CN105873706B - 线切割机设备和切割出岩石样本的方法 - Google Patents

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Abstract

一种样本制备设备和使用这种设备制备岩石样本的方法，该方法可以与岩石特性的数字数值模拟结合使用。本文公开的设备包括以可固定的方式安装的金刚石线切割机。三个直线平移台联接到样品保持器。所述平移台中的一个平移台使样品在与切割线平面平行的方向上移动。其余两个平移台使样品在彼此不同的方向上移动，并且在它们一起被致动时使样品在离开切割线平面的方向上前进到线内而达到一段短的距离。在样品中形成短的逐段的直线切割段，以提供具有小横截面的期望形状的样本。

Description

线切割机设备和切割出岩石样本的方法
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C$119(e)，本申请要求2013年12月30日提交的临时申请No.61/921,797的优先权，该临时申请在此通过引用的方式并入。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
不适用。
背景技术
本发明属于材料样本的物理特性的实验室分析领域。本发明的实施例涉及用于获得适合于高分辨率断层成像和通过直接数值模拟进行分析的岩石样本的设备和方法。
获知地下岩层的材料特性对于评估地下油气藏(hydrocarbon reservoirs)并制定关于所述油气藏的开发策略是非常重要的。传统上，对感兴趣的岩层的样本进行物理实验室试验以确定这些材料的特性，这种特性也被称为物理或岩石物理特性。然而，这些试验通常很耗时，且昂贵。例如，测量物理岩石样本的某些特性需要该样本的完全的水饱和，如果该岩石具有低透水性，这可能需要极长的时间。不仅不能及时地获得结果，而且这些试验必然在实验期间占用实验室设备，从而限制了样本处理量(sample throughput)，并因此限制了在合理的时间内能够测量的样本数量。希望增强分析结果的及时性并因此加快开发周期，并且也增加所分析的样本数量，以提高分析结果的统计可信度。
对来自岩石数字图像的材料特性的直接数值模拟是近年来的一种用于确定岩石样本的材料特性的技术。根据这种方法，先获取岩石样本的X射线断层图像，以产生代表该样本的数字图像体积(digital image volume)。然后，对该数字图像体积施行计算实验，以模拟能用来测量岩石的物理特性的物理机制。可利用直接数值模拟来确定岩石的特性，例如孔隙率、绝对渗透率、相对渗透率、地层因数、弹性模量等。特别地，直接数值模拟能够在比相应的物理测量所需的时间段明显更短的时间段内评估不同岩石类型的材料特性，例如致密砂岩或碳酸盐岩。另外，根据此技术，不长期占用试验设备，因为计算机模拟软件能够立即施加与物理实验类似的数值条件。
岩石样本的断层图像的质量必然是评估材料特性时的精确度的一个重要因素。X射线断层成像是基于入射能量被材料成分(例如，基质空间与孔隙空间，或岩石成分的差异)衰减的差异的检测。为获得对材料特性的精确评估，重要的是这些衰减值精确地代表了岩石的结构和材料。由于“射束硬化”或低能光子在不规则形状的岩石样本中的优先吸收而导致的伪影使得降低该断层图像的精度。更具体地，由于所涉及的使X射线衰减的光吸收、散射和光电效应的机制，导致了射束硬化。由于低能X射线比高能X射线被这些机制的影响得更多，射束被称为“硬化”，因为射束的平均能量在通过样本时增大。样本的形状可能导致这种射束硬化随着样本内的位置而变化。如果样本的横截面是规则形状的(例如圆形)，那么，对衰减数据的后处理容易补偿这些不均匀的射束硬化的影响。然而，如果样本具有不规则的横截面或具有可变的厚度(例如，多边形横截面)，这种后处理将更困难(即使不是不可能)。如果射束硬化未被正确地补偿，则所述数字图像体积可能未精确地代表岩石的材料特性。
影响断层图像质量的另一个因素是图像的分辨率，即，通过成像而能够辨认的最小细节部分的尺寸。图像分辨率由采集系统的部件的特性及它们相对于样本的空间构造来控制。样本横截面尺寸影响图像分辨率，因为最小体素尺寸(voxel size)对应于所采集的图像的最长侧向尺寸(longest lateral dimension)除以代表该最长侧向尺寸的检测器像素的数量。因此，其中最长侧向尺寸相对小(例如，2mm)的样本能够以较高的图像分辨率或较小的体素尺寸被成像。还重要的是使图像体积“视场”最大化，以在全光照下(即，样本始终维持在检测器的视场内)覆盖岩石的最大可能的体积。
考虑到所有这些因素，已经发现：具有相对小的直径(例如，2至3mm量级)的圆柱形岩石样本提供了获得高质量断层图像以使用现代技术进行直接数值模拟的、最佳的横截面形状和尺寸。这些小的圆柱形样本提供了使得射束硬化最小且可修正的规则形状的横截面、用于提高分辨率的更小尺寸的体素、以及在全光照下的良好视场。
另外，该圆柱形样本在轴向尺寸上的长度也被证明是重要的。已经发现：该样本的最长可能的轴向延伸使得由螺旋图像采集系统连续成像的材料的体积最大化，并且也节约了制备样本和放置标准(圆形)图像采集系统几何结构所需的时间。对于粗颗粒的非均质岩石的情形，被成像的材料的体积尤其应该被最大化，以获得在统计上代表了从中获取了该样本的岩层的成像体积。
