EA040615B1 - SYSTEM AND METHOD FOR EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS USING MODELS OF INTERGRAIN CONTACT - Google Patents

SYSTEM AND METHOD FOR EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS USING MODELS OF INTERGRAIN CONTACT Download PDF

Info

Publication number
EA040615B1
EA040615B1 EA202092519 EA040615B1 EA 040615 B1 EA040615 B1 EA 040615B1 EA 202092519 EA202092519 EA 202092519 EA 040615 B1 EA040615 B1 EA 040615B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
contact
grains
voxels
rock sample
determining
Prior art date
Application number
EA202092519
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дженни Кук
Абдулла Керимов
Натан Лейн
Original Assignee
Бипи Корпорейшн Норт Америка Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Бипи Корпорейшн Норт Америка Инк. filed Critical Бипи Корпорейшн Норт Америка Инк.
Publication of EA040615B1 publication Critical patent/EA040615B1/en

Links

Description

Ссылка на родственную заявкуLink to related application

Данная заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США № 62/688912 под названием Системы и способы оценки механических свойств горных пород с использованием моделей межзеренного контакта, поданной 22 июня 2018 года, содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки, как если бы она была полностью приведена в настоящем описании.This application claims priority under U.S. Provisional Application No. 62/688,912 titled Systems and Methods for Evaluating the Mechanical Properties of Rocks Using Grain Contact Models, filed June 22, 2018, the contents of which are incorporated herein by reference as if it were fully described in this description.

Предшествующий уровень техники изобретенияBackground of the Invention

В сфере добычи углеводородов получение точных данных о петрофизических свойствах подповерхностных горных пород имеет большое значение для оценки объемов углеводородов, содержащихся в пластах горных пород, и для формулирования стратегии извлечения углеводородов из породной формации. Образцы горной породы, например из керновых проб или выбуренных пород, обычно подвергаются физическим лабораторным испытаниям для измерения их петрофизических свойств, таких как проницаемость, пористость, пластовый коэффициент, модули упругости и прочие свойства подобного рода. Некоторые из этих измерений требуют длительных периодов времени, и в некоторых случаях затягиваются более чем на несколько месяцев, что зависит от характера самой горной породы. Оборудование, используемое для проведения таких измерений, также может быть довольно дорогим.In the field of hydrocarbon production, obtaining accurate data on the petrophysical properties of subsurface rocks is of great importance for estimating the volume of hydrocarbons contained in rock formations and for formulating a strategy for extracting hydrocarbons from a rock formation. Rock samples, such as those from core samples or cuttings, are typically subjected to physical laboratory tests to measure their petrophysical properties such as permeability, porosity, reservoir coefficient, elastic moduli, and other properties of this kind. Some of these measurements require long periods of time, and in some cases extend beyond a few months, depending on the nature of the rock itself. The equipment used to make these measurements can also be quite expensive.

С учетом денежных затрат и времени на выполнение прямого измерения петрофизических свойств с целью эффективной оценки таких физических свойств, как пористость, абсолютная проницаемость, относительная проницаемость, пластовый коэффициент, модули упругости и прочие свойства подобного рода образцов горных пород, включая образцы горных пород различных типов, таких как газонасыщенные песчаные коллекторы и карбонатные породы, может применяться метод прямого численного моделирования. Согласно этому подходу формируется трехмерное томографическое изображение образца горной породы, например, путем его компьютерного томографического (КТ) сканирования. Вокселы в объеме трехмерного томографического изображения сегментируются (например, путем бинаризации или порогового представления значений их яркости или иным способом) для выделения скелета горной породы из свободного порового объема. Затем проводится прямое численное моделирование потока флюида или иных динамических физических характеристик, таких как упругость или электропроводность, по результатам которого может быть выведена пористость, проницаемость (абсолютная и/или относительная), упругие свойства, электрические свойства и прочие свойства подобного рода. Для решения или аппроксимации физических уравнений, моделирующих соответствующие динамические характеристики, могут применяться самые разные численные методы. Эти методы включают в себя метод решёточных уравнений Больцмана, метод конечных элементов, метод конечных разностей, численный метод конечных объёмов и прочие методы