CN112106108A - 使用颗粒接触模型估计岩石的机械性能的系统和方法 - Google Patents

使用颗粒接触模型估计岩石的机械性能的系统和方法 Download PDF

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Abstract

用于分析岩石样本以确定岩石样本的机械性能的方法包括：(a)分割与岩石样本的图像相对应的数字图像体积。另外，该方法包括：(b)划分数字图像体积以将数字图像体积中的多个体素与岩石样本的多个颗粒相关联。此外，该方法包括(c)：确定多个体素中彼此相邻的体素，以识别颗粒之间的多个接触界面。此外，该方法包括：(d)使用在对应颗粒‑颗粒界面处的相邻体素确定接触界面中的每个接触界面的接触面积。该方法还包括：(e)确定多个颗粒中的每个颗粒与每个相邻颗粒所具有的接触界面的数量。此外，该方法包括：(f)基于多个颗粒中的每个颗粒的接触界面的数量和接触界面中的每个接触界面的接触面积确定岩石样本的一个或多个机械性能。

Description

使用颗粒接触模型估计岩石的机械性能的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月22日提交的且标题为“Systems and Methods ForEstimating Mechanical Properties of Rocks Using Grain Contact Models(使用颗粒接触模型估计岩石的机械性能的系统和方法)”的美国临时专利申请No.62/688912的优先权，所述美国临时专利申请通过引用并入本文中，如同其全文被复制一样。
背景技术
在碳氢化合物生产中，获得岩层的岩石物理性能的准确的地表下估计对于评估岩层中包含的碳氢化合物体积以及制定从岩层中提取碳氢化合物的策略是重要的。传统上，使岩层样本(诸如来自岩心样本或钻屑)经受物理实验室测试，以测量岩石物理性能，诸如渗透率、孔隙率、地层因数、弹性模量等。这些测量值中的一些需要长时间段，取决于岩石本身的性质，在一些情况下延伸超过几个月。用于进行这些测量的装备也可能相当昂贵。
由于直接测量岩石物理性能所需的成本和时间，可以应用“直接数值模拟”技术来有效地估计岩石样本的物理性能，诸如孔隙率、绝对渗透率、相对渗透率、地层因数、弹性模量等，所述岩石样本包括来自不同岩石类型(诸如致密气砂或碳酸盐)的样本。根据该方法，例如借助于计算机断层(CT)扫描来获得岩石样本的三维断层图像。三维图像体积中的体素被“分割”(例如，通过“阈值化”它们的亮度值或通过另一种方法)以将岩石基质与空隙空间区分开。然后执行流体流动或其他物理行为(诸如弹性或电导率)的直接数值模拟，从中可以导出孔隙率、渗透率(绝对和/或相对)、弹性性能、电气性能等。可以应用多种数值方法来求解或近似模拟适当行为的物理方程。这些方法包括Lattice-Boltzmann、有限元、有限差分、有限体积数值方法等。
发明内容
本文公开了用于分析粒状岩石样本以确定岩石样本的一个或多个机械性能的方法的实施例。在一个实施例中，该方法包括分割与岩石样本相对应的图像的数字图像体积。另外，该方法包括划分数字图像体积以将数字图像体积中的多个体素与岩石样本的多个颗粒相关联。此外，该方法包括确定多个体素中彼此相邻的体素，以识别颗粒之间的多个接触界面。此外，该方法包括使用在对应的颗粒-颗粒界面处的相邻体素来确定接触界面中的每个接触界面的接触面积。该方法还包括确定多个颗粒中的每个颗粒与每个相邻颗粒所具有的接触界面的数量。此外，该方法包括基于多个颗粒中的每个颗粒的接触界面的数量和接触界面中的每个接触界面的接触面积来确定岩石样本的一个或多个机械性能。
本文公开了用于分析岩石样本以确定岩石样本的一个或多个机械性能的系统的实施例。在一个实施例中，该系统包括成像设备，该成像设备被配置成产生代表岩石样本的数字图像体积。另外，该系统包括联接到成像设备的计算设备。计算设备包括一个或多个处理器以及联接到一个或多个处理器的一个或多个存储设备。一个或多个存储设备被配置成存储指令，该指令当由一个或多个处理器执行时将该一个或多个处理器配置成：分割与岩石样本的一个或多个图像相对应的数字图像体积，以将数字图像体积中的体素与岩石样本的颗粒相关联；划分数字图像体积，以将数字图像体积中的多个体素与岩石样本的多个颗粒相关联；确定多个体素中彼此相邻的体素，以识别颗粒之间的多个接触界面；使用在对应的接触界面处的相邻体素来确定接触界面中的每个接触界面的接触面积；确定多个颗粒中的每个颗粒与每个相邻颗粒所具有的接触界面的数量；以及基于多个颗粒中的每个颗粒的接触界面的数量和接触界面中的每个接触界面的接触面积来确定岩石样本的一个或多个机械性能。