组合地考虑到这些因素，具有小横截面(例如，小于3mm)和相对长的轴向长度(例如大于10mm)的圆柱形岩石样本是使用常规的图像采集系统进行用于直接数值模拟的断层成像所希望的。满足这些几何要求需要从较大样本(例如，岩芯样本、钻井岩屑等)切割随后要被成像的样本，该较大样本本身是从感兴趣的地下岩层中获得的。
除了这些几何要求外，精确的直接数值模拟要求在要成像的样本中保持被采样的岩层的材料的完整性。更确切地说，样本的制备不应当从样本体积的边缘去除颗粒材料、在颗粒或基质中产生之前不存在的断裂、使样本周缘处的颗粒松脱、或者以其他方式改变颗粒形状或孔隙空间特性。这要求整洁地、直接地且非破坏性地通过岩石的单独颗粒进行切割。
通常，通过用中空的钻头(通常称为“取芯钻头”)进行钻孔来执行对一定体积的岩石的取芯以获得适合于成像的小的圆柱形样本。已经发现，这种取芯技术适合于从某些类型的岩石可靠地获得小至4mm直径的样本。然而，对于更小的直径，这种方法趋向于使岩石的颗粒剥落或断裂，这就破坏了样本。另外，以这种方式取芯已被证明不适合于特定的岩石类型，特别是包含并非高度坚固的颗粒或沉积材料的岩石。
常规的取芯钻头在所获得的细圆柱形样本的轴向长度方面也是有限的。典型地，可通过取芯钻头获得的3mm岩芯样本的最大轴向长度在5mm的量级上。如上文所述，希望获得明显长于5mm的用于成像的样本，特别是与螺旋图像采集系统一起使用时。
另一种制备用于直接数值模拟中的断层成像的样本的常规方法是用金刚石盘锯切割岩石。这种方法能够获得沿着轴向尺寸具有小横截面的相对长的样本，其中，该样本在其切割边缘处具有最小的剥落。但由于盘锯仅能够沿着二维平面切割，所制备的样本将具有矩形横截面，考虑到入射的能量在样本内行进的非均匀距离，这造成了由于对射束硬化的补偿而导致的被成像的体积的明显损失。例如，从平行六面体样本中获得的图像体积仅包含可从类似尺寸的圆柱形样本中获得的体素的大约60％。平行六面体样本形状导致的其他缺点包括：样本与流动单元或压力单元的比较差的相容性、以及不能执行“感兴趣区”(ROI)评估。
作为进一步的背景技术，使用金刚石线锯来制备用于显微镜检查的样本在现有技术中是已知的。常规的金刚石线锯的一个例子使用了细的不锈钢丝，在所述不锈钢丝上嵌入了不同颗粒尺寸的工业金刚石。其切割运动可以是往复式的，或者仅在一个方向上。这些常规的金刚石线锯的例子包括可从Well Diamond Wire Saws,Inc.购得的金刚石线锯。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于获得与断层成像一起使用的具有极小横截面直径的圆柱形岩石样本的设备和方法。
本发明的实施例提供了能够从各种岩石类型中获得此样本而不明显降低样本的材料完整性的设备和方法。
本发明的实施例提供了能够从坚固性差的岩石中获得此样本而不需要环氧树脂浸渍和类似技术来维持结构完整性的设备和方法。
本发明的实施例提供了能够获得具有多种横截面形状(包括圆柱形、矩形和多边形横截面)中的任一种横截面形状的样本的设备和方法。
通过参考以下说明及附图，本领域普通技术人员将会明白本发明的实施例的其他目的和优点。
本发明的实施例可实施为线切割机设备，其包括：工作台；线供应鼓和引导辊，该引导辊与所述线供应鼓竖直地间隔开，且所述线供应鼓和引导辊具有彼此平行的轴线；切割线，该切割线围绕所述线供应鼓和引导辊缠绕，并且从线供应鼓围绕引导辊延伸并返回到线供应鼓，使得所述切割线的在线供应鼓和引导辊之间延伸的彼此平行的分段限定了切割平面；保持器，该保持器用于保持要被所述切割线切割的材料的样品；以及多个平移台，所述多个平移台能够相对于所述工作台移动。所述多个平移台包括：进给平移台，该进给平移台联接到所述保持器，并能够在与所述切割平面大致平行的进给方向上移动；第一平移台，该第一平移台联接到所述保持器，并能够在与所述进给方向成角度的第一方向上移动；和第二平移台，该第二平移台联接到所述保持器，并能够在与所述进给方向成角度的第二方向上移动。
本发明的实施例也可实施为一种切割岩石样本的方法，该方法包括：操作线锯，以使切割线从线供应鼓围绕引导辊前进，其中，该切割线的前进分段和返回分段在线供应鼓和引导辊之间延伸且限定了切割平面；切割出从岩石样品的边缘到开始点的路径；然后致动第一平移台和第二平移台中的任一个或二者，以使样品在与切割平面不平行的方向上直线前进。在使样品在与切割平面不平行的方向上直线前进之后，该方法然后还包括：停止样品的前进，直至切割线大致变直；以及，重复所述致动步骤和停止步骤多次，以在样品中切割出限定了样本周缘的封闭图形。然后，可沿着上述路径撤回所述样品。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例构造的样本制备设备的立视图。
图2是根据本发明的此实施例的、图1的设备的平移台和样品保持器的透视图。
图3是根据本发明的此实施例构造的样本制备设备的俯视图。
图4是示出了根据本发明的一个实施例的制备样本的方法的流程图。
图5a至图5e是根据本发明的此实施例的、示出了处于图4中的方法的各个阶段的样品和图1的设备的切割线子系统的示意图。
图5f是根据本发明的此实施例的、处于图4中的方法的一个阶段的从较大样品上切割的样本的周缘的示意性俯视图。
