4c at locations corresponding to the positions of the substituted magnesium ions. Figure 4d illustrates a high charge example, in which the net charge density of the supercell following the ion replacement process 54 is -0.750e per unit cell, which is twice the density of negatively charged sites 66 as in example from Figure 4c. As part of the 54 ion replacement process, the supercell model is further modified by inserting counterions into the interlayer region to render the supercell charge neutral. In this example, sodium or calcium counterions are used, although other kinds of counterions could alternatively be used. In the examples of Figures 4c and 4d (that is, with different degrees of charge density), the resulting unit cell chemical formulas resulting from process 54, using sodium counterions, are Na0, 375Si8Al3,625Mg0,375O20(OH) 4 and Na0.75Si8Al3.25Mg0.75o20(OH)4, for cases of low and high charge density, respectively.

[0045] No processo 56, a estrutura de modelo de supercélula de argila é, então, hidratada pela introdução de moléculas de água no espaço entre camadas de argila na estrutura de supercélula. Para o exemplo da estrutura de argila de montmorilonita da Figura 4a, o processo de hidratação 56 separa as camadas de argila 2-1 por inserção de moléculas de água no espaço intermediário 63 entre as camadas 65. Nesta modalidade da invenção, a introdução de moléculas de água no processo 56 insere estas moléculas de água na forma de um número inteiro de camadas de moléculas de água, de acordo com a concentração de água desejada a ser simulada. Por exemplo, uma, duas ou três camadas de água podem ser inseridas no espaço intermediário 63, produzindo relações estequiométricas de 3,9, 7,9 e 11,8 moléculas de água por unidade de célula, respectivamente. Em um exemplo, o processo 56 é realizado por mover os contra-íons (Na+, Ca+2) inseridos no processo 54 em espaços entre camadas 63, em locais acima ou abaixo dos correspondentes locais de carga negativa 66 como o caso pode ser, em seguida, seguido por enchimento do volume restante de espaços entre camadas 63 com o número correspondente de moléculas de água na concentração desejada. Esta inserção de moléculas de água tem o efeito de aumentar a separação entre camadas paralelas da estrutura de argila 2-1 e, como tal, é representativa do inchaço da argila esperado para argilas de esmectita deste tipo.[0045] In process 56, the clay model supercell structure is then hydrated by introducing water molecules into the space between clay layers in the supercell structure. For the example of the montmorillonite clay structure of Figure 4a, the hydration process 56 separates the clay layers 2-1 by inserting water molecules into the interspace 63 between the layers 65. In this embodiment of the invention, the introduction of molecules of water in the process 56 inserts these water molecules in the form of an integer number of layers of water molecules, according to the desired water concentration to be simulated. For example, one, two or three layers of water can be inserted into the interspace 63, producing stoichiometric ratios of 3.9, 7.9 and 11.8 water molecules per unit cell, respectively. In one example, the process 56 is carried out by moving the counterions (Na+, Ca+2) inserted in the process 54 into interlayer spaces 63, at locations above or below the corresponding negatively charged sites 66 as the case may be, then followed by filling the remaining volume of interlayer spaces 63 with the corresponding number of water molecules at the desired concentration. This insertion of water molecules has the effect of increasing the separation between parallel layers of the 2-1 clay structure and as such is representative of the clay swelling expected for smectite clays of this type.

[0046] As Figuras 4e a 4g ilustram o modelo de supercélula de argila da Figura 4a após o processo de hidratação 56, com números variáveis de camadas de água inseridas entre camadas 65. A Figura 4e ilustra o arranjo da supercécula de argila com uma camada de água 67 (1) inserida entre camadas paralelas 65 da estrutura de argila 2-1. Como é evidente a partir da Figura 4e, contra-íons de sódio (Na+) são retidos dentro de camadas de água 67 (1). A separação resultante entre camadas paralelas adjacentes 65 define o passo de camada d(1) para o caso de uma camada de água 67 (1). Para os propósitos desta descrição, "passo" refere-se à espessura combinada de uma camada 65 e seu espaço entre camadas adjacente 63; esse passo de camada argila pode ser considerado como equivalente ao espaçamento d basal conforme medido experimentalmente por métodos de difração de pó de raios X. A Figura 4f ilustra o arranjo da supercélula com duas camadas de água 67 (2) inseridas entre cada par de camadas paralelas 65 da argila 2-1; o passo de camada d(2), neste caso, é maior do que o passo d(1) para o caso de uma camada de água única da Figura 4e. A Figura 4g ilustra o arranjo de supercélula com três camadas de água 67 (3) entre cada par de camadas paralelas adjacentes 65; o passo de camada d(3), neste caso, de três camadas de água é novamente maior do que o passo d(2) para o caso de duas camadas de água.[0046] Figures 4e to 4g illustrate the clay supercell model of Figure 4a after the hydration process 56, with varying numbers of layers of water inserted between layers 65. Figure 4e illustrates the arrangement of the clay supercell with a layer of water 67 (1) inserted between parallel layers 65 of clay structure 2-1. As is evident from Figure 4e, sodium counterions (Na+) are trapped within layers of water 67 (1). The resulting separation between adjacent parallel layers 65 defines the layer pitch d(1) for the case of a layer of water 67(1). For purposes of this description, "pitch" refers to the combined thickness of a layer 65 and its adjacent interlayer spacing 63; this clay layer pitch can be regarded as equivalent to the basal d spacing as measured experimentally by X-ray powder diffraction methods. Figure 4f illustrates the supercell arrangement with two layers of water 67(2) inserted between each pair of layers clay 2-1 parallels 65; the layer pitch d(2) in this case is greater than the layer pitch d(1) for the single water layer case of Figure 4e. Figure 4g illustrates the supercell arrangement with three layers of water 67 (3) between each pair of adjacent parallel layers 65; the layer step d(3) in this case of three layers of water is again larger than the step d(2) for the case of two layers of water.

[0047] Como se mostra nas Figuras 4e a 4g como mencionado acima, os contra-íons (por exemplo, Na+) são retidos no interior das camadas de água inseridas 67. O número e densidade de carga destes contra-íons são determinados pelo número de substituições (Mg2+ nesse exemplo) em camadas de argila 65 na estrutura anidra definida no processo 50 e, como tal, não varia com o número de camadas de água 67 inseridas na representação de supercélula. Porque contra-íons (Na+ ou Ca2+, como o caso pode ser) estão localizados no interior de camadas de água 67, estes contra-íons irão ser móveis sob o estímulo apropriado (embora acredite-se que as interações entre as moléculas de água e contra-íons vizinhos vão provocar o movimento de ambos). Como tal, é esse movimento desses contra-íons que origina a condutividade elétrica observada na argila em resposta a um potencial aplicado. A simulação da condutividade iônica dessa estrutura de argila de acordo com as modalidades desta invenção determinará assim o movimento destes contra-íons para estimar a condutividade iônica do sistema de mineral de argila.[0047] As shown in Figures 4e to 4g as mentioned above, counterions (eg Na+) are trapped within the inserted water layers 67. The number and charge density of these counterions are determined by the number of substitutions (Mg2+ in this example) in clay layers 65 in the anhydrous structure defined in process 50 and, as such, does not vary with the number of water layers 67 inserted in the supercell representation. Because counterions (Na+ or Ca2+, as the case may be) are located within layers of water 67, these counterions will be mobile under the appropriate stimulus (although it is believed that interactions between water molecules and neighboring counterions will cause movement of both). As such, it is this movement of these counterions that gives rise to the electrical conductivity observed in clay in response to an applied potential. Simulating the ionic conductivity of this clay structure in accordance with the embodiments of this invention will thus determine the movement of these counterions to estimate the ionic conductivity of the clay mineral system.

[0048] As coordenadas dos átomos na estrutura de supercélula após o processo de hidratação 56 ter expandido a separação entre as camadas adjacentes 65, incluindo coordenadas para os contra-íons, são então armazenadas como uma representação do modelo molecular construído no formato apropriado dentro da memória de sistema 20. A construção do modelo molecular do sistema de argila a ser simulado no processo 40 é, então, completa. Apesar das supercélulas nas Figuras 4e a 4g representarem modelos de tamanho finito, na prática comum condições de contorno periódicas são usadas para representar de forma eficaz um número infinito de unidades de supercélula de repetição nas direções x, y, e z. Desta forma, interações eletrostáticas de longo alcance serão devidamente incluídas em simulações de MD subsequentes, como descrito abaixo.[0048] The coordinates of the atoms in the supercell structure after the hydration process 56 has expanded the separation between adjacent layers 65, including coordinates for the counterions, are then stored as a representation of the molecular model constructed in the appropriate format within the system memory 20. Construction of the molecular model of the clay system to be simulated in process 40 is then complete. Although the supercells in Figures 4e to 4g represent models of finite size, in common practice periodic boundary conditions are used to efficiently represent an infinite number of repeating supercell units in the x, y, and z directions. This way, long-range electrostatic interactions will be properly included in subsequent MD simulations, as described below.

[0049] Voltando à Figura 2, o processo 42 é então realizado no modelo molecular construído no processo 40. O processo 42 atribui parâmetros de campo de força aos constituintes (átomos, moléculas) do modelo construído e às suas interações entre si. De acordo com esta modalidade da invenção, a estrutura de trabalho de campo de força para argilas conhecidas como "CLAYFF", descritas no artigo de Cygan et al. incorporado por referência acima, permite uma grande flexibilidade na especificação de parâmetros de interação entre os átomos e moléculas no modelo de supercélula de argila de montmorilonita hidratada construída no processo 40. Nesta modalidade da invenção, a atribuição desses parâmetros em processo 42 é contemplada para ser executada pelo sistema 20 dentro do ambiente de software de simulação, tal como dentro do pacote de software de computador de dinâmica molecular LAMMPS referido acima.[0049] Returning to Figure 2, process 42 is then performed on the molecular model constructed in process 40. Process 42 assigns force field parameters to the constituents (atoms, molecules) of the constructed model and their interactions with each other. According to this embodiment of the invention, the force field working structure for clays known as "CLAYFF", described in the article by Cygan et al. incorporated by reference above, allows great flexibility in specifying interaction parameters between the atoms and molecules in the hydrated montmorillonite clay supercell model constructed in process 40. In this embodiment of the invention, the assignment of these parameters in process 42 is contemplated to be performed by the system 20 within the simulation software environment, such as within the LAMMPS molecular dynamics computer software package referred to above.