本文公开了非暂时性计算机可读介质的实施例。在一个实施例中，用指令对非暂时性计算机可读介质进行编码，该指令当被执行时使一个或多个处理器：分割与岩石样本的一个或多个图像相对应的数字图像体积，以将数字图像体积中的体素与岩石样本的颗粒相关联；划分数字图像体积，以将数字图像体积中的多个体素与岩石样本的多个颗粒相关联；确定多个体素中彼此相邻的体素，以识别颗粒之间的多个接触界面；使用在对应的接触界面处的相邻体素来确定接触界面中的每个接触界面的接触面积；确定多个颗粒中的每个颗粒与每个相邻颗粒所具有的接触界面的数量；以及基于多个颗粒中的每个颗粒的接触界面的数量和接触界面中的每个接触界面的接触面积来确定岩石样本的一个或多个机械性能。
本文所描述的实施例包括意在解决与某些先前的设备、系统和方法相关联的各种缺点的特征和特性的组合。前面已经相当广泛地概述了所公开的实施例的特征和技术特性，以便可以更好地理解以下具体实施方式。在阅读以下具体实施方式后并且通过参考附图，上述以及其他各种特性和特征对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解的是，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实施与所公开的实施例相同目的的其他结构的基础。还应当认识到，这样的等同构造不脱离本文公开的原理的精神和范围。
附图说明
对于示例性实施例的具体实施方式，现在将参考可能未按比例绘制的附图，在附图中：
图1A是通过根据本文所公开的原理的测试系统和测试方法的实施例进行分析的岩石样本的示例性陆上来源和海上来源的示意图；
图1B是根据本文所公开的原理的用于分析岩石样本的测试系统的实施例的示意图；
图1C是适合在图1B的测试系统中使用的计算设备的实施例的示意图；
图2是根据本文所公开的原理的用于分析岩石样本的方法的实施例；
图3A是岩石样本的三维(3D)图像的分割的二维(2D)切片的图像；
图3B是图3A的在被划分之后的分割的二维(2D)切片的图像；
图3C是图3B的在识别颗粒接触之后的分割后和划分后的二维(2D)切片的图像；
图4是在实验室中测量的岩石样本的本体模量和通过本文所公开的实施例确定的岩石样本的预测的本体模量(两者均被归一化并且描绘为孔隙率的函数)的图示；以及
图5是在实验室中测量的岩石样本的剪切模量和通过本文所公开的实施例确定的岩石样本的预测剪切模量(两者均被归一化并且描绘为孔隙率的函数)的图示。
符号和术语
在以下讨论和权利要求中，以开放式方式使用术语“包括”和“包含”，并且因此应解释为表示“包括但不限于……”。对术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”或描述要素之间的相互作用的任何其他术语的任何形式的任何使用不意味着将相互作用限于要素之间的直接相互作用，并且还可以包括所描述的要素之间的间接相互作用。术语“软件”包括能够在处理器上运行的任何可执行代码，而不论用于存储所述软件的介质如何。因此，存储在存储器(例如，非易失性存储器)中并且有时被称为“嵌入式固件”的代码包括在软件的定义内。叙述“基于”旨在意指“至少部分基于”。因此，如果X基于Y，则X可基于Y和任何数量的附加因素。如本文所使用的，术语“大概”、“大约”、“基本上”等意指在所叙述的值的10％(即，正负10％)内。因此，例如，所叙述的“大约80度”的角度指的是范围从72度至88度的角度。
具体实施方式
以下讨论涉及各种示例性实施例。然而，本领域的技术人员将理解，本文所公开的示例具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅意味着作为该实施例的示例，而不旨在建议本公开(包括权利要求)的范围限于该实施例。
贯穿以下描述和权利要求使用某些术语来指代特定的特征或部件。如本领域技术人员将理解的，不同的人可能用不同的名称来指代相同的特征或部件。本文献不旨在区分名称不同但功能相同的部件或功能。附图不一定按比例绘制。为了清楚和简洁起见，本文中的某些特征和部件可能按比例或以稍微示意性的形式被夸大地示出，并且可能没有示出常见元件的一些细节。
除非上下文有相反的指示，否则本文中阐述的所有范围应解释为包括其端点，并且开放式范围应解释为仅包括商业上的实用的值。类似地，除非上下文有相反的指示，否则所有值列表应视为包括中间值。
在附图和以下描述中，贯穿说明书和附图，通常用相同的附图标记来标示相同的零件。附图不一定按比例绘制。为了清楚和简洁起见，实施例的某些特征可能按比例或以稍微示意性的形式被夸大地示出，并且可能没有示出常见元件的一些细节。本公开容易受到不同形式的实施例的影响。了解到本公开被认为是本公开的原理的范例，并且不旨在将本公开限制于本文中所示出和描述的内容，详细地描述了并在附图中示出了具体实施例。应当完全认识到，下面讨论的实施例的不同教导和部件可单独地采用或以任何合适的组合来采用以产生期望的结果。