图6是示出了根据本发明的一个实施例的岩石样本的分析方法的流程图。
具体实施方式
将结合本发明的实施例(即，被实施为制备岩石样本的设备和方法的实施例)来描述本发明，该岩石样本用于对从其获得该样本的岩石的特性进行数值模拟分析，如所认识到的，本发明在这种应用中将特别有益。然而，应认识到的是，在除了本说明书中描述的以外的其他应用中，本发明也将是有用且有益的。因此，应当理解，下文的描述仅作为示例给出，并非旨在限制本发明所要求保护的真实范围。
如上文结合背景技术所讨论的，本发明的实施例涉及获取岩石样本并通过直接数值模拟对它们进行分析。因此，可以理解的是，在油气勘探和开采中非常重要的、从地下岩层中获取岩石样本方面，本发明的实施例将特别有益。更具体地，将从其获取样本的岩石被认为对应于通过陆地或海洋钻井系统到达的岩层，所述钻井系统例如用于从这些岩层中获取例如油气(石油、天然气等)、水等。在现有技术中关键的是，油气开采操作的优化很大程度上受到这些地下岩层的结构和物理特性的影响。根据本发明的实施例获得的样本在了解这些岩层属性方面是有用的。
如从下文的描述中所显见的，本发明的实施例更具体地涉及从先前从地下取回的所感兴趣的较大岩石样本中获取小的岩石样本。为简洁起见，在本说明书中，这些较大的岩石样本将被称为“样品”，而从这些样品中获得的小的岩石样本将被称为“样本”。对术语“样品”和“样本”的区分并不意图于特定的意义；而是，使用这种分开的术语仅旨在区分根据本发明从较大样本中获得的小样本，从该较大样本中获得这些小样本。
常规的金刚石线切割机用于制备样本，包括被获取以进行岩石物理特性分析的岩石样本。这种常规的金刚石线切割机的一个例子是可从Well Diamond Wire Saws,Inc.购得的3242Diamond Wire Cutter(金刚石线切割机)。然而，已经发现，与本发明相结合地，诸如3242Diamond Wire Cutter的这种常规的线切割机不能容易地沿着弯曲路径进行切割，这种弯曲路径对于圆柱形样本(尤其是具有小的(<10mm)横截面直径的样本)的制备是必需的。此局限性的一个原因是：切割线在这些常规切割机中的布置(通常在线供应鼓和引导辊之间竖直行进)不允许剪力被施加到切割线。在这种常规的线切割机中，这些剪力可能导致切割线变得卡在工件中，或变得从引导辊脱位。另外，由于金刚石切割线在切割期间弯曲，其曲率对应于所施加的力并且也对应于工件材料的加工长度，所以，仅能在一个方向(即，进给方向)上获得均匀切割。诸如3242Diamond Wire Cutter的这些常规的金刚石线切割机也仅提供了切割线相对于工件的移动方面的单个自由度。例如，3242Diamond Wire Cutter维持工件的固定位置，其中唯一允许的移动是切割线朝着工件和离开工件的移动。由该常规的金刚石线切割机提供的这种单个自由度必然导致单向的切割。
图1示出了根据本发明的一个实施例的样本制备设备10的构造。如从以下描述中将变得显而易见的，样本制备设备10能够从所感兴趣的较大岩石样品中获取具有期望的横截面的小样本，所述期望的横截面典型地为圆形，但也可以是其他形状，例如多边形。可以想到的是，从地下获取岩石样品的方式以及这些样品的物理形式可以广泛地变化。与本发明的实施例一起使用的岩石样品的例子包括整岩芯样本、井孔壁岩芯样本、露头样本(outcrop sample)、钻井岩屑、以及实验室产生的合成岩石样本，例如填砂模型和填水泥模型。
在图1所示的本发明的此实施例中，样本制备设备10包括：工作台11，该工作台11为设备10的其他部件提供了稳定的基座。线供应鼓12经由其马达机壳11M安装到工作台11且由马达驱动而围绕线供应鼓12的轴线旋转。在此实施例中，引导辊14在线供应鼓12下方的竖直位置处安装到工作台11，其中，引导辊14的轴线平行于线供应鼓12的轴线。如图所示，金刚石切割线13围绕线供应鼓12缠绕，再围绕引导辊14缠绕，然后回到线供应鼓12。引导辊14相对于线供应鼓12的竖直位置可以是可调的，从而提供一种张紧装置以维持切割线13中的期望的张紧度。常规构造的切割线13(例如镶有金刚石的具有约60微米粒度和约300微米直径的切割线)适合于感兴趣的典型岩石的样本制备；当然，切割线的所述粒度和直径可根据样本材料而变化。
设备10中的工作台11、线供应鼓12和引导辊14是与常规的金刚石线切割机(例如3242Diamond Wire Cutter)中提供的类似的部件，。根据本发明的实施例，马达机壳11M可与工作台11成一体，或替代地，马达机壳11M可以是附接到工作台11的一个单独模块。在3242Diamond Wire Cutter的常规操作中，其马达机壳相对于其工作台移动，以使切割线前进到样品。然而，根据本发明的实施例，如果马达机壳11M是一个单独模块，则马达机壳11M在固定的位置上通过帽螺钉23和支架25安装到工作台11，如图1所示；另一对帽螺钉23和另一个支架25也存在于该图1中的马达机壳11M的另一侧。由于马达机壳11M相对于工作台11处于固定位置，线供应鼓12和引导辊14(因此，切割线13)也相对于工作台11处于固定位置。