[0050] Os valores dos parâmetros de campo de força e as variáveis de simulação são atribuídos aos constituintes do modelo construído no processo 42. Conforme descrito no Artigo de Cygan et al., os parâmetros de campo de força incluem: • Representações de átomos no modelo como cargas de ponto em locais dentro de um sistema de coordenadas, com liberdade translacional completa dentro da estrutura de modelo; • Energias para cada interação átomo-átomo no sistema, incluindo aquelas para interações eletrostáticas de longo alcance (lei de Coulomb), e interações de curto alcance (forças de van der Waals), e distâncias de corte para as mesmas; e • Ângulos de ligação, comprimentos de ligação, etc., para grupos hidroxilo e moléculas de água.[0050] The values of the force field parameters and the simulation variables are assigned to the constituents of the model built in process 42. As described in the Article by Cygan et al., the force field parameters include: • Representations of atoms in the model as point loads at locations within a coordinate system, with complete translational freedom within the model structure; • Energies for each atom-atom interaction in the system, including those for long-range electrostatic interactions (Coulomb's law), and short-range interactions (van der Waals forces), and cutoff distances for them; and • Bond angles, bond lengths, etc. for hydroxyl groups and water molecules.

[0051] Além disso, o processo 42 também pode atribuir valores a certas variáveis de simulação de acordo com as condições desejadas da simulação a ser executada, por exemplo, incluindo: • Condições de contorno representativas da pressão, temperatura e volume; • Conjunto termodinâmico de parâmetros; e • Outros coeficientes pertinentes à simulação da dinâmica molecular, como serão entendidos pelos especialistas na técnica com referência a esta especificação.[0051] In addition, process 42 can also assign values to certain simulation variables according to the desired conditions of the simulation to be performed, for example, including: • Boundary conditions representative of pressure, temperature and volume; • Thermodynamic set of parameters; and • Other coefficients pertinent to molecular dynamics simulation, as will be understood by those skilled in the art with reference to this specification.

[0052] Uma vez atribuídos, otimização dos parâmetros na estrutura de trabalho de campo de força pode ser realizada como desejável, e de acordo com técnicas convencionais como descrito em Artigo de Cygan et al. incorporado aqui por referência. Essa otimização pode ser realizada, por exemplo, para fornecer uma estrutura minimizada de energia conforme descrito nesse artigo. A aplicação destes coeficientes de campo de força no processo 42 pode resultar em mudanças nas posições de coordenadas dos vários constituintes do modelo de supercélula; por exemplo, foi observado que os passos de camada d(1), d(2), d(3) tem uma ligeira dependência da temperatura.[0052] Once assigned, optimization of the parameters in the force field work structure can be carried out as desirable, and according to conventional techniques as described in Article by Cygan et al. incorporated herein by reference. This optimization can be performed, for example, to provide an energy minimized structure as described in this article. The application of these force field coefficients in process 42 can result in changes in the coordinate positions of the various constituents of the supercell model; for example, it was observed that layer steps d(1), d(2), d(3) have a slight temperature dependence.

[0053] Após a atribuição dos coeficientes de campo de força no processo 42, o sistema 20 executa as instruções de programa para realizar o processo de simulação de dinâmica molecular (MD) 44. Conforme descrito acima, os pacotes de software de simulação de MD adequados para uso no processo de execução 44 são conhecidos na técnica. Um exemplo de um tal pacote de software de MD adequado é o pacote de software de LAMMPS disponível a partir de Sandia National Laboratories, conforme mencionado acima.[0053] After assigning the force field coefficients in process 42, the system 20 executes the program instructions to perform molecular dynamics (MD) simulation process 44. As described above, the MD simulation software packages suitable for use in process execution 44 are known in the art. An example of such a suitable MD software package is the LAMMPS software package available from Sandia National Laboratories, as mentioned above.

[0054] De acordo com as modalidades desta invenção, o processo de simulação de MD 44 avalia a dinâmica dos constituintes do modelo molecular de supercélula construído no processo 40, sob os valores dos parâmetros de campo de força e variáveis de simulação como atribuído no processo 42. Uma abordagem útil para o processo de simulação de MD 44 é avaliar tanto interações de curto alcance e de longo alcance (isto é, as equações aplicáveis e adequadas de movimento) entre os componentes de modelo em um número de intervalos de tempo dentro de um intervalo de tempo selecionado, para derivar as coordenadas posicionais, velocidades, e forças desses constituintes durante esse intervalo.[0054] According to the embodiments of this invention, the MD simulation process 44 evaluates the dynamics of the constituents of the supercell molecular model built in process 40, under the values of the force field parameters and simulation variables as assigned in the process 42. A useful approach to the MD 44 simulation process is to evaluate both short-range and long-range interactions (ie, the appropriate and applicable equations of motion) between model components over a number of time intervals within a selected time interval, to derive the positional coordinates, velocities, and forces of these constituents during that interval.

[0055] Em um exemplo de acordo com uma modalidade da invenção, interações de curto alcance (van der Waals) foram avaliadas em intervalos de tempo curtos (por exemplo, 0,5 fsec) com uma distância de corte (por exemplo, 10,0 Â) aplicada por essas forças de curto alcance, além do que essas interações são ignoradas na simulação. Nestas simulações, foram aplicadas condições de contorno periódicas, e interações eletrostáticas de longo alcance avaliadas em intervalos de tempo mais longos (por exemplo, 1,0 fsec), utilizando um algoritmo de soma de partícula- partícula partícula-malha (PPPM), tal como descrito em Plimpton et al., "Partícula-malha de Ewald e rRESPA para simulações de dinâmica molecular paralelas", Proceedings of the Eighth SIAM Conference on Paralel Processing for Scientific Computing (1997), aqui incorporado por referência. Neste exemplo, os sistemas modelo foram equilibrados termicamente utilizando uma simulação inicial de 50 psec no conjunto microcanônico (isto é, o número de partícula, volume, e energia potencial) com reescalonamento de velocidade de acordo com a temperatura desejada, seguido por uma simulação de 50 psec adicional no conjunto canônico (isto é, o número de partícula, volume e temperatura de termostato de Nose-Hoover). Na sequência destas simulações iniciais, uma simulação de produção ao longo de um período de tempo muito mais longo (por exemplo, 2500 psec) foi realizada no conjunto isotérmico-isobárico (isto é, número de partícula, pressão, e temperatura, com a pressão de barostato de Nose-Hoover definida como zero). Nesta simulação, o volume da supercélula foi permitido mudar apenas na direção z (isto é, perpendicular às camadas de argila nas Figuras 4e a 4g).[0055] In an example according to an embodiment of the invention, short-range (van der Waals) interactions were evaluated in short time intervals (e.g. 0.5 fsec) with a cut-off distance (e.g. 10, 0 Â) applied by these short-range forces, and these interactions are ignored in the simulation. In these simulations, periodic boundary conditions were applied, and long-range electrostatic interactions evaluated over longer time intervals (for example, 1.0 fsec), using a particle-particle-mesh (PPPM) summation algorithm, such as as described in Plimpton et al., "Ewald Mesh Particle and rRESPA for Parallel Molecular Dynamics Simulations", Proceedings of the Eighth SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing (1997), incorporated herein by reference. In this example, the model systems were thermally equilibrated using an initial 50 psec simulation on the microcanonical set (i.e., particle number, volume, and potential energy) with velocity rescaling according to the desired temperature, followed by a simulation of 50 additional psec on canonical set (ie particle number, volume and Nose-Hoover thermostat temperature). Following these initial simulations, a simulation of production over a much longer period of time (e.g., 2500 psec) was performed on the isothermal-isobaric set (i.e., particle number, pressure, and temperature, with the pressure Nose-Hoover barostat set to zero). In this simulation, the supercell volume was allowed to change only in the z direction (ie, perpendicular to the clay layers in Figures 4e to 4g).

[0056] Os resultados de simulação de processo 44 são então utilizados para o processo 46, em que coeficientes de autodifusão D de moléculas e átomos selecionados são calculados pelo sistema 20. Processo 46 nesta modalidade da invenção baseia-se no movimento dos átomos e moléculas selecionados de interesse durante um período de tempo selecionado durante a simulação. Na simulação da argila de esmectita descrita acima, coeficientes de difusão D para contra-íons de sódio (Na+) ou de cálcio (Ca+2), dependendo de quais estão presentes, e moléculas de água nas camadas de água inseridas 67 são com base nas coordenadas de posição desses átomos e moléculas em uma série de tempos de avaliação dentro de um intervalo de tempo selecionado da simulação de MD do processo 44. Para o exemplo da simulação de produção de 2500 psec no conjunto isotérmico-isobárico referido acima, o processo 46 pode ser baseado nas coordenadas dos átomos e moléculas armazenados na memória do sistema 20 a cada 2,0 fsec em relação aos 2000 psec finais dessa simulação de 2500 psec.[0056] The results of process simulation 44 are then used for process 46, in which self-diffusion coefficients D of selected molecules and atoms are calculated by system 20. Process 46 in this embodiment of the invention is based on the movement of atoms and molecules of interest during a selected time period during the simulation. In the smectite clay simulation described above, diffusion coefficients D for sodium (Na+) or calcium (Ca+2) counterions, depending on which are present, and water molecules in the embedded water layers 67 are based on on the position coordinates of these atoms and molecules over an evaluation time series within a selected time interval of the MD simulation of process 44. For the example of the 2500 psec production simulation on the isothermal-isobaric set referred to above, the process 46 can be based on the coordinates of atoms and molecules stored in system 20's memory every 2.0 fsec towards the final 2000 psec of this 2500 psec simulation.