一般而言，物质(例如，岩石)的本体模量是该物质抵抗可压缩性(例如，垂直于该物质的外表面定向的载荷))的能力的量度，而物质(例如，岩石)的剪切模量描述了物质抵抗剪切载荷(例如，平行于物质的外表面定向的载荷)的能力。地层中岩石的本体模量和剪切模量用作各种计算和数值模拟的输入，这些计算和数值模拟用于导出岩石的各种静态弹性机械性能，包括杨氏模量、泊松比、P波模量、拉姆常数以及材料密度、P波速度和S波速度。岩石的本体模量和剪切模量通常是在岩土力学实验室测试中进行测量的。在没有实验室测试数据的情况下，可以使用各种岩石物理学模型/方法(诸如Hertz-Mindlin)来估计本体模量和剪切模量。此类方法需要岩石的各个颗粒之间的平均接触数量和这些接触的大小(面积)作为输入，以计算岩石的有效本体模量和剪切模量。假设简化的岩石几何形状(诸如球形颗粒)和理想的或无规则的堆积布置，估计了接触的数量和大小，然而这些简化导致所得到的岩石性能测量值的准确性降低。
本文所描述的实施例涉及用于确定岩石的各个颗粒之间的接触的数量和大小的系统和方法，该接触的数量和大小在随后的计算中用于确定岩石的本体模量和剪切模量，这继而可以用来导出岩石的其他弹性机械性能。特别地，本文所描述的实施例获得岩石的三维(3D)数字图像体积(即，数字岩石)，将3D数字图像分割成组分颗粒和孔隙空间，划分分割后的3D数字图像以识别岩石的组分颗粒之间的接触，并且然后确定从划分后的分割后的3D数字图像中导出的组分颗粒之间的接触中的每个接触的数量和大小(面积)。然后可以使用组分颗粒之间的接触中的每个接触的数量和大小来计算岩石的本体模量和剪切模量。
图1A以高位准示出了根据本文所公开的原理的岩石样本的获取和岩石样本的分析。本公开的实施例在分析来自在石油和气的生产中重要的地表下地层的岩石样本时可能是尤其有益的。为此，图1A示出了根据各种实施方式的环境100，从环境100可以获得要由测试系统102分析的岩石样本104。在这些示出的示例中，岩石样本104可从陆地钻井系统106或海洋(大洋、大海、湖泊等)钻井系统108中获得，这些钻井系统中的任何一个都可以用来提取诸如碳氢化合物(石油、天然气等)、水等资源。如在本领域中是基本的，石油和气生产操作的优化在很大程度上受到陆地钻井系统106或海洋钻井系统108正在或过去已经钻入其中的岩层的结构和物理性能影响。
获得岩石样本104的方式以及这些样本的物理形式可以广泛地变化。结合本文所公开的实施例有用的岩石样本104的示例包括完整岩心样本、侧壁岩心样本、露头样本、钻屑和实验室生成的合成岩石样本，诸如砂包和水泥包。
如图1A中所示，环境100包括测试系统102，该测试系统102被配置成分析岩石样本104的图像128(图1B)，以便确定对应的地表下岩石的物理性能，此类性能包括石油和气勘探和生产的背景下的岩石物理性能。
图1B以一般方式示出了分析图像128的测试系统102的组成部件。在一般意义上，测试系统102包括成像设备122，该成像设备122用于获得岩石样本104的二维(2D)或三维(3D)图像以及其他表示，此类图像和表示包括岩石样本104的内部结构的细节。成像设备122的示例是X射线计算机断层(CT)扫描仪，如本领域中已知的，该扫描仪发射X射线辐射124，该X射线辐射124与对象相互作用并且测量该对象对该X射线辐射124的衰减，以便生成其内部结构和成分的图像。CT扫描仪122的特定类型、构造或其他属性可以与能够产生代表岩石样本104的内部结构的图像的任何类型的X射线设备(诸如，微型CT扫描仪)的特定类型、构造或其他属性。成像设备122生成岩石样本104的一个或多个图像128，并将这些图像128转发给计算设备120。
由成像设备122产生的图像128可以是由岩石样本104的多个二维(2D)区段组成或从其生成的三维(3D)数字图像体积(即，数字岩石)的形式。在这种情况下，每个图像体积被划分成称为体积要素的3D常规要素，或更通常地为“体素”。一般而言，每个体素是立方体，在x、y和z方向上具有相等长度的边。另一方面，数字图像体积128本身可能在x、y和z方向上包含不同数量的体素。数字体积内的每个体素具有相关联的数值或幅度，该数值或幅度在由数字体积代表的介质的位置处的成像样本的相对材料性能。这些数值的范围，通常称为灰度范围，取决于数字体积的类型、值的粒度(例如，8位值或16位值)等。例如，16位数据值使x射线断层图像体积的体素能够具有范围0到65536的粒度为1的幅值。