与此相反，根据本发明的实施例，设备10被构造成使得从其中切出岩石样本的工件(即，图1的样品15)能够相对于被维持在固定位置处的切割线13以多个自由度移动。在图1所示的设备10中，可沿着定位台21中的轨道来调整该定位台21在工作台11上的位置，然后可通过固定螺钉22将其固定到位。在任一种情况中，可以想到，一旦被调整和设定后，定位台21将在样本制备期间相对于工作台11保持固定到位。
根据本发明的此实施例，三个直线平移台18、19、20联接到定位台21。更具体地，在此示例中，直线平移台18、19、20是以彼此叠置的方式安装的模块化定位台。如图1中大致示出并在图2中更详细示出的，y平移台18安装到定位台21，x平移台19安装到y平移台18，且f平移台21安装到x平移台19。
在本发明的此实施例中，直线平移台18、19、20是本领域中已知的常规直线平移台。例如，平移台18、19、20中的每一个均可构造成具有台本体，该台本体能够(例如通过螺栓)安装到固定的板，且具有可在致动器的控制下、在单个方向上沿着轨道或导轨移动的载架。图2和图3示出了分别联接到平移台18、19、20的微分头式致动器(micrometeractuator)18a、19a、20a。在图2和图3中，每个平移台18、19、20提供的行进方向分别由“y”、“x”和“f”箭头表示。适合用作平移台18、19、20的、合适的直线平移台的一个例子是可从Newport Spectra-Physics,Ltd.购得的、具有BM17.51微分头式致动器的M-UMR8.51手动平移台。
对于如图1和图2中所示且如上所述的模块化的平移台18、19、20的示例，y平移台18的台本体通过螺栓等固定到定位板21，使得y平移台18的载架相对于y平移台18的台本体(且因此相对于定位板21)的移动将如图2所示地沿着y方向。在此示例中，x平移台19的台本体通过螺栓等固定到y平移台18的载架，使得x平移台19的载架相对于x平移台19的台本体(且因此相对于y平移台18的载架)的移动将如图2所示地沿着x方向。在此示例中，L形板26安装到x平移台19的载架，且f平移台20的台本体通过螺栓27安装到板26，使得f平移台20垂直于平移台18、19安装。f平移台20的载架相对于f平移台20的台本体(且因此相对于x平移台19的载架)的移动将如图2所示地沿着f方向。
在此实施例中，如上文所述和下文中将描述的，引导辊14与线供应鼓12竖直地间隔开，使得切割线13在线供应鼓12和引导辊14之间的路径是大致竖直的；在这种布置中，x平移台19、y平移台18和f平移台20的行进方向都处在水平面内，该水平面垂直于由切割线13的竖直路径限定的切割平面。然而，还可以想到的是，引导辊14可以与线供应鼓12在除了竖直方向以外的方向上间隔开。例如，引导辊14可安装成使得切割线13的路径在水平路径上行进。在此情况中，x平移台19、y平移台18和f平移台20将相应地旋转，从而它们各自的行进方向将处在与水平面垂直的竖直平面内。当然，与此实施例相结合，也可以想到除了竖直和水平定向以外的其他定向。
也可以想到的是，可替代地使用其他类型的平移台，包括整体式平移台，用于取代模块化平移台18、19、20中的两个或更多个。替代地，平移台18、19、20中的一个或多个可设有电动致动器，以代替如图所示的微分头式致动器18a、20a。根据其中致动器18a、19a、20a是电动致动器的此替代解决方案，可以想到的是，样本制备设备10在必要时也可包括计算机或其他可编程控制器，该计算机或其他可编程控制器能够根据预编程的序列来控制这些致动器18a、19a、20a，以使从样品15切割样本以一致且可重复的方式自动化。在此实施例中，x平移台19和y平移台18彼此垂直，这样，x平移台19和y平移台18具有可在彼此大致垂直的方向上移动的载架，因为这种布置被认为将便于有效的控制；进一步可想到的是，如果必要，可以使这些平移台以除了彼此垂直以外的角度定向。
在本发明的此实施例中，样品15(如图1所示)由样品保持器16保持，该样品保持器16通过竖直调整板17和支架结构28安装到f平移台20。样品保持器16被构思为包括颚部或其他类型的夹紧结构，以在切割过程中牢固地保持该样品15。竖直调整板17允许调整样品保持器16的竖直位置，且因此允许调整样品15的竖直位置。在本发明的此实施例中，样品保持器16到f平移台20的固定联接以及这些平移台18、19、20的堆叠布置允许这些平移台18、19、20中的一个或多个的平移，以实现样品15在相应方向上的移动。
如图3的俯视图与图1和图2相结合地示出的，f平移台20的平移的f方向被构思为大致平行于切割平面，该切割平面由从线供应鼓12围绕引导辊14延伸并返回的切割线13所遵循的两个路径限定。根据本发明的此实施例，如下文中将进一步详细描述的，样品15沿着f方向的平移用于使样品15朝着线13前进以及用于将样品15从线13撤回。在该切割过程的其余阶段期间，尤其是在切割封闭图形以形成从样品15切出的样本过程中，样品15的平移将由x平移台19和y平移台18控制。
根据本发明的此实施例，设备10提供了在x和y方向上的自由度，这使得能够从岩石样品中切割各种任意横截面形状的样本。并且，如下文中将详细描述的，根据本发明实施例的设备10的操作使得能够切割具有非常小的横截面直径的样本，因此减小了成像体积内的体素的尺寸，这提高了通过直接数值模拟获得的材料性质评估的精确度。