[0057] Com base nessas posições de coordenada armazenadas dos íons e moléculas de interesse, coeficientes de autodifusão D são calculados no processo 46 a partir da média-quadrado-deslocamento desses íons e moléculas de água no plano x-y paralelamente à superfície basal: onde os colchetes <> denotam uma média de conjunto de deslocamento de x e y do íon ou molécula em um determinado momento t. Deslocamento na direção z é ajustado para zero no presente exemplo, como há difusão insignificante nessa direção (ou seja, apenas movimento aleatório, devido à energia cinética que ocorre na direção z no processo de simulação 44). O deslocamento médio de conjunto ao longo do tempo é avaliado para cada um dos contra-íons e moléculas de água selecionados nas camadas de água 67 no espaço entre camadas 63 da estrutura de supercélula submetida à simulação, por exemplo, sobre apenas um subintervalo do tempo em que a simulação foi realizada. No exemplo acima descrito, deslocamento de molécula e íon foi avaliado através do subintervalo de 200 psec a 800 psec pontos no intervalo de 2000 psec para o qual as coordenadas foram armazenadas, a fim de evitar os efeitos de movimento não linear de curto alcance (isto é, de rotação). A partir destes resultados, a análise de regressão apropriada (por exemplo, mínimos quadrados) pode ser realizada para recuperar a inclinação de deslocamento em função do tempo de simulação, e, assim, o coeficiente de autodifusão D para cada espécie.[0057] Based on these stored coordinate positions of the ions and molecules of interest, self-diffusion coefficients D are calculated in process 46 from the mean-square-displacement of these ions and water molecules in the xy plane parallel to the basal surface: where the brackets <> denote a set average of the x and y displacement of the ion or molecule at a given time t. Displacement in the z-direction is set to zero in this example, as there is negligible diffusion in that direction (ie, just random motion, due to kinetic energy occurring in the z-direction in process simulation 44). The average ensemble shift over time is evaluated for each of the selected counterions and water molecules in the water layers 67 in the interlayer space 63 of the supercell structure subjected to simulation, for example, over just one subinterval of time in which the simulation was performed. In the example described above, molecule and ion displacement was evaluated across the subrange of 200 psec to 800 psec points in the 2000 psec range for which the coordinates were stored, in order to avoid the effects of short range non-linear motion (i.e. i.e. rotation). From these results, appropriate regression analysis (eg, least squares) can be performed to recover the displacement slope as a function of simulation time, and thus the self-diffusion coefficient D for each species.

[0058] Em alternativa, os coeficientes de difusão para o íon e espécies de molécula de interesse em fluidos de volume ou em simulações só de fluido podem ser calculados no processo 46, por exemplo, por calcular diretamente o coeficiente de difusão D a partir da trajetória tridimensional dos íons e moléculas: onde os colchetes <> denotam uma média de conjunto do deslocamento dos íons ou moléculas sobre o intervalo de tempo a partir do tempo de início t0 até o tempo t. Como tal, esta expressão calcula o coeficiente de difusão a partir do deslocamento quadrático médio dos íons e moléculas, conforme determinado pelo processo de simulação de MD 44.[0058] Alternatively, the diffusion coefficients for the ion and molecule species of interest in bulk fluids or in fluid-only simulations can be calculated in process 46, for example, by directly calculating the diffusion coefficient D from the three-dimensional trajectory of ions and molecules: where the brackets <> denote a set average of the displacement of the ions or molecules over the time interval from start time t0 to time t. As such, this expression calculates the diffusion coefficient from the mean square displacement of the ions and molecules as determined by the MD 44 simulation process.

[0059] De acordo com modalidades da presente invenção, uma vez que os coeficientes de autodifusão D para as espécies de interesse são determinados no processo 46, condutividade de íons dessas espécies no sistema de argila modelado são calculados, por exemplo, pelo sistema 20, no processo 48, pela aplicação da relação de Nernst-Einstein. Discussão da relação de Nernst-Einstein pode ser encontrada em Bockris et al, Modern Electrochemistry 1: Ionics, 2nd ed. (Plenum Press, New York, 1998), pp. 456 - 458, aqui incorporado por referência. Mais especificamente, de acordo com modalidades da invenção, a condutividade iônica das espécies de contra-íons de índice i (referindo-se a um de Na+ ou Ca2+ incluído no modelo de acordo com o exemplo descrito acima) entranhadas em camadas de água 67 pode ser calculada a partir do seu coeficiente de autodifusão Di como segue: onde zi é a valência iônica de contra-íon i, ci é a concentração iônica de contra-íon i, F é a constante de Faraday, R é a constante dos gases, e T é a temperatura. Do mesmo modo, a condutividade iônica molar Ài pode ser calculada: [0059] According to embodiments of the present invention, once the self-diffusion coefficients D for the species of interest are determined in process 46, ion conductivities of these species in the modeled clay system are calculated, for example, by system 20, in case 48, by applying the Nernst-Einstein relation. Discussion of the Nernst-Einstein relationship can be found in Bockris et al, Modern Electrochemistry 1: Ionics, 2nd ed. (Plenum Press, New York, 1998), pp. 456 - 458, incorporated herein by reference. More specifically, according to embodiments of the invention, the ionic conductivity of the i-index counterion species (referring to one of Na+ or Ca2+ included in the model according to the example described above) embedded in layers of water 67 can be calculated from its self-diffusion coefficient Di as follows: where zi is the ionic valence of counterion i, ci is the ionic concentration of counterion i, F is the Faraday constant, R is the gas constant, and T is the temperature. In the same way, the molar ionic conductivity Ài can be calculated:

[0060] De acordo com as modalidades desta invenção, portanto, a condutividade iônica em um sistema de mineral de argila modelado pode ser estimada com base em um modelo molecular desse sistema de argila. Este processo de simulação pode ser rapidamente repetido para diferentes espécies de contra-íons, níveis variantes de hidratação (isto é, diferentes números de camadas de água 67 entre camadas de argila 65), condições físicas variantes (por exemplo, temperatura, pressão, etc.), e densidades de carga variantes, e similares. A análise dos resultados a partir dos conjuntos resultantes pode fornecer informação sobre os mecanismos de condutividade, e também pode auxiliar a confirmação experimental dos resultados de simulação. Além disso, a capacidade desta ferramenta de simulação para estimar condutividade em uma ampla gama de condições pode desenvolver relações empíricas que são úteis na compreensão das propriedades petrofísicas das formações subsuperficiais.[0060] According to the embodiments of this invention, therefore, the ionic conductivity in a modeled clay mineral system can be estimated based on a molecular model of that clay system. This simulation process can be quickly repeated for different species of counterions, varying levels of hydration (i.e. different numbers of layers of water 67 between layers of clay 65), varying physical conditions (e.g. temperature, pressure, etc.) .), and varying charge densities, and the like. The analysis of the results from the resulting sets can provide information about the conductivity mechanisms, and can also help the experimental confirmation of the simulation results. Furthermore, the ability of this simulation tool to estimate conductivity under a wide range of conditions can develop empirical relationships that are useful in understanding the petrophysical properties of subsurface formations.

ESTIMATIVA DO FATOR DE FORMAÇÃO DE UM SISTEMA MINERAL DE ARGILAESTIMATE OF THE FORMATION FACTOR OF A CLAY MINERAL SYSTEM

[0061] Conforme mencionado acima, uma propriedade petrofísica que muitas vezes é de particular interesse em conexão com a análise de registros de resistividade, como comumente obtido na exploração e produção de reservatórios de petróleo e gás, é referido como o "fator de formação". A definição comum de fator de formação é a razão entre a resistividade da rocha de formação para a resistividade do próprio fluido.[0061] As mentioned above, a petrophysical property that is often of particular interest in connection with the analysis of resistivity records, as commonly obtained in the exploration and production of oil and gas reservoirs, is referred to as the "formation factor" . The common definition of formation factor is the ratio of the resistivity of the formation rock to the resistivity of the fluid itself.

[0062] A Figura 5 é um fluxograma desse processo de estimativa do fator de formação de um determinado sistema de mineral de argila. Conforme mostrado na Figura 5, a condutividade iônica para este sistema de mineral de argila é determinada pelo sistema 20 no processo 100, de acordo com o processo descrito acima em conexão com a Figura 2. Contudo, para derivar o fator de formação, a condutividade de volume do fluido também é necessária. De acordo com esta modalidade da invenção, essa condutividade de volume é estimada de forma semelhante à condutividade iônica do sistema de argila, começando pelo processo 70.[0062] Figure 5 is a flowchart of this process of estimating the formation factor of a given clay mineral system. As shown in Figure 5, the ionic conductivity for this clay mineral system is determined by system 20 in process 100, in accordance with the process described above in connection with Figure 2. However, to derive the formation factor, the conductivity of fluid volume is also required. According to this embodiment of the invention, this bulk conductivity is estimated similarly to the ionic conductivity of the clay system, starting with process 70.