如上面所提及的，成像设备122将图像128转发到计算设备120，在图1B的示例中，计算设备120可以是任何类型的计算设备，例如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。为此，计算设备120将包括通常在常规计算设备中找到的硬件部件和软件部件。如图1B中所示，计算设备120的这些硬件部件和软件部件包括测试工具130，该测试工具130被配置成分析图像128以确定在一个或多个模拟流体饱和条件(包括地表下的岩层可能遇到的流体饱和条件)下岩石样本104的岩石物理性能。就这一点而言，测试工具130可以被实现为软件、硬件或两者的组合，包括用于执行本文中进一步详细描述的功能性和过程的必要且有用的逻辑、指令、例程和算法。在一般意义上，测试工具130被配置成分析岩石样本104的图像体积128，以在代表岩层的地表下条件的流体饱和条件(包括多种流体的饱和的变化程度)下执行岩石物理性能的直接数值模拟。
图1C概括地示出了根据各种实施例的测试系统102中的计算设备120的架构。在该示例性架构中，计算设备120包括一个或多个处理器902，该一个或多个处理器902可以具有行业中可用的变化的内核配置和时钟频率。用于存储由一个或多个处理器902执行的数据和/或程序指令的计算设备120的存储器资源包括在计算设备120的操作期间用作主存储器的一个或多个存储设备904以及例如被实现为非易失性固态存储器、磁盘或光盘驱动器或随机存取存储器中的一个或多个的一个或多个存储设备910。提供了一个或多个外围接口906以用于联接到对应的外围设备，诸如显示器、键盘、鼠标、触摸板、触摸屏、打印机等。提供了可以是以太网适配器、无线收发器、串行网络部件等形式的网络接口908，以促进计算设备120之间经由一个或多个网络的通信，该一个或多个网络诸如以太网、无线以太网、全球移动通信系统(GSM)、GSM演进的增强数据速率(EDGE)、通用移动电信系统(UMTS)、全球微波接入互操作性(WiMAX)、长期演进(LTE)等。在该示例架构中，处理器902被示出为借助于单个总线联接到部件904、906、908和910；当然，可以在计算设备120内并入诸如多个专用总线等的不同的互连架构。
虽然被示出为单个计算设备，但是计算设备120可以包括一起协作以提供计算设备的功能性的几个计算设备。同样地，虽然被示出为物理设备，但是计算设备120也可以代表抽象计算设备，诸如虚拟机和“云”计算设备。
如图1C的示例实施方式中所示，计算设备120包括软件程序912，该软件程序912包括一个或多个操作系统、一个或多个应用程序等。根据实施例，软件程序912包括与测试工具130(图1B)相对应的程序指令，该程序指令被实现为独立的应用程序，被实现为另一应用或程序的一部分的程序模块，被实现为用于经由网络接口908访问与计算设备120联网的远程计算机上的测试工具软件的适当的插件或其他软件部件，或者其他形式以及它们的组合。
存储与测试工具130的功能相对应的软件程序912的可执行指令的程序存储器可以物理地驻留在计算设备120内或计算设备120可访问的其他计算资源内，即驻留在存储器设备904和存储设备910的本地存储器资源内，或在服务器或其他网络可访问的存储器资源内，或分布在多个位置当中。在任何情况下，该程序存储器构成存储可执行计算机程序指令的非暂时性计算机可读介质，根据该可执行计算机程序指令，本说明书中所述的操作由计算设备120或服务器或经由网络接口908(例如，以基于从计算设备120传送来的输入数据为交互应用的形式，以用于由联接到计算设备120的外围设备显示或输出)联接到计算设备120的其他计算机执行。对应于与测试工具130相关联的软件程序912的计算机可执行软件指令可能最初已存储在可移除或其他非易失性计算机可读存储介质(例如，DVD磁盘、快闪存储器等)上，或者可下载作为电磁载波信号上的以软件包形式的编码信息，计算设备120以用于软件安装的常规方式从软件包安装计算机可执行软件指令。可以设想的是，本领域技术人员将能够容易地以针对每个特定应用的合适方式实现对可应用数据、程序指令和结合该实施例有用的其他信息的存储和检测，而无需过多实验。
构成与测试工具130相关联的软件程序912的特定计算机指令可以为一个或多个可执行程序的形式，或者为源代码或更高级别的代码的形式，从这些源代码或更高级别的代码中可以导出、汇编、解释或编译一个或多个可执行程序。可以使用若种计算机语言或协议中的任何一种，这取决于要执行期望的操作的方式。例如，用于创建根据实施例的模型的这些计算机指令可以用诸如PYTHON、JAVA、FORTRAN或C++的常规高级语言编写，作为常规线性计算机程序或者被布置用于以面向对象的方式执行。这些指令也可以嵌入在更高级别的应用内。在任何情况下，可以设想的是，参考本描述的本领域技术人员将能够容易地以针对期望的安装的合适方式来实现各实施例，而无需过多的实验。
现在将结合图1A至1C参考图2描述根据实施例的测试工具130的特定功能，包括借助于软件程序912实现的那些功能，以在各种饱和条件下分析岩石样本。