现在与图5a至5e的示意图相结合地参考图4，现在将描述根据本发明实施例的设备10从岩石的样品中制备样本的操作。如上所述，可通过多种常规方式中的任一种来获取样品15。在油气工业中，将典型地从勘探井或开采井的钻井过程中获得样品15，这样，样品15也可来自整岩芯样本、井孔壁岩芯样本、露头样本、和钻井岩屑；替代地，样品15可出自实验室产生的合成岩石样本，例如填砂模型和填水泥模型。根据本发明的实施例，构成样品15的岩石的属性可处于非常宽的范围内，包括较不坚固且结构上较不稳定的材料，例如砂岩、粘土和并非高度坚固的其他颗粒或沉积材料。
在本发明的此实施例中，样本制备过程200开始于步骤30，在该步骤30中，将样品15放置在样品保持器16中并由样品保持器16保持。对于样品保持器16包括一对颚部的示例，步骤30包括将样品15固定在这些颚部中。在许多情况下，希望从样品15中切出圆柱形样本，在此情形中，希望样品15具有平坦的顶表面和底表面，并具有与要取回的样本的期望长度相对应的厚度。如图5a中所示，样品15可具有圆柱形形状(即，圆盘形)，如从钻井过程中获得的所制备的岩芯样本的典型情况。
一旦放置在样品保持器16中，则在步骤32中将样本15定位并定向在切割线13的期望位置处，如图5a所示。通过竖直调整板17来调整样品15的竖直位置。对于圆盘形样品15的情况，其平坦表面将最佳地定向成垂直于切割线13，以产生圆柱形样本。在步骤34中，将f平移台20对齐，使得f平移台20的移动将平行于由切割线13限定的切割平面。参考图5a，切割线13被示出为具有两个竖直分段13d、13u，从线供应鼓12围绕在线供应鼓12下方竖直地间隔开的引导辊14延伸并返回，其中，这两个竖直分段13d、13u彼此大致平行，从而限定了在本说明书中被称为切割平面的平面。在此示例中，马达11M运行，使得切割线13的切割运动是往复式的，如线锯的典型情况。替代地，如果必要，辊14可被第二线供应鼓替代。在上文所述的设备10的示例中，想到的是，通过使定位板21(平移台18、19、20安装到该定位板21)相对于工作台11移动并通过拧紧固定螺钉22而将定位板21固定到位，来完成f平移台20在步骤34中的对齐。通过f平移台20的正确对齐而使得其平移平行于切割平面，确保可以将样品15切割成期望的长度而不在线分段13d上施加剪力。对齐步骤34最佳地将样品15放置得尽可能地靠近线分段13d，使得f平移台20的行程范围的大部分都将处在样品15内；这对于平移台18、19的致动器18a、19a也都是有益的，以便最初设定在致动器18a、19a的中间值处，从而每个致动器能够在任一方向上发挥最大行程。
在步骤36中，(通过致动器20a)将f平移台20致动，以使样品15朝着并抵接着切割线分段13d前进。样品15的这种仅在f方向上的平移使线分段13d如图5b所示地弯曲，但该弯曲处在由线分段13d、13u限定的切割平面内，这样，在切割线13上施加了最小剪力。如此，如果必要，步骤36中的切割可以“不停”地执行。在任何情况下，步骤36持续进行，直至在样品15中切割出了具有期望长度的路径。更具体地，可以想到的是，此路径将从样品15的周缘延伸至样品15内的如下的点：在该点处，要切割的样本的周缘将开始。
在步骤36之后，在步骤38中开始从样品15切割出样本的周缘，这通过以下方式实现：致动所述致动器18a、19a中的一个或两个，以根据期望的样本周缘使x平移台18和y平移台19中的任一个或二者分别移动一段短的距离并因此使样品15一段短的距离。根据本发明的实施例，通过x平移台18和y平移台19中的任一个或二者产生的平移通常将不在由线分段13d、13u限定的f方向切割平面内，这样，剪力将施加到线分段13d上。然而，通过限制样品15在步骤38中的移动的距离和速度，这些剪力的影响被最小化。例如，步骤38中的平移距离非常短，例如，对于基于上述型号3242Diamond Wire Cutter的设备10的例子来说，该平移距离不超过约100微米。切割线13从线供应鼓12的进给速度将取决于多个因数，包括样品15的成分、切割线13的厚度、样品15每次移动的平移距离等。例如，直径约100微米的切割线13能够以最高约50微米/秒的速度被进给，以切割砂岩样品15。更粗的切割线13可以允许更高的最大进给速度。在任何情况中，可以想到的时，已参考了本说明书的本领域普通技术人员将能够容易地确定合适的进给速度以及切割线类型和直径。这些对于最大平移距离和最大线进给速度的限制将限制线分段13d相对于竖直方向的弯曲，并因此限制剪力。
在步骤38中的短距平移之后，在步骤40中，使样品15的移动至少停止一段最短的时间，以允许切割线分段13d返回到直的定向。在步骤40的此等待时间期间，切割线分段13d发挥作用，以沿着步骤38中的平移长度从样品15去除材料，从而使其变直，在此布置中，这导致切割线分段13d返回到竖直状态。可以想到的是，对于油气领域中的大多数感兴趣的岩石材料，使切割线分段13d大致变直的步骤40中的等待时间将大约为至少约3秒到最多约5秒。如果样品15已被环氧树脂浸渍以减少损坏(如传统上对不太坚固的样本的介质所采取的行为)，则此等待时间可能远远更长，例如长到数分钟。已经发现，等待步骤40不仅有益于维持切割线13的健康，而且导致直着切穿样品15的深度，并因此导致对最终将移走的样本的形状的良好控制。在此等待时间的结束时，平移步骤38和等待步骤40将共同导致在样品15中的短直线距离的切割。