[0063] No processo 70, um modelo molecular de uma solução de volume (isto é, carga neutra) representativa do fluido desejado é construído. Por exemplo, o processo 100 descrito acima é aplicado a um modelo em que cátions de Na+ ou Ca2+ foram entranhados nas camadas de água injetadas 67 juntamente com ânions de Cl- para manter a neutralidade de carga. Nesse exemplo, o modelo molecular de uma solução de volume contém 4096 moléculas de água, quatro cátions de sódio (Na+) ou de cálcio (Ca2+), e quatro ou oito ânions de Cl- (como o caso pode ser), em um cubo de aproximadamente 50Â em um lado. A concentração catiônica molar nesta solução de volume modelada é, portanto, cerca de 0,05.[0063] In process 70, a molecular model of a bulk solution (ie, charge neutral) representative of the desired fluid is constructed. For example, the process 100 described above is applied to a model where Na+ or Ca2+ cations were entrained in the injected water layers 67 along with Cl- anions to maintain charge neutrality. In this example, the molecular model of a bulk solution contains 4096 water molecules, four sodium (Na+) or calcium (Ca2+) cations, and four or eight Cl- anions (as the case may be), in a cube of approximately 50Â on one side. The molar cation concentration in this modeled bulk solution is therefore about 0.05.

[0064] Alternativamente, se a solução de volume correspondente modelada no processo 70 não incluir ânions e, portanto, tiver uma carga positiva líquida, um fundo de compensação de carga pode ser inserido no modelo para manter a neutralidade da carga.[0064] Alternatively, if the corresponding volume solution modeled in Process 70 does not include anions and therefore has a net positive charge, a charge compensation background can be entered into the model to maintain charge neutrality.

[0065] Os processos 72 a 76 são então realizados no modelo molecular da solução de volume construída no processo 70, de forma semelhante aos processos 42 a 46 descritos acima para o sistema de mineral de argila. Em resumo, os parâmetros de campo de força atribuídos às moléculas e cátions no modelo de solução de volume em processo 72 especificam parâmetros tais como a localização dos átomos dentro de um sistema de coordenadas e energias das moléculas e átomos, e os parâmetros de simulação incluem condições de contorno representativas de pressão, temperatura e volume, conjunto termodinâmico de parâmetros e similares. No processo 74, uma simulação de dinâmica molecular (MD) é executada pelo sistema 20 neste modelo molecular com base nos coeficientes de campo de força especificados, para determinar as posições das moléculas de água e cátions ao longo do tempo de simulação, por exemplo, armazenando a localização de cada molécula e cátion em uma frequência de amostragem de 2 psec ao longo de um intervalo de simulação de 10 nseg, sob pressão constante e condições de simulação de temperatura constantes. No processo 76, os coeficientes de autodifusão são calculados para os cátions e as moléculas de água na solução de volume modelada, com base nos locais armazenados nos tempos de amostra dentro da simulação de MD do processo 74. Neste processo 76, os coeficientes de autodifusão podem ser calculados de forma semelhante como no processo 46 descrito acima, com base no deslocamento de média-quadrada no plano x-y ou com base em uma média do conjunto a partir da trajetória de íons em três dimensões.[0065] Processes 72 to 76 are then performed on the molecular model of the bulk solution constructed in Process 70, similarly to Processes 42 to 46 described above for the clay mineral system. In summary, the force field parameters assigned to molecules and cations in the process volume solution model 72 specify parameters such as the location of atoms within a coordinate system and energies of molecules and atoms, and simulation parameters include representative boundary conditions of pressure, temperature and volume, thermodynamic set of parameters and the like. In process 74, a molecular dynamics (MD) simulation is performed by the system 20 on this molecular model based on specified force field coefficients, to determine the positions of water molecules and cations over simulation time, e.g. storing the location of each molecule and cation at a sampling frequency of 2 psec over a simulation interval of 10 nsec, under constant pressure and constant temperature simulation conditions. In process 76, self-diffusion coefficients are calculated for the cations and water molecules in the modeled bulk solution, based on the locations stored at sample times within the MD simulation of process 74. In this process 76, the self-diffusion coefficients can be calculated similarly as in process 46 described above, based on the mean-squared shift in the x-y plane or based on a set average from the ion trajectory in three dimensions.

[0066] Exemplos dos valores de coeficiente de difusão calculados para um modelo de solução de volume molecular de acordo com a abordagem dos processos 70 a 76 foram observados de acordo com os resultados relatados para os coeficientes de difusão das soluções de sódio e cálcio em diluição infinita.[0066] Examples of the diffusion coefficient values calculated for a molecular volume solution model according to the approach of processes 70 to 76 were observed according to the results reported for the diffusion coefficients of sodium and calcium solutions in dilution infinite.

[0067] No processo 78, o coeficiente de autodifusão para o cátion no modelo de solução de volume, na temperatura aplicada como uma condição de contorno no processo 72, é então aplicado à relação de Nernst-Einstein para determinar a condutividade da solução, conforme descrito acima. Esta condutividade calculada em processo 78 constitui o volume fornece, assim, uma estimativa da condutividade de volume do fluido no sistema de mineral de argila, a partir de que o fator de formação F do sistema de mineral de argila do processo 100 pode ser determinado de uma forma convencional, no processo 80: onde oi é a condutividade iônica do contra-íon no sistema de argila modelado determinado no processo 100, e ob é a condutividade de volume de uma solução de volume calculada em processo 78. Como é conhecido na arte e tal como descrito acima, o fator de formação F fornece uma boa medida da porosidade na estrutura de formação, a partir de que outras propriedades petrofísicas importantes podem ser determinadas, como a permeabilidade.[0067] In process 78, the self-diffusion coefficient for the cation in the bulk solution model, at the temperature applied as a boundary condition in process 72, is then applied to the Nernst-Einstein relation to determine the conductivity of the solution, as described above. This calculated conductivity in process 78 constitutes the volume thus provides an estimate of the volume conductivity of the fluid in the clay mineral system, from which the formation factor F of the process clay mineral system 100 can be determined from a conventional way, in process 80: where oi is the ionic conductivity of the counterion in the modeled clay system determined in process 100, and ob is the volume conductivity of a volume solution calculated in process 78. As is known in the art and as described above, the factor of formation F provides a good measure of the porosity in the formation structure, from which other important petrophysical properties can be determined, such as permeability.

[0068] Consequentemente, esta modalidade da invenção fornece a capacidade de estimar o valor de fator de formação a partir de um sistema de mineral de argila a partir da modelagem e simulação dos mecanismos relevantes no nível molecular. Esta análise de nível molecular permite a análise precisa de componentes de formação de nanoescala, além da capacidade de abordagens convencionais, como o Relacionamento de Archie e outros.[0068] Consequently, this embodiment of the invention provides the ability to estimate the formation factor value from a clay mineral system from modeling and simulating the relevant mechanisms at the molecular level. This molecular-level analysis allows the precise analysis of nanoscale formation components beyond the capability of conventional approaches such as the Archie Relationship and others.

SIMULAÇÃO NUMÉRICA DIRETA DE FORMAÇÕES INCLUINDO UM COMPONENTE DE ARGILADIRECT NUMERICAL SIMULATION OF FORMATIONS INCLUDING A CLAY COMPONENT

[0069] A capacidade de estimar com precisão a condutividade de minerais de argila fornecida por modalidades da invenção, como descrito acima, pode ser útil em uma ampla variedade de análises petrofísicas, particularmente considerando a importância atual de formações rochosas contendo hidrocarbonetos que contêm areias portando argila. Além disso, também é contemplado que a compreensão dos mecanismos físicos que operam no nível molecular nestes materiais de nanoescala será particularmente útil na concepção e análise de tecnologias de produção. Outras ferramentas e técnicas analíticas também são contempladas para serem melhoradas pelas técnicas de estimativa de condutividade das modalidades desta invenção.[0069] The ability to accurately estimate the conductivity of clay minerals provided by embodiments of the invention, as described above, can be useful in a wide variety of petrophysical analyses, particularly considering the current importance of rock formations containing hydrocarbons that contain sands carrying clay. Furthermore, it is also contemplated that understanding the physical mechanisms operating at the molecular level in these nanoscale materials will be particularly useful in the design and analysis of production technologies. Other analytical tools and techniques are also contemplated to be enhanced by the conductivity estimation techniques of embodiments of this invention.

[0070] Uma dessas ferramentas e técnicas analíticas que podem ser melhoradas por uma estimativa precisa da condutividade dos sistemas de mineral de argila é a simulação numérica direta, particularmente como aplicada às formações subsuperficiais que incluem tanto uma fase de rocha como o quartzo, como em um arenito, e uma fase de mineral de argila. Conforme conhecido na técnica, os componentes de argila nas formações deste tipo são tipicamente formados por uma série de placas amplamente paralelas; por exemplo, a caulinita de mineral de argila é tipicamente na forma de "folhetos" intercalados entre os grãos de quartzo sólidos e o espaço de poros. Conforme discutido acima em conexão com o Fundamento da Invenção, registros de resistividade convencionais interpretados de acordo com a Relação de Archie são baseados nos grãos sólidos exibindo condutividade efetivamente zero, enquanto o fluido no espaço de poros apresenta alta condutividade. Nessas formações em que essa suposição é válida, a resistividade medida fornecerá uma boa indicação de porosidade da formação. No entanto, como é conhecido na técnica, os componentes de argila na formação também exibirão condutividade, mas em menor grau menor que a do fluido de poros ainda significativamente maior que a dos grãos de quartzo sólidos. A análise de resistividade convencional fornecerá, portanto, um resultado geralmente ambíguo quando aplicada a uma formação que inclua componentes de argila, uma vez que a resistividade dependerá não apenas da porosidade exibida pelo fluido de poros, mas também da extensão em que os componentes de argila estão presentes e a sua condutividade.[0070] One such analytical tool and technique that can be improved by an accurate estimation of the conductivity of clay mineral systems is direct numerical simulation, particularly as applied to subsurface formations that include both a rock phase and quartz, as in a sandstone, and a clay mineral phase. As known in the art, clay components in formations of this type are typically formed by a series of broadly parallel plates; for example, the clay mineral kaolinite is typically in the form of "leaflets" sandwiched between solid quartz grains and pore space. As discussed above in connection with the Background of the Invention, conventional resistivity records interpreted in accordance with the Archie Relation are based on solid grains exhibiting effectively zero conductivity, while the fluid in the pore space exhibits high conductivity. In those formations where this assumption is valid, the measured resistivity will give a good indication of formation porosity. However, as is known in the art, clay components in the formation will also exhibit conductivity, but to a lesser extent less than that of the pore fluid yet significantly greater than that of solid quartz grains. Conventional resistivity analysis will therefore give a generally ambiguous result when applied to a formation that includes clay components, since the resistivity will depend not only on the porosity exhibited by the pore fluid, but also on the extent to which the clay components are present and their conductivity.