现在参看图2，示出了用于分析岩石样本以确定岩石样本的组分颗粒之间的接触的数量和大小的方法200的实施例。虽然为了方便起见顺序地示出，但是所示出的动作中的至少一些可以以不同的次序执行和/或并行执行。另外，一些实施例可以执行所示出的动作中的仅一些。在一些实施例中，方法200的操作中的至少一些以及本文所描述的其他操作可以被实现为存储在计算机可读介质中并且由一个或多个处理器902执行的指令。
在框202中，测试系统102诸如从经由陆地钻井系统106或海洋钻井系统108获得的地表下岩层或从其他来源获取要分析的岩石样本104。特定岩石样本104可以从较大体积的地表下岩层制备，例如通过钻孔或切出感兴趣的较大体积的岩层的一部分，使所述岩石样本104具有可以由成像设备122(例如，CT扫描仪)成像的大小、尺寸和配置。
在框204中，成像设备122与测试系统102的计算设备120组合生成代表岩石样本104(包括其内部结构)的数字图像体积128。例如，如果成像设备122是CT扫描仪，则执行岩石样本104的X射线成像(即，发射指向岩石样本104的辐射并测量衰减)以生成2D切片图像的图像体积128或从2D切片图像生成图像体积128。用于获取和处理框204中的岩石样本104的3D数字图像体积128的具体常规技术包括但不限于X射线断层摄影术、X射线显微断层摄影术、X射线纳米断层摄影术、聚焦离子束扫描电子显微镜术以及核磁共振。在一些实施例中，数字图像体积128可以通过计算生成，而不是通过扫描物理试样产生。在通过扫描岩石试样产生数字图像体积128的实施例中，岩石试样可以是天然存在的岩石或人造多孔材料(例如，合成岩石)。
此时的图像数据可以是灰度值的形式，该灰度值代表岩石样本104的成分对X射线辐射的衰减。如马上将会描述的，图3A示出了穿过数字图像体积128的一个2D切片的图像300，应当理解的是，岩石样本104的3D数字图像体积128由沿着岩石样本104的一个轴线步进的位置处的多个2D切片图像组成，这些2D切片图像一起形成岩石样本104的3D图像。通常，取决于测试系统102的特定架构，2D切片图像到3D数字图像体积128的组合可以由成像设备122本身内的计算资源执行，或者由计算设备120根据由成像设备122产生的一系列2D切片图像128来执行。
现在参考图3A，示出了岩石样本104的数字图像体积128的一个分割后的2D切片的图像300的示例。分割后的2D切片图像300示出了岩石样本104的包括固体材料302的特征的结构细节的横截面切片，所述特征诸如岩石的各个颗粒(在图3A中用白色示出)和孔隙或空隙空间304(在图3A中用黑色示出)。在框206中，测试系统102对岩石样本104的数字图像体积128上执行分割或其他图像增强技术，以根据图像的灰度值区分和标记图像体积128的不同组分或相。分割后的数字图像体积128可以包括代表岩石样本104的二维(2D)切片图像300。更具体地，计算设备120执行该分割以便识别诸如孔隙空间和矿物学组分(诸如，粘土和石英)等组分。在一些实施例中，测试工具130被配置成将图像体积128分割成多于两个的重要相，代表诸如孔隙空间、粘土分数、石英分数和其他各种矿物类型等材料成分。
计算设备120可以利用若干类型的分割算法中的任何一种。分割的一种方法是将“阈值化”过程应用于图像体积128，其中计算设备120在体素幅值范围内选择阈值。为具有低于阈值的幅值的那些体素指派表示孔隙空间的特定数值，而为具有高于阈值的幅值的那些体素指派表示基质空间(即，固体材料)的另一数值。在该方法中，阈值化将灰度图像体积转换为具有两个可能的数值(通常将其选择为0和1)中的一个的体素的分割后的体积。图3A示出了经由阈值化对3D数字图像体积128的2D切片图像300执行的分割的示例。如图所示，分割允许区分岩石样本的结构细节，在该示例中，其中固体材料302以代表体积128中的不同材料的不同颜色(图3A的灰度图像中的各种灰色的阴影)示出，并且孔隙或空隙空间304以黑色示出。可以应用进一步分割一次或多次以区别图像内的各种特征。如果使用了简单的阈值化，则多个阈值可以在表现出不同X射线衰减特性的不同材料(诸如，粘土、石英、长石等)之间进行区分。
计算设备120可以可替选地利用其他分割算法。这种替代算法的示例在本领域中称为Otsu的方法，其中基于直方图的阈值化技术选择阈值以最小化灰度值的双峰分布的波瓣的组合方差(即“类内方差”)。Otsu的方法可以容易地自动化，并且也可以扩展为多次重复对图像进行阈值化以区分附加材料组分，诸如石英、粘土和长石。计算设备120可以可替选地或附加地使用具有变化的复杂度的自动化分割算法的其他示例，以区分图像体积的不同特征，此类算法包括指示克里金法(Indicator Kriging)、会聚的主动轮廓(ConvergingActive Contours)、Watershedding等。