在判定步骤41中，使用者确定从样品15切出的样本的周缘是否已完成，这通过最近一次直线切割已完成样品15内的封闭图形来确定。如果为否(判定步骤41为“否”)，则通过短距离地致动x平移台18和y平移台19中的任一个或二者来重复步骤38。为了在样品15中切割出一个大致的圆，每个相继的平移过程48的方向将在与先前的方向不同的方向上。替代地，根据本发明实施例的设备10及其操作也可用于切割多边形横截面，在此情况中，步骤38中的下一个平移可与先前的平移在相同方向上。然后，再次执行等待步骤40，以允许线分段13d进行切割并去除材料，从而变直而返回到竖直状态。然后重复这些步骤38、40，直到在判定步骤41中确定已切割出样本的完整周缘。
图5c示意性地示出了根据本发明实施例的在通过重复的步骤38、40进行的多个逐段的直线切割之后的样品15。在图5c所示的过程的阶段中，切割线13已限定了圆形横截面的一部分。图5f以俯视图更详细地示出了样本的这种局部切割。如图5f所示，在步骤36中切割出了从样品15的外表面到点51的路径50。步骤38、40中的小的直线切割从点51以切割段521开始，然后重复进行以形成切割段522、523，且在此示例中沿逆时针方向继续进行。(强调每个切割段52的结束点仅是为了说明，但实际上在样品15中不存在这种结束点)。
如图4所示，如果必要的话，可在通过步骤38、40形成的重复的直线切割期间的一个或多个点上执行可选的粘合步骤42。在步骤42中，例如在已切割出该周缘的大约四分之三之后，将粘合剂沿着已切割出的样本的周缘的一部分涂覆，以防止该样本在切割完成之后掉落。在步骤42中涂覆的该粘合剂的存在也确保了样本被从样品15完整地切割出，而非在周缘切割接近完成时过早地从样品15断掉。
根据本发明的实施例，重复的步骤38、40继续以相同的方式形成切割段52，直至在返回到点51时形成一个封闭图形，如通过判定步骤41所确定的。图5d中示出了所述过程的此阶段，其中，样本S具有通过由直线切割段52的序列形成的封闭图形所限定的周缘。在此示例中，由于每个切割段52均相当短，例如不长于约100微米，所以，切割段52的序列是圆54的良好近似，这从圆盘形样品15中产生了圆柱形样本。例如，可以想到的是，约60个100微米的切割段将切割直径约为2mm的圆，这在断层成像和数字数值模拟的情形中是非常有用的。
当通过步骤38、40完成重复的直线切割(判定步骤41返回“是”的结果)时，在x方向和y方向上的平移停止。在图5f的示例中，线分段13d此刻位于点51处。然后，执行步骤44以将样品15(带有样本S)从切割线13撤回，这通过在与切割平面平行的方向上(在与步骤36中的方向相反的方向上)致动所述f平移台20来进行。可以想到的是，在步骤44中通常将发生很少或不发生对样品15的另外切割。
在步骤44之后，然后在步骤46中将样本S从样品15中移除，例如通过去除在步骤42中涂覆的粘合剂(如果存在)，或通过将样本S从样品15中推走。图5e示意性地示出了在步骤44中将样品15从切割线分段13d撤回之后从样品15中移除样本S的情形。样品15可以在移除步骤46之前或之后从样品保持器16中移除。替代地，样品15可重新定位在样品保持器16中(其中，如果必要的话，样本S通过粘合剂保留在样品15内)，并且，如果要从该同一样品15中切割出另一个样本，则重复上述样本制备过程200。
根据本发明的上述实施例(其中，在步骤36中通过f平移台20使样品15在与线分段13d、13u的切割平面平行的f方向上前进)，能够使总的切割时间最少，因为对样品15的从其边缘到开始点51的切割能够在不停止的情况下连续进行。替代地，可沿着在与切割平面不平行的方向上延伸的路径将样品15从其边缘切割到开始点51，这通过一系列短的逐段的直线切割来进行，这些直线切割通过所述平移台18、19的彼此间隔开一段等待时间的分别在y方向和x方向上的平移来执行(如步骤38和40中所执行的)，以切割出样本的周缘。对于特定的样本几何形状或者应避开样品15的特定部分时，这种不平行的方案可以是有益的。
如上所述，样本制备设备10可构造为包括计算机或其他可编程控制器，该计算机或其他可编程控制器控制所述致动器18a、19a、20a运行以移动样品15的次序。这种自动进行样本制备的方案可特别有益于确保在所述逐段的切割中的一次切割之后但在开始下一次切割之前经过了适当的等待时间。与这种自动的实施方案相结合，还可以想到的是，也可以将传感器应用到样本制备设备10内，以例如在样品15的平移之后检测所述线13d返回到竖直状态的时间，在此之后，可开始样品15的在下一个切割方向上的平移。
现在参考图6，将描述使用数字数值模拟从根据本发明的实施例制备的样本中评估材料特性的总过程。该评估过程开始于样本制备过程200，该样本制备过程200以根据本发明实施例的在上文中参照图4和图5a至图5f描述的方式执行，以产生用于成像的一个或多个岩石样本。
在步骤202中，成像系统获得了在过程200中制备的岩石样本的二维(2D)或三维(3D)图像或其他适当的图像表示。在步骤202中获得的这些图像和表示包括样本的内部结构的细节。在步骤202中使用的成像装置的一个例子是X射线计算机断层成像(CT)扫描器，其类型、构造或其他属性对应于能够产生代表具有期望的分辨率的样本的内部结构的图像的多个X射线装置中的任一个。例如，可获得该样本的多个二维(2D)截面图像并将所述截面图像提供给计算装置，该计算装置然后构建与该样本对应的三维(3D)数字图像体积。适合于执行这种构建和随后的分析的常规计算装置可以是多种常规计算机中的任一种，例如具有足够的计算能力来执行期望的操作的台式计算机或工作站、笔记本计算机、服务器计算机、平板计算机等。