[0071] De acordo com uma modalidade da invenção, a existência de uma estimativa precisa para a condutividade de componentes de argila em uma formação composta pode ser usada ao determinar a resposta elétrica por meio de simulação numérica direta de um volume de imagem de uma rocha. Com referência agora à Figura 7, será descrito o processo geral da estimativa de propriedades de material usando simulação numérica digital de acordo com as modalidades desta invenção.[0071] According to an embodiment of the invention, the existence of an accurate estimate for the conductivity of clay components in a composite formation can be used when determining the electrical response through direct numerical simulation of a volume image of a rock . Referring now to Figure 7, the general process of estimating material properties using digital numerical simulation in accordance with embodiments of this invention will be described.

[0072] O processo de estimativa começa com o processo de preparação de amostra 200, no qual um corpo de prova é obtido da formação de interesse, e uma amostra desse corpo de prova preparada para análise. O corpo de prova da formação pode ser adquirido em uma das várias formas convencionais. No contexto da indústria de petróleo e gás, o corpo de prova normalmente será derivado da perfuração de poços de exploração ou produção e, como tal, pode provir de amostras de núcleo inteiro, amostras de núcleo de parede lateral, amostras de afloramento e lascas de perfuração; alternativamente, o corpo de prova pode ser produzido a partir de uma amostra de rocha sintética gerada por laboratório, como um pacote de areia ou um pacote cimentado. De acordo com modalidades desta invenção, a rocha a partir da qual o corpo de prova é obtido pode nem sempre ser altamente consolidada, uma vez que irá incluir uma combinação de rocha (por exemplo, arenito) juntamente com argilas, e outro material granular ou sedimentar. Como tal, o processo de preparação 200 deve ser realizado de forma que não prejudique significativamente a estrutura da formação a ser representada pela amostra.[0072] The estimation process begins with the sample preparation process 200, in which a specimen is obtained from the formation of interest, and a sample of that specimen prepared for analysis. The training specimen can be acquired in one of several conventional ways. In the context of the oil and gas industry, the test piece will typically be derived from drilling exploration or production wells and as such may come from whole core samples, sidewall core samples, upwelling samples and drilling; alternatively, the specimen can be produced from a laboratory-generated synthetic rock sample, such as a sand pack or cement pack. In accordance with embodiments of this invention, the rock from which the specimen is obtained may not always be highly consolidated, as it will include a combination of rock (e.g., sandstone) together with clays, and other granular material or sedimentary. As such, the preparation process 200 must be carried out in such a way that it does not significantly impair the structure of the formation to be represented by the sample.

[0073] No processo 202, o sistema de formação de imagem 28 (Figura 1) obtém imagens bidimensionais (2D) ou tridimensionais (3D), ou outras representações de imagem apropriadas, da amostra de rocha preparada no processo 200. Essas imagens e representações obtidas no processo 202 incluem detalhes da estrutura interna das amostras. Um exemplo do dispositivo de formação de imagem utilizado no processo 202 é um scanner de tomografia computadorizada de raios X (CT), de um tipo, construção ou outros atributos correspondentes a qualquer um de um número de dispositivos de raios X capazes de produzir uma imagem representativa da estrutura interna da amostra da resolução desejada. Por exemplo, uma pluralidade de imagens seccionais bidimensionais (2D) da amostra pode ser adquirida e encaminhada para o sistema de computador 20 que então constrói um volume de imagem digital tridimensional (3D) correspondente à amostra. Conforme discutido acima, o sistema 20 pode ser construído em qualquer uma de várias maneiras, por exemplo, como um computador de mesa ou estação de trabalho, um computador laptop, um computador servidor, um computador tablet ou similares, com capacidade computacional suficiente para realizar as operações desejadas.[0073] In process 202, the imaging system 28 (Figure 1) obtains two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) images, or other appropriate image representations, of the rock sample prepared in process 200. These images and representations obtained in process 202 include details of the internal structure of the samples. An example of the imaging device used in process 202 is an X-ray computed tomography (CT) scanner, of a type, construction, or other attribute corresponding to any of a number of X-ray devices capable of producing an image. representative of the internal structure of the sample of the desired resolution. For example, a plurality of two-dimensional (2D) sectional images of the sample may be acquired and routed to computer system 20 which then constructs a three-dimensional (3D) digital image volume corresponding to the sample. As discussed above, the system 20 can be constructed in any of a number of ways, for example, as a desktop or workstation computer, a laptop computer, a server computer, a tablet computer, or the like, with sufficient computing power to perform the desired operations.

[0074] Técnicas convencionais específicas para aquisição e processamento de volumes de imagens digitais 3D da amostra em processo 202 incluem, sem limitação, tomografia de raios X, microtomografia de raios X, nanotomografia de raios X, microscopia eletrônica de varredura de feixe iônico focado, e Ressonância Magnética Nuclear.[0074] Specific conventional techniques for acquiring and processing volumes of 3D digital images of the sample in process 202 include, without limitation, X-ray tomography, X-ray microtomography, X-ray nanotomography, focused ion beam scanning electron microscopy, and Nuclear Magnetic Resonance.

[0075] O volume de imagem produzido pelo processo 202 é tipicamente representado por elementos regulares 3D chamados elementos de volume, ou mais comumente "voxels", cada um com um valor numérico ou amplitude associado, que representa as propriedades de material relativas da amostra com imagem formada nessa localização do meio representado. No processo 210, o dispositivo de computação realiza a segmentação ou outras técnicas de aprimoramento de imagem no volume de imagem digital da amostra para distinguir e rotular diferentes componentes no volume de imagem. Por exemplo, o processo de segmentação 210 pode identificar os componentes elásticos significativas, incluindo componentes de espaço de poros e mineralógicos (por exemplo, argilas e quartzo), que podem afetar as características da amostra.[0075] The image volume produced by the process 202 is typically represented by regular 3D elements called volume elements, or more commonly "voxels", each with an associated numerical value or amplitude, which represents the relative material properties of the sample with image formed at that location of the represented medium. In process 210, the computing device performs segmentation or other image enhancement techniques on the digital image volume of the sample to distinguish and label different components in the image volume. For example, the segmentation process 210 can identify significant elastic components, including pore space and mineralogical components (eg, clays and quartz), that can affect sample characteristics.

[0076] De acordo com esta modalidade da invenção, o processo de segmentação 210 é então realizado pelo sistema 20 para identificar as fases de material significativas da amostra representada no volume de imagem, por exemplo, representando tais constituintes de material como espaço de poro, frações de argila e grãos e minerais individuais. O algoritmo de segmentação particular usado pelo dispositivo de computação no processo 210 pode variar de acordo com a análise desejada e a complexidade da rocha. A forma mais simples de segmentação é "limitação", que agrupa voxels tendo amplitudes semelhantes entre si. O processamento de imagem convencional para melhorar o volume de imagem, para reduzir o ruído, etc. pode ser incluído no processo 210.[0076] According to this embodiment of the invention, the segmentation process 210 is then performed by the system 20 to identify the significant material phases of the sample represented in the image volume, for example, representing such material constituents as pore space, clay and grain fractions and individual minerals. The particular segmentation algorithm used by the computing device in process 210 can vary according to the desired analysis and rock complexity. The simplest form of segmentation is "limiting", which groups voxels having similar amplitudes to each other. Conventional image processing to improve image volume, to reduce noise, etc. can be included in file 210.

[0077] De acordo com esta modalidade da invenção, o processo de segmentação 210 identifica e distingue pelo menos três fases de material significativas, nomeadamente espaço de poros, grãos de rocha e minerais de argila. Um exemplo da operação do processo de segmentação 210 é mostrado pelas Figuras 6a e 6b. A Figura 6a é um exemplo de uma imagem de microtomografia de raios X de uma rocha de arenito contendo componentes de mineral de argila, como a caulinita, juntamente com seus grãos de quartzo sólidos. Na imagem da Figura 6a, o espaço de poros corresponde às regiões pretas, enquanto os grãos de quartzo e os componentes de argila correspondem aos tons intermediários variados de cinza (o cinza mais claro tendendo a indicar os grãos de quartzo). Tipicamente, a resolução espacial de uma imagem de microtomografia de raios X, como a Figura 6a, varia de 1 a 5 mícrons, o que significa que a textura, a configuração e o tecido de minerais de argila não são observáveis nesta escala. Além disso, o brilho varia de forma contínua na imagem da Figura 6a, o que torna a análise numérica complexa e difícil. O processo de segmentação 210 opera para distinguir o espaço de poros, grãos sólidos e componentes de argila uns dos outros. A Figura 6b ilustra um exemplo dos resultados do processo de segmentação 210 aplicados à imagem de microtomografia de raios X da Figura 6a, em que três fases são representadas como pretas para o espaço de poros 90, branco para quartzo ou outro material de grãos sólidos 92 e um cinza intermediário para componentes de argila 94. Em geral, como mencionado acima, o processo de segmentação 210 é aplicado ao volume de imagem 3D adquirido no processo 202.[0077] According to this embodiment of the invention, the segmentation process 210 identifies and distinguishes at least three significant material phases, namely pore space, rock grains and clay minerals. An example of the operation of segmentation process 210 is shown by Figures 6a and 6b. Figure 6a is an example of an X-ray microtomography image of a sandstone rock containing clay mineral components such as kaolinite along with its solid quartz grains. In the image of Figure 6a, the pore space corresponds to the black regions, while the quartz grains and clay components correspond to the varying intermediate shades of gray (the lighter gray tending to indicate the quartz grains). Typically, the spatial resolution of an X-ray microtomography image such as Figure 6a ranges from 1 to 5 microns, which means that the texture, configuration and tissue of clay minerals are not observable at this scale. Furthermore, the brightness varies continuously in the image of Figure 6a, which makes the numerical analysis complex and difficult. Segmentation process 210 operates to distinguish pore space, solid grains and clay components from one another. Figure 6b illustrates an example of the results of the segmentation process 210 applied to the X-ray microtomography image of Figure 6a, where three phases are represented as black for pore space 90, white for quartz or other solid grain material 92 and an intermediate gray for clay components 94. In general, as mentioned above, segmentation process 210 is applied to the 3D image volume acquired in process 202.