计算设备120还可以利用其他图像增强技术来增强或改善图像体积128中限定的结构，以进一步区别结构，减少噪声影响等。同样地，虽然计算设备120可以执行分割或其他图像增强技术，但是可以设想的是，测试系统102的其他部件(例如成像设备122本身)可以替代地全部或部分地执行图像增强。
分割将数字图像体积中的体素与岩石样本104内的对应的位置处的特定材料(或视情况而定，孔隙空间)相关联。体素中的一些或全部各自标记有与指派给该体素的特定材料成分的一个或多个材料性能。此类成分包括孔隙空间、基质材料、粘土分数、各个颗粒、颗粒接触、矿物类型等。
在框208中，计算设备120划分分割后的数字图像体积128的识别出的相，以识别组分颗粒之间的各个接触或接触界面。可以使用诸如可从美国俄勒冈州希尔斯伯勒的ThermoFisher ScientificTM购买的诸如AvizoTM Software等第三方成像软件来执行框208中的划分。在划分期间，可以依据2D切片图像300中的体素(例如，如图3B上示出的体素303、305、307)来识别每个组分颗粒。也就是说，每个体素或体素组限定或代表单个颗粒，并且每个颗粒的体素可以由如图3B上示出的不同颜色(或图案、各种灰色的限影)的体素或体素组来代表。图3B示出了岩石样本的3D图像(例如，数字图像体积128)的划分后的2D切片图像300的示例，其示出了该岩石样本的结构细节的横截面切片。可以经由成像软件确定每个颗粒的大小(例如，面积、体积、半径(R)等)。在框208中进行划分之后，将颗粒之间的接触(例如，如图3C上示出的界面309、311)识别为属于颗粒x的体素(例如，体素303)与属于颗粒y的体素(例如，体素305)相邻的区域。
在框210中，在划分之后，计算设备120然后识别颗粒之间的接触界面(例如，如图3C上示出的界面309、311)，并且然后确定(例如，计算)每个接触界面的接触面积(也简称为“面积”)。由相邻的颗粒体素来识别接触界面。例如，可以由两个相邻颗粒之间的一组或一丛相邻体素来限定两个颗粒之间的接触界面。因此，通过识别相邻颗粒之间的体素组，可以识别颗粒之间的接触界面。一旦识别出颗粒之间的接触界面，则接触界面的边界是已知的，并且可以用于确定(例如，计算)每个接触界面的接触面积。两个体素之间的接触的面积是界面处的体素侧中的一个体素侧的面积(例如，体素是立方体)。例如，如果颗粒x和颗粒y具有100个相邻的体素，并且体素面的面积为4平方微米，则总接触面积为400平方微米。
在框210中，使用每个接触界面的接触面积来确定(例如，计算)每个接触界面的接触面积半径a。更具体地，应当理解的是，每个颗粒可以具有唯一的和/或不规则的3D几何形状，并且因此，每对接触颗粒之间的接触界面的几何形状或形状可以是唯一的和/或不规则的(例如，非圆形)。为了简化计算和数值模拟(例如，使得能够使用下面示出的等式1至4)，将每个接触界面的不规则形状转换为具有相同接触面积的圆，并确定每个此类圆的半径a。因此，每个接触界面的形状和接触面积被有效地转换成具有相同面积并且具有半径a(也称为接触面积半径)的圆。
一旦确定了每个接触界面的接触面积半径a，就计算出每个接触界面的剪切和法向接触刚度。等式1和等式2中包括一种用于计算这些刚度的方法，如下所示：
Figure BDA0002765374840000141
其中Sτ是无限接触摩擦情况下的剪切接触刚度，μ是颗粒材料的剪切模量，v是颗粒材料的泊松比，而a是接触面积半径。对于零接触摩擦的情况，剪切接触刚度Sτ等于零。
Figure BDA0002765374840000142
其中Sn是法向接触刚度；μ是颗粒材料的剪切模量；v是颗粒材料的泊松比；而a为接触面积半径。
一旦利用上面的等式1和等式2分别计算了接触界面中的每个接触界面的剪切接触刚度Sτ和法向接触刚度Sn，就计算出每个颗粒的平均剪切和法向接触刚度以及每个颗粒的平均接触的数量。然后根据等式3和等式4计算有效的本体模量和剪切模量，如下所示：
Figure BDA0002765374840000151
其中Keff是有效本体模量，C是每个颗粒的接触界面数量(也称为每个颗粒的配位数)，
Figure BDA0002765374840000153
是孔隙率，R是颗粒半径，而Sn是法向接触刚度。
Figure BDA0002765374840000152
其中μeff是有效剪切模量，C是每个颗粒的接触界面的数量，
Figure BDA0002765374840000154
是孔隙率，R是颗粒半径，Sn是法向接触刚度，而Sτ是剪切接触刚度。