用于在步骤202中获取并处理该样本的3D数字图像体积的具体常规技术包括(但不限于)X射线断层成像、X射线微断层成像、X射线纳米断层成像、Focused Ion BeamScanning Electron Microscopy(聚焦离子束扫描电子显微镜)和Nuclear MagneticResonance(核磁共振)。
此图像体积通常由被称为体积元素或更通常地称为“体素”的3D规则元素代表，每个体素具有相关的数字值或幅值，其代表了被成像的样本在被代表的介质的此位置处的相对材料特性。在步骤210中，所述计算装置对样本的数字图像体积执行图像分割技术或其他图像增强技术，以在该图像体积内区分和标记不同的部分。例如，分割步骤210可识别重要的弹性成分，例如可能影响样本的弹性特性的矿物成分(例如，粘土和石英)和孔隙空间。分割步骤210可被执行，以识别代表了例如孔隙空间、粘土粒级、粒间接触以及个体晶粒和矿物的材料组分的不止两个重要的弹性相(elastic phases)。该计算装置在步骤210中使用的特定切割算法可根据所期望的分析而变化；典型地，应用某些类型的“阈值”，以将具有类似幅值的体素彼此分组。常规的用于增强图像体积、降低噪声等的图像处理可包括在步骤210中，如现有技术中已知的。
在步骤220中，计算装置然后执行数字数值模拟，以分析该样本的一个或多个物理特性，这典型地通过对带有阈值的数字图像体积进行数值分析来进行。可在步骤220中确定的特性包括岩石的体积弹性特性。在油气勘探和开采的情形中，可在步骤220中确定所感兴趣的岩石物理特性，例如孔隙率、渗透率、地层因数、渗透率、相对渗透率、导电率、进汞毛细管压力等。可利用所逐步形成的孔隙空间的适当的离散化或网格、与适当的数值模拟(例如单相流体流的直接数值模拟)相结合来评估这些岩石物理特性，以计算绝对渗透率。在步骤220中确定这些岩石物理特性中的某些岩石物理特性也可能要求使用有限元法、有限差分法、有限体积法、格子Boltzmann方法、或其他数值方法的任何变型而进行的数值模拟。
根据本发明实施例的制备岩石样本的方法和用于实现这种制备的设备提供了重要的益处和优点，特别是对于要进行X射线断层成像以进行直接数值模拟的样本来说。本发明的实施例使得能够制备具有极小横截面直径(例如3mm或更小的直径)的圆柱形岩石样本，这允许极高分辨率的断层成像，它是分辨精细结构细节所必需的。能够在不明显地破坏材料的完整性或孔隙结构的情况下从大范围的各种岩石类型(包括较不坚固或易碎的岩石)获得这些样本。另外，本发明的实施例提供了样本制备过程中的灵活性，从而能够切割出具有多个横截面形状(包括圆形、矩形和多边形横截面形状)中的任一种横截面形状的样本。
虽然已根据其一个或多个实施例描述了本发明，但当然可以想到这些实施例的变型和替代方案，对于已参考了本说明书及附图的本领域普通技术人员而言，获得了本发明的优点和益处的这种变型和替代方案将是显而易见的。可以想到的是，这样的变型和替代方案处于所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种线切割机设备，包括：
工作台；
线供应鼓；
引导辊，所述引导辊与所述线供应鼓竖直地间隔开，所述引导辊和所述线供应鼓具有彼此平行的轴线；
切割线，所述切割线围绕所述线供应鼓和所述引导辊缠绕，并且从所述线供应鼓围绕所述引导辊延伸并返回到所述线供应鼓，使得所述切割线的在所述线供应鼓和所述引导辊之间的彼此平行的分段限定了切割平面；
保持器，所述保持器用于保持要被所述切割线切割的材料的样品；以及
多个平移台，所述多个平移台能够相对于所述工作台移动，所述多个平移台包括：
进给平移台，所述进给平移台联接到所述保持器，并能够在与所述切割平面大致平行的进给方向上移动；
第一平移台，所述第一平移台联接到所述保持器，并能够在与所述进给方向成角度的第一方向上移动；和
第二平移台，所述第二平移台联接到所述保持器，并能够在与所述进给方向成角度的第二方向上移动，
其中，所述进给方向、所述第一方向和所述第二方向彼此是共面的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一方向和所述第二方向彼此大致垂直。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述线供应鼓和所述引导辊安装在相对于所述工作台固定的位置。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：
定位板，所述定位板以可固定的方式安装到所述工作台；
其中，所述进给平移台、所述第一平移台和所述第二平移台中的每一个均能够相对于所述定位板移动。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述保持器包括：
用于保持所述样品的颚部；和