[0078] De acordo com esta modalidade da invenção, uma estimativa da condutividade para componentes de argila 94 é derivada no processo 100. Conforme discutido acima, é contemplado que o processo 100 descrito acima em conexão com a Figura 5 fornecerá uma excelente estimativa de condutividade para o componente de argila 94 na amostra preparada e com imagem formada nos processos 200 e 202. No entanto, também é contemplado que outras abordagens para medir e estimar condutividade no componente de argila 94 podem alternativamente ser usadas em conexão com esta modalidade da invenção; espera-se, no entanto, que as abordagens convencionais para estimar a condutividade dos sistemas de mineral de argila são menos rigorosas e geralmente fornecerão estimativas de condutividade menos precisas do que as descritas acima em conexão com modalidades da invenção.[0078] In accordance with this embodiment of the invention, a conductivity estimate for clay components 94 is derived in process 100. As discussed above, it is contemplated that process 100 described above in connection with Figure 5 will provide an excellent conductivity estimate for the clay component 94 in the sample prepared and imaged in processes 200 and 202. However, it is also contemplated that other approaches to measuring and estimating conductivity in the clay component 94 may alternatively be used in connection with this embodiment of the invention; it is expected, however, that conventional approaches to estimating the conductivity of clay mineral systems are less rigorous and will generally provide less accurate conductivity estimates than those described above in connection with embodiments of the invention.

[0079] Com base na estimativa de condutividade derivada no processo 100, o processo 215 é então realizado para atribuir um valor de condutividade relativa w para componentes de argila 94 do volume de imagem segmentado. Conforme discutido acima, cristais de quartzo 92 (ou outro material sólido) exibem efetivamente a condutividade zero na análise de resistividade convencional enquanto o fluido no espaço de poros 90 exibe alta condutividade; componentes de argila 94 são normalmente condutores, tal como estimado no processo 100, mas em uma extensão menor do que o fluido no espaço de poros 90. De acordo com esta modalidade da invenção, o valor de condutividade relativa w atribuído aos componentes de argila 94 em processo 215 reflete a condutividade estimada de argila em comparação com a do fluido. O fator de formação F calculado como descrito acima pode ser a base deste valor de condutividade relativa w, por exemplo. Este valor de condutividade relativa w é então atribuído a cada um dos voxels representando componentes de argila 94 no volume de imagem digital segmentado a partir de processo 210. Claro que, se os componentes de argila 94 no volume de imagem representam mais do que uma espécie de argila, estimativas de condutividade separadas para estas diferentes fases de argila podem ser estimadas em processo 100, e aplicadas por meio de diferentes valores de condutividade relativos w no processo 215.[0079] Based on the conductivity estimate derived in process 100, process 215 is then performed to assign a relative conductivity value w to clay components 94 of the segmented image volume. As discussed above, crystals of quartz 92 (or other solid material) effectively exhibit zero conductivity in conventional resistivity analysis while the fluid in pore space 90 exhibits high conductivity; clay components 94 are normally conductive, as estimated in process 100, but to a lesser extent than the fluid in the pore space 90. According to this embodiment of the invention, the relative conductivity value w assigned to the clay components 94 in-process 215 reflects the estimated conductivity of clay compared to that of the fluid. The formation factor F calculated as described above can be the basis of this relative conductivity value w, for example. This relative conductivity value w is then assigned to each of the voxels representing clay components 94 in the segmented digital image volume from process 210. Of course, if the clay components 94 in the image volume represent more than one species of clay, separate conductivity estimates for these different clay phases can be estimated in process 100, and applied using different relative conductivity values w in process 215.

[0080] No processo 220, o sistema de computação 20 executa simulação numérica direta para analisar uma ou mais propriedades físicas da amostra, tipicamente por meio de análise numérica do volume de imagem digital segmentado. As propriedades que podem ser determinadas no processo 220 incluem as propriedades petrofísicas de interesse que se relacionam direta ou indiretamente com a condutividade dos componentes de argila 94, tais como porosidade, fator de formação, expoente de cimentação, índice de resistividade, fator de tortuosidade, expoente de saturação, e similares. Estas propriedades petrofísicas podem ser estimadas usando uma discretização adequada de todo o volume de imagem digital segmentado ou malha do espaço de poros evoluído e componentes de argila, combinado com simulação numérica apropriada, por exemplo, a simulação numérica direta de condutividade elétrica para determinar as propriedades elétricas da rocha. A determinação de algumas dessas propriedades petrofísicas no processo 220 também pode exigir simulação numérica usando métodos de elementos finitos, métodos de diferenças finitas, métodos de volume finito, métodos de Lattice Boltzmann ou qualquer outra variedade de abordagens numéricas. Por exemplo, a Figura 6c ilustra a computação do fator de formação para três areias portadoras de argila diferentes usando a simulação numérica direta, onde os componentes de argila 94 têm condutividades atribuídas.[0080] In process 220, computing system 20 performs direct numerical simulation to analyze one or more physical properties of the sample, typically through numerical analysis of the segmented digital image volume. Properties that can be determined in process 220 include petrophysical properties of interest that relate directly or indirectly to the conductivity of clay components 94, such as porosity, formation factor, cementing exponent, resistivity index, tortuosity factor, saturation exponent, and the like. These petrophysical properties can be estimated using a suitable discretization of the entire segmented digital image volume or mesh of evolved pore space and clay components, combined with appropriate numerical simulation, for example direct numerical simulation of electrical conductivity to determine the properties rock electrical. Determining some of these petrophysical properties in process 220 may also require numerical simulation using finite element methods, finite difference methods, finite volume methods, Lattice Boltzmann methods, or any other variety of numerical approaches. For example, Figure 6c illustrates formation factor computation for three different clay-bearing sands using direct numerical simulation, where clay 94 components have assigned conductivities.

[0081] De acordo com esta modalidade da invenção, portanto, é contemplado que registros de resistividade convencionais podem ser estendidos para estruturas de formação mais complexas, incluindo formações com componentes de mineral de argila, e fornecem resultados precisos sobre propriedades petrofísicas importantes, tais como porosidade, saturação de água, fração de argila e semelhantes, particularmente se a condutividade for estimada de acordo com as modalidades desta invenção descritas acima. Análise dos efeitos dos processos de recuperação secundários nas formações para as quais os registros de resistividade foram obtidos também foi contemplada.[0081] According to this embodiment of the invention, therefore, it is contemplated that conventional resistivity records can be extended to more complex formation structures, including formations with clay mineral components, and provide accurate results on important petrophysical properties, such as porosity, water saturation, clay fraction and the like, particularly if conductivity is estimated in accordance with the embodiments of this invention described above. Analysis of the effects of secondary recovery processes on formations for which resistivity records were obtained was also contemplated.

EM CONCLUSÃOIN CONCLUSION

[0082] Conforme descrito acima, as modalidades desta invenção fornecem um método e sistema para estimar com precisão a resposta elétrica de minerais de argila e areias contendo minerais de argila, em uma maneira que é baseada em mecanismos físicos que ocorrem no nível molecular. A capacidade de analisar materiais de nanoescala, tais como minerais de argila, desta forma, é considerada útil em uma ampla gama de estruturas de argila, além dos exemplos de pirofilita, montmorilonita e caulinita especificamente descritos acima, pois a mesma abordagem pode ser aplicada a uma grande variedade de modelos moleculares para minerais de argila. Essa capacidade pode fornecer informações adicionais sobre outras ferramentas analíticas, como a medição de simulação numérica direta de propriedades petrofísicas em uma amostra de uma formação subsuperficial que inclui minerais de argila, e o desenvolvimento e análise de fator de formação para formações compostas incluindo componentes de nanoescala tais como argilas.[0082] As described above, embodiments of this invention provide a method and system for accurately estimating the electrical response of clay minerals and sands containing clay minerals, in a manner that is based on physical mechanisms occurring at the molecular level. The ability to analyze nanoscale materials such as clay minerals in this way is considered useful in a wide range of clay structures beyond the pyrophyllite, montmorillonite and kaolinite examples specifically described above, as the same approach can be applied to a wide variety of molecular models for clay minerals. This capability can provide additional insight into other analytical tools, such as direct numerical simulation measurement of petrophysical properties in a sample of a subsurface formation that includes clay minerals, and formation factor development and analysis for composite formations including nanoscale components. such as clays.