使用以上方法和等式确定的本体模量和剪切模量可用于使用本领域已知的技术导出颗粒和岩石的多种机械性能，诸如杨氏模量、拉姆常数、泊松比、P波模量、P波速度和S波速度。应当理解的是，可以在随后的计算中确定和使用上面为所有颗粒确定的特性的分布、最小值、最大值和平均值(例如，每个颗粒的接触界面的数量、每个接触界面的接触面积、剪切接触刚度、法向接触刚度、本体模量、剪切模量等)来确定所有颗粒的性能，这代表了整个岩石的性能。与简化的岩石性能模型相比，本文所述的实施例提供了改进精度的可能性，以结合颗粒材料计算此类性能。本文所述的实施例在维持总体上可接受的精度的同时提供了提高递送速度的可能性。例如，图4示出了在实验室中测量的岩石样本的本体模量(“实验室测量值”)与使用本文所公开的技术的实施例确定的同一岩石样本的本体模量(K有效)(“预测值”)的比较。在实验室中测量的本体模量和计算的本体模量两者通过矿物模量(K矿物)归一化，这在本领域中称为颗粒材料(诸如，石英)的本体模量，并在图4中示出为孔隙率的函数。举另一示例来说，图5示出了在零摩擦(“预测值μ＝0”)的情况下和无限摩擦(“预测值μ＝∞”)的情况下，在实验室中测量的岩石样本的剪切模量(μ有效)(“实验室测量值”)与使用本文所公开的技术的实施例确定(预测)的同一岩石样本的剪切模量的比较。在实验室中测量的剪切模量和计算出的剪切模量通过颗粒材料的剪切模量(μ矿物)归一化，这在本领域中称为颗粒材料的剪切模量，并在图5中示出为孔隙率的函数。如图5中所示，在实验室中测量的剪切模量在零摩擦情况下和无限摩擦情况下通常介于预测的剪切模量之间。
虽然已经示出和描述了优选实施例，但是本领域的技术人员可以对其进行修改而不脱离本文的范围或教导。本文所描述的实施例仅是示例性的，而不是限制性的。本文所描述的系统、装置和过程的许多变体和修改是可能的，并且在本公开的范围内。例如，各种零件的相对尺寸、制造各种零件的材料以及其他参数可以变化。因此，保护范围不限于本文所描述的实施例，而是仅由以下权利要求限制，所述权利要求的范围应当包括权利要求的主题的所有等同。除非另有明确说明，否则可以按任何次序执行方法权利要求项中的步骤。在方法权利要求项中的步骤之前的诸如(a)、(b)、(c)或(1)、(2)、(3)等标识符的叙述既不旨在也未指定步骤的特定次序，而是用于简化后续对此类步骤的引用。

Claims (20)

1.一种用于分析岩石样本以确定所述岩石样本的一个或多个机械性能的方法，所述方法包括：
(a)分割与所述岩石样本的图像相对应的数字图像体积；
(b)划分所述数字图像体积以将所述数字图像体积中的多个体素与所述岩石样本的多个颗粒相关联；
(c)确定所述多个体素中彼此相邻的体素，以识别所述颗粒之间的多个接触界面；
(d)使用在对应的颗粒-颗粒界面处的相邻体素来确定所述接触界面中的每个接触界面的接触面积；
(e)确定所述多个颗粒中的每个颗粒与每个相邻颗粒所具有的接触界面的数量；以及
(f)基于所述多个颗粒中的每个颗粒的所述接触界面的数量和所述接触界面中的每个接触界面的接触面积来确定所述岩石样本的所述一个或多个机械性能。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：为每个接触界面确定具有与对应接触界面的接触面积相等的面积的圆的半径；以及
其中，(f)包括基于所述多个颗粒中的每个颗粒的所述接触界面的数量以及与所述接触界面中的每个接触界面相对应的所述圆的半径来确定所述岩石样本的所述一个或多个机械性能。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个接触界面中的至少一些接触界面是非圆形接触界面，并且其中，(d)包括使用在对应非圆形接触界面处的相邻体素来确定所述非圆形接触界面中的每个非圆形接触界面的接触面积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，(f)包括确定所述岩石样本的本体模量和剪切模量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，(f)包括确定所述岩石样本的以下机械性能中的一项或多项：本体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、P波模量、P波速度，和S波速度。
6.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：使用与每个接触界面相对应的所述圆的半径来计算所述岩石样本的剪切接触刚度。
7.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：使用与每个接触界面相对应的所述圆的半径来计算所述岩石样本的法向接触刚度。
8.一种用于分析岩石样本以确定所述岩石样本的一个或多个机械性能的系统，所述系统包括：
成像设备，所述成像设备被配置成产生代表所述岩石样本的数字图像体积；以及
计算设备，所述计算设备联接到所述成像设备并且包括：
一个或多个处理器；以及
一个或多个存储设备，所述一个或多个存储设备联接到所述一个或多个处理器，并且被配置成存储指令，所述指令当由所述一个或多个处理器执行时将所述一个或多个处理器配置成：