支承部，所述支承部联接到所述颚部并联接到所述进给平移台，以便能够与所述进给平移台一起相对于所述定位板移动。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述保持器还包括：
竖直调整板，所述竖直调整板用于调整所述颚部相对于所述定位板的竖直位置。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述进给平移台包括：
直线平移台，所述直线平移台联接到所述保持器的所述支承部并联接到所述定位板；和
致动器，所述致动器联接到所述直线平移台，用于控制所述直线平移台沿所述进给方向的移动；
其中，所述第一平移台和所述第二平移台中的每一个均包括：
联接到所述定位板的直线平移台；和
用于控制所述直线平移台的移动的致动器。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述致动器中的每一个均包括微分头式致动器。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述致动器中的每一个均包括电动致动器。
10.根据权利要求9所述的设备，还包括：
可编程控制器，所述可编程控制器联接到所述致动器中的每一个，所述可编程控制器被编程为控制所述致动器，以根据预编程的序列来移动所述多个平移台。
11.根据权利要求7所述的设备，其中，所述进给平移台、所述第一平移台和所述第二平移台均包括模块化的平移台；
并且其中，所述第一平移台安装到所述定位板，所述第二平移台安装到所述第一平移台，且所述进给平移台安装到所述第二平移台。
12.根据权利要求7所述的设备，其中，所述进给平移台、所述第一平移台和所述第二平移台中的两个或更多个包括集成式平移台。
13.一种切割出岩石样本的方法，包括：
操作线锯设备，以使切割线从线供应鼓围绕引导辊前进，所述切割线的在所述线供应鼓和所述引导辊之间的前进竖直分段和返回竖直分段限定了切割平面，所述设备包括：
保持器，所述保持器用于保持要被所述切割线切割的岩石的样品；以及
多个平移台，所述多个平移台包括：
进给平移台，所述进给平移台联接到所述保持器，并能够在与所述切割平面大致平行的进给方向上移动；
第一平移台，所述第一平移台联接到所述保持器，并能够在与所述进给方向成角度的第一方向上移动；和
第二平移台，所述第二平移台联接到所述保持器，并能够在与所述进给方向成角度的第二方向上移动，
其中，所述进给方向、所述第一方向和所述第二方向彼此是共面的；
通过所述进给平移台使所述样品前进而切割出从所述岩石样品的边缘到开始点的路径；
然后致动所述第一平移台和第二平移台中的任一个或二者，以使所述样品在不与所述切割平面平行的方向上直线前进；
然后停止所述样品的前进，直至所述切割线返回到大致直的定向；
重复所述致动步骤和停止步骤多次，以在所述样品中切割出封闭图形，所述封闭图形限定了所述样本的周缘；以及
然后，沿着所述路径撤回所述岩石样品。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一平移台和所述第二平移台被彼此正交地定向。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述切割步骤包括：
从所述样品的边缘处使所述样品在与所述切割平面平行的方向上前进，以在所述样品中切割出到所述开始点的路径；
并且其中，所述撤回步骤包括：
沿着所述路径在与所述切割平面平行的方向上撤回所述样品。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述致动步骤中的每一个均使所述样品直线前进小于约100微米的距离。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述停止步骤中的每一个均执行至少大约三秒。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述封闭图形是大致构成一个圆的一系列逐段线性的分段。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述圆具有小于约3mm的直径。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述封闭图形为多边形。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在重复所述致动步骤和停止步骤以完成所述封闭图形之前，将粘合剂添加到已切割出的图形的至少一部分上。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，所述样品包括砂岩。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，所述样品包括至少一种粘土。
24.根据权利要求13所述的方法，还包括：
然后将所述样本从所述样品中移除；
通过断层成像来获得所述样本的数字图像体积；
对与所述样本的一个或多个断层图像对应的所述数字图像体积进行分割，以将所述数字图像体积内的体素与孔隙空间或实体材料相关联；
对所述数字图像体积进行数值模拟实验，以表征所述样本的材料特性。
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