[0083] Embora esta invenção tenha sido descrita de acordo com as suas modalidades, é claro que é contemplado que modificações de, e alternativas a, essas modalidades, tais modificações e alternativas obtendo as vantagens e benefícios da presente invenção, serão evidentes para os vulgares peritos na arte com referência a esta especificação e seus desenhos. É contemplado que modificações e alternativas estão dentro do âmbito invenção como subsequentemente reivindicado documento.[0083] While this invention has been described in terms of its embodiments, it is of course contemplated that modifications of, and alternatives to, these embodiments, such modifications and alternatives achieving the advantages and benefits of the present invention, will be apparent to those of ordinary rank. persons skilled in the art with reference to this specification and its drawings. It is contemplated that modifications and alternatives are within the scope of the invention as subsequently claimed herein.

Claims (11)

1. Método implementado por computador para analisar uma amostra de rocha que compreende um componente argiloso, o método caracterizado por compreender: estimar a condutividade do componente argiloso na amostra de rocha; segmentar um volume de imagem digital correspondente a uma ou mais imagens tomográficas da amostra de rocha, para associar voxels no volume da imagem digital com espaço de poro, material sólido ou o componente argiloso; e atribuir um valor de condutividade relativa a voxels correspondentes ao componente argiloso em relação à condutividade de um fluido ocupando o espaço de poro da amostra; determinar pelo menos uma propriedade petrofísica da amostra de rocha com base em uma análise de uma representação do volume da imagem digital; e avaliar um reservatório de hidrocarbonetos na terra com base em pelo menos uma propriedade petrofísica da amostra de rocha.1. A computer-implemented method for analyzing a rock sample comprising a clayey component, the method characterized by comprising: estimating the conductivity of the clayey component in the rock sample; segmenting a digital image volume corresponding to one or more tomographic images of the rock sample, to associate voxels in the digital image volume with pore space, solid material or the clayey component; and assigning a relative conductivity value to voxels corresponding to the clayey component in relation to the conductivity of a fluid occupying the pore space of the sample; determine at least one petrophysical property of the rock sample based on an analysis of a volume representation of the digital image; and evaluating an earth hydrocarbon reservoir based on at least one petrophysical property of the rock sample. 2. Método implementado por computador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de estimativa da condutividade do componente argiloso compreende: construir uma representação molecular do componente argiloso, compreendendo: uma estrutura anidra de átomos disposta em uma pluralidade de camadas paralelas, a estrutura anidra incluindo locais de substituição no lugar de átomos de metal na estrutura em uma concentração correspondente a uma densidade de carga selecionada; contra-íons de pelo menos uma espécie disposta em um espaço intercamadas entre camadas da estrutura anidra, em uma concentração correspondente à densidade de carga selecionada; e uma pluralidade de moléculas de água dispostas no espaço intercamadas; atribuir parâmetros de campo de força à representação molecular em combinação com condições de contorno correspondentes a uma pressão selecionada e condição de temperatura do componente argiloso; operar o sistema de computador para realizar uma simulação de dinâmica molecular das equações de movimento ao longo de um intervalo de tempo de simulação, para determinar coordenadas posicionais de contra-íons na representação em uma pluralidade de vezes durante o intervalo de tempo de simulação; calcular coeficientes de autodifusão para uma ou mais das espécies de contra-íons das coordenadas posicionais na pluralidade de vezes; e calcular condutividades de íons para uma espécie de contra-íons a partir dos coeficientes de autodifusão.2. Computer-implemented method, according to claim 1, characterized in that the step of estimating the conductivity of the clayey component comprises: constructing a molecular representation of the clayey component, comprising: an anhydrous structure of atoms arranged in a plurality of parallel layers, the anhydrous structure including substitution sites in place of metal atoms in the structure in a concentration corresponding to a selected charge density; counterions of at least one species disposed in an interlayer space between layers of the anhydrous structure, in a concentration corresponding to the selected charge density; and a plurality of water molecules disposed in the interlayer space; assign force field parameters to the molecular representation in combination with boundary conditions corresponding to a selected pressure and temperature condition of the clayey component; operating the computer system to perform a molecular dynamics simulation of the equations of motion over a simulation time interval to determine positional coordinates of counterions in the representation at a plurality of times during the simulation time interval; calculating self-diffusion coefficients for one or more of the counterion species from the positional coordinates at the plurality of times; and calculate ion conductivities for a kind of counter-ions from the self-diffusion coefficients. 3. Método implementado por computador, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a construção da representação molecular compreende: definir uma célula unitária da representação incluindo átomos correspondendo a uma porção de pelo menos uma camada e incluindo uma porção do espaço intercamadas; e organizar uma pluralidade de células unitárias em uma representação de supercélula do componente argiloso.3. Computer-implemented method according to claim 2, characterized in that the construction of the molecular representation comprises: defining a unit cell of the representation including atoms corresponding to a portion of at least one layer and including a portion of the interlayer space ; and arranging a plurality of unit cells into a supercell representation of the clay component. 4. Método implementado por computador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: adquirir o volume da imagem digital da amostra de rocha, utilizando um de tomografia de raios-X, micro tomografia de raios-X, nano tomografia de raios-X, microscopia eletrônica de varredura de feixe de íons focado, ressonância magnética nuclear ou tomografia de nêutrons.4. Computer-implemented method, according to claim 1, characterized in that it further comprises: acquiring the volume of the digital image of the rock sample, using an X-ray tomography, X-ray micro tomography, nano X-ray tomography, focused ion-beam scanning electron microscopy, nuclear magnetic resonance, or neutron tomography. 5. Método implementado por computador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a amostra de rocha compreende um de um núcleo inteiro, núcleos de parede lateral, afloramentos, fragmentos e cascalhos de perfuração, amostras de rocha sintética geradas em laboratório, pacotes de areia e pacotes cimentados.5. Computer-implemented method according to claim 4, characterized in that the rock sample comprises one of an entire core, sidewall cores, outcrops, fragments and drill cuttings, laboratory-generated synthetic rock samples , sand packs and cemented packs. 6. Método implementado por computador de operação de um computador para calcular um fator de formação para um sistema de rocha compreendendo um mineral argiloso, o método caracterizado por compreender: construir uma representação de modelo de um sistema de fluido molecular, compreendendo: uma pluralidade de células unitárias do fluido molecular preenchendo um volume selecionado; e íons intersticiais localizados dispostos no volume em uma concentração correspondente a uma densidade de carga selecionada; atribuir parâmetros de campo de força à representação do modelo; operar o sistema de computador para realizar uma simulação de dinâmica molecular das equações de movimento ao longo de um período de tempo selecionado, para determinar as coordenadas posicionais de uma pluralidade de espécies na representação do modelo em uma pluralidade de vezes na duração do tempo; calcular coeficientes de autodifusão para uma ou mais das espécies a partir das coordenadas posicionais na pluralidade de vezes; calcular a condutividade em massa do sistema de fluido molecular a partir dos coeficientes de autodifusão; determinar uma condutividade de íons para o mineral argiloso; e calcular o fator de formação como uma razão da condutividade total do sistema de fluido molecular para a condutividade iônica para o mineral argiloso; determinar pelo menos uma propriedade petrofísica do sistema rochoso com base no fator de formação; e avaliar um reservatório de hidrocarbonetos na terra com base em pelo menos uma propriedade petrofísica do sistema rochoso.6. Computer-implemented method of operating a computer to calculate a formation factor for a rock system comprising a clay mineral, the method characterized by comprising: constructing a model representation of a molecular fluid system, comprising: a plurality of molecular fluid unit cells filling a selected volume; and localized interstitial ions disposed in the volume in a concentration corresponding to a selected charge density; assign force field parameters to the model representation; operating the computer system to perform a molecular dynamics simulation of the equations of motion over a selected period of time to determine the positional coordinates of a plurality of species in the model representation at a plurality of times in the duration of time; calculating self-diffusion coefficients for one or more of the species from the positional coordinates at the plurality of times; calculate the mass conductivity of the molecular fluid system from the self-diffusion coefficients; determine an ion conductivity for the clay mineral; and calculate the formation factor as a ratio of the total conductivity of the molecular fluid system to the ionic conductivity for the clay mineral; determine at least one petrophysical property of the rock system based on the formation factor; and evaluating an onshore hydrocarbon reservoir based on at least one petrophysical property of the rock system. 7. Método implementado por computador, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a determinação de uma condutividade iônica para o mineral argiloso compreende: construir uma representação molecular do mineral argiloso, compreendendo: uma estrutura anidra de átomos disposta em uma pluralidade de camadas paralelas, a estrutura anidra incluindo locais de substituição no lugar de átomos de metal na estrutura em uma concentração correspondente a uma densidade de carga selecionada; contra-íons de pelo menos uma espécie disposta em um espaço intercamadas entre camadas da estrutura anidra, em uma concentração correspondente à densidade de carga selecionada; e uma pluralidade de moléculas de água dispostas no espaço intercamadas; atribuir parâmetros de campo de força à representação molecular em combinação com condições de contorno correspondentes a uma pressão selecionada e condição de temperatura do mineral argiloso; operar o sistema de computador para realizar uma simulação de dinâmica molecular das equações de movimento ao longo de um intervalo de tempo de simulação, para determinar coordenadas posicionais de contra-íons na representação em uma pluralidade de vezes durante o intervalo de tempo de simulação; calcular coeficientes de autodifusão para uma ou mais das espécies de contra-íons a partir das coordenadas posicionais na pluralidade de vezes; e calcular condutividades de íons para uma espécie de contra-íons a partir dos coeficientes de autodifusão.7. Computer-implemented method, according to claim 6, characterized in that the determination of an ionic conductivity for the clay mineral comprises: constructing a molecular representation of the clay mineral, comprising: an anhydrous structure of atoms arranged in a plurality of parallel layers, the anhydrous structure including substitution sites in place of metal atoms in the structure in a concentration corresponding to a selected charge density; counterions of at least one species disposed in an interlayer space between layers of the anhydrous structure, in a concentration corresponding to the selected charge density; and a plurality of water molecules disposed in the interlayer space; assign force field parameters to the molecular representation in combination with boundary conditions corresponding to a selected pressure and temperature condition of the clay mineral; operating the computer system to perform a molecular dynamics simulation of the equations of motion over a simulation time interval to determine positional coordinates of counterions in the representation at a plurality of times during the simulation time interval; calculating self-diffusion coefficients for one or more of the counterion species from the positional coordinates at the plurality of times; and calculate ion conductivities for a kind of counter-ions from the self-diffusion coefficients. 