分割与所述岩石样本的一个或多个图像相对应的数字图像体积，以将所述数字图像体积中的体素与所述岩石样本的颗粒相关联；
划分所述数字图像体积，以将所述数字图像体积中的多个体素与所述岩石样本的多个颗粒相关联；
确定所述多个体素中彼此相邻的体素，以识别所述颗粒之间的多个接触界面；
使用在对应接触界面处的相邻体素来确定所述接触界面中的每个接触界面的接触面积；
确定所述多个颗粒中的每个颗粒与每个相邻颗粒所具有的接触界面的数量；以及
基于所述多个颗粒中的每个颗粒的所述接触界面的数量和所述接触界面中的每个接触界面的接触面积来确定所述岩石样本的所述一个或多个机械性能。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：
为每个接触界面确定具有与对应接触界面的所述接触面积相等的面积的圆的半径；以及
基于所述多个颗粒中的每个颗粒的所述接触界面的数量以及与所述接触界面中的每个接触界面的所述圆的半径来确定所述岩石样本的所述一个或多个机械性能。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个接触界面中的至少一些接触界面是非圆形接触界面，并且其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：使用在对应非圆形接触界面处的相邻体素来确定所述非圆形接触界面中的每个非圆形接触界面的接触面积。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个机械性能包括：本体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、P波模量、P波速度，或S波速度。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：使用所述与每个接触界面相对应的所述圆的半径来计算所述岩石样本的剪切接触刚度。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：使用所述与每个接触界面相对应的所述圆的半径来计算所述岩石样本的法向接触刚度。
14.一种编码有指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令当被执行时使一个或多个处理器：
分割与所述岩石样本的一个或多个图像相对应的数字图像体积，以将所述数字图像体积中的体素与所述岩石样本的颗粒相关联；
划分所述数字图像体积，以将所述数字图像体积中的多个体素与所述岩石样本的多个颗粒相关联；
确定所述多个体素中彼此相邻的体素，以识别所述颗粒之间的多个接触界面；
使用在对应接触界面处的相邻体素来确定所述接触界面中的每个接触界面的接触面积；
确定所述多个颗粒中的每个颗粒与每个相邻颗粒所具有的接触界面的数量；以及
基于所述多个颗粒中的每个颗粒的所述接触界面的数量和所述接触界面中的每个接触界面的接触面积来确定所述岩石样本的一个或多个机械性能。
15.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：
为每个接触界面确定具有与对应接触界面的接触面积相等的面积的圆的半径；以及
基于所述多个颗粒中的每个颗粒的所述接触界面的数量以及与所述接触界面中的每个接触界面相对应的所述圆的半径来确定所述岩石样本的所述一个或多个机械性能。
16.根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中，所述多个接触界面中的至少一些接触界面是非圆形接触界面，并且其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：使用在对应非圆形接触界面处的相邻体素来确定所述非圆形接触界面中的每个非圆形接触界面的接触面积。
17.根据权利要求16所述的计算机可读介质，其中，所述一个或多个机械性能包括：本体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、P波模量、P波速度，或S波速度。
18.根据权利要求16所述的计算机可读介质，其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：使用与每个接触界面相对应的所述圆的半径来计算所述岩石样本的剪切接触刚度。
19.根据权利要求16所述的计算机可读介质，其中，所述指令进一步将所述一个或多个处理器配置成：使用与每个接触界面相对应的所述圆的半径来计算所述岩石样本的法向接触刚度。
20.根据权利要求16所述的计算机可读介质，其中，所述一个或多个机械性能包括拉姆常数。
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