8. Sistema para analisar amostras de materiais, o sistema caracterizado por compreender: um sistema de imagem configurado para produzir um volume de imagem digital representativo de uma amostra de material; e um sistema de computador acoplado ao dispositivo de imagem e compreendendo: um ou mais processadores; e um ou mais dispositivos de memória, acoplados a um ou mais processadores, armazenando instruções de programa que, quando executadas por um ou mais processadores, fazem com que um ou mais processadores analisem uma amostra de rocha compreendendo um componente argiloso executando uma pluralidade de operações compreendendo : segmentar um volume de imagem digital correspondente a uma ou mais imagens tomográficas da amostra de rocha, para associar voxels no volume de imagem digital com espaço de poro, material sólido ou um componente argiloso com uma condutividade estimada; e atribuir um valor de condutividade relativa a voxels correspondentes ao componente argiloso em relação à condutividade de um fluido ocupando o espaço de poro da amostra; determinar pelo menos uma propriedade petrofísica da amostra de rocha com base em uma análise de uma representação do volume da imagem digital; e avaliar um reservatório de hidrocarbonetos na terra com base em pelo menos uma propriedade petrofísica da amostra de rocha.8. System for analyzing material samples, the system characterized by comprising: an imaging system configured to produce a representative digital image volume of a material sample; and a computer system coupled to the imaging device and comprising: one or more processors; and one or more memory devices, coupled to one or more processors, storing program instructions that, when executed by the one or more processors, cause the one or more processors to analyze a rock sample comprising a clayey component by performing a plurality of operations comprising: segmenting a digital image volume corresponding to one or more tomographic images of the rock sample, to associate voxels in the digital image volume with pore space, solid material or a clayey component with an estimated conductivity; and assigning a relative conductivity value to voxels corresponding to the clayey component in relation to the conductivity of a fluid occupying the pore space of the sample; determine at least one petrophysical property of the rock sample based on an analysis of a volume representation of the digital image; and evaluating an earth hydrocarbon reservoir based on at least one petrophysical property of the rock sample. 9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de operações compreende ainda a operação de estimativa da condutividade do componente argiloso por uma pluralidade de operações que compreendem: construir uma representação molecular do componente argiloso, compreendendo: uma estrutura anidra de átomos disposta em uma pluralidade de camadas paralelas, a estrutura anidra incluindo locais de substituição no lugar de átomos de metal na estrutura em uma concentração correspondente a uma densidade de carga selecionada; contra-íons de pelo menos uma espécie disposta em um espaço intercamadas entre camadas da estrutura anidra, em uma concentração correspondente à densidade de carga selecionada; e uma pluralidade de moléculas de água dispostas no espaço intercamadas; atribuir parâmetros de campo de força à representação molecular em combinação com condições de contorno correspondentes a uma pressão selecionada e condição de temperatura do mineral argiloso; realizar uma simulação de dinâmica molecular das equações de movimento ao longo de um intervalo de tempo de simulação, para determinar coordenadas posicionais de contra-íons na representação em uma pluralidade de vezes durante o intervalo de tempo de simulação; calcular coeficientes de autodifusão para uma ou mais das espécies de contra-íons a partir das coordenadas posicionais na pluralidade de vezes; e calcular condutividades de íons para uma espécie de contra-íons a partir dos coeficientes de autodifusão.9. System, according to claim 8, characterized in that the plurality of operations further comprises the operation of estimating the conductivity of the clay component by a plurality of operations comprising: building a molecular representation of the clay component, comprising: a anhydrous structure of atoms disposed in a plurality of parallel layers, the anhydrous structure including substitution sites in place of metal atoms in the structure in a concentration corresponding to a selected charge density; counterions of at least one species disposed in an interlayer space between layers of the anhydrous structure, in a concentration corresponding to the selected charge density; and a plurality of water molecules disposed in the interlayer space; assign force field parameters to the molecular representation in combination with boundary conditions corresponding to a selected pressure and temperature condition of the clay mineral; performing a molecular dynamics simulation of the equations of motion over a simulation time interval to determine positional coordinates of counterions in the representation at a plurality of times during the simulation time interval; calculating self-diffusion coefficients for one or more of the counterion species from the positional coordinates at the plurality of times; and calculate ion conductivities for a kind of counter-ions from the self-diffusion coefficients. 10. Sistema para analisar amostras de materiais, o sistema caracterizado por compreender: um sistema de imagem configurado para produzir um volume de imagem digital representativo de uma amostra de material; e um sistema de computador acoplado ao dispositivo de imagem e compreendendo: um ou mais processadores; e um ou mais dispositivos de memória, acoplados a um ou mais processadores, armazenando instruções de programa que, quando executadas por um ou mais processadores, fazem com que um ou mais processadores calculem um fator de formação para um sistema de rocha compreendendo um mineral argiloso realizando um pluralidade de operações compreendendo: construir uma representação de modelo de um sistema de fluido molecular, compreendendo: uma pluralidade de células unitárias do fluido molecular preenchendo um volume selecionado; e íons intersticiais localizados dispostos no volume em uma concentração correspondente a uma densidade de carga selecionada; atribuir parâmetros de campo de força à representação do modelo; realizar uma simulação de dinâmica molecular das equações de movimento ao longo de um período de tempo selecionado, para determinar as coordenadas posicionais de uma pluralidade de espécies na representação do modelo em uma pluralidade de vezes na duração do tempo; calcular coeficientes de autodifusão para uma ou mais das espécies a partir das coordenadas posicionais na pluralidade de vezes; então calcular a condutividade em massa do sistema de fluido molecular a partir dos coeficientes de autodifusão; determinar uma condutividade de íons para o mineral argiloso; calcular o fator de formação como uma razão da condutividade total do sistema de fluido molecular para a condutividade iônica para o mineral argiloso; determinar pelo menos uma propriedade petrofísica do sistema rochoso com base no fator de formação; e avaliar um reservatório de hidrocarbonetos na terra com base em pelo menos uma propriedade petrofísica do sistema rochoso.10. System for analyzing material samples, the system characterized by comprising: an imaging system configured to produce a digital image volume representative of a material sample; and a computer system coupled to the imaging device and comprising: one or more processors; and one or more memory devices, coupled to one or more processors, storing program instructions that, when executed by the one or more processors, cause the one or more processors to calculate a formation factor for a rock system comprising a clay mineral performing a plurality of operations comprising: constructing a model representation of a molecular fluid system, comprising: a plurality of molecular fluid unit cells filling a selected volume; and localized interstitial ions disposed in the volume in a concentration corresponding to a selected charge density; assign force field parameters to the model representation; performing a molecular dynamics simulation of the equations of motion over a selected period of time to determine the positional coordinates of a plurality of species in the model representation at a plurality of times in the time duration; calculating self-diffusion coefficients for one or more of the species from the positional coordinates at the plurality of times; then calculate the bulk conductivity of the molecular fluid system from the self-diffusion coefficients; determine an ion conductivity for the clay mineral; calculate the formation factor as a ratio of the total conductivity of the molecular fluid system to the ionic conductivity for the clay mineral; determine at least one petrophysical property of the rock system based on the formation factor; and evaluating an onshore hydrocarbon reservoir based on at least one petrophysical property of the rock system. 11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a operação de determinação de uma condutividade iônica para o mineral argiloso compreende: construir uma representação molecular do mineral argiloso, compreendendo: uma estrutura anidra de átomos disposta em uma pluralidade de camadas paralelas, a estrutura anidra incluindo locais de substituição no lugar de átomos de metal na estrutura em uma concentração correspondente a uma densidade de carga selecionada; contra-íons de pelo menos uma espécie disposta em um espaço intercamadas entre camadas da estrutura anidra, em uma concentração correspondente à densidade de carga selecionada; e uma pluralidade de moléculas de água dispostas no espaço intercamadas; atribuir parâmetros de campo de força à representação molecular em combinação com condições de contorno correspondentes a uma pressão selecionada e condição de temperatura do mineral argiloso; realizar uma simulação de dinâmica molecular das equações de movimento ao longo de um intervalo de tempo de simulação, para determinar coordenadas posicionais de contra-íons na representação em uma pluralidade de vezes durante o intervalo de tempo de simulação; calcular coeficientes de autodifusão para uma ou mais das espécies de contra-íons a partir das coordenadas posicionais na pluralidade de vezes; e calcular condutividades de íons para uma espécie de contra-íons a partir dos coeficientes de autodifusão.11. System, according to claim 10, characterized in that the operation of determining an ionic conductivity for the clay mineral comprises: building a molecular representation of the clay mineral, comprising: an anhydrous structure of atoms arranged in a plurality of parallel layers, the anhydrous structure including substitution sites in place of metal atoms in the structure in a concentration corresponding to a selected charge density; counterions of at least one species disposed in an interlayer space between layers of the anhydrous structure, in a concentration corresponding to the selected charge density; and a plurality of water molecules disposed in the interlayer space; assign force field parameters to the molecular representation in combination with boundary conditions corresponding to a selected pressure and temperature condition of the clay mineral; performing a molecular dynamics simulation of the equations of motion over a simulation time interval to determine positional coordinates of counterions in the representation at a plurality of times during the simulation time interval; calculating self-diffusion coefficients for one or more of the counterion species from the positional coordinates at the plurality of times; and calculate ion conductivities for a kind of counter-ions from the self-diffusion coefficients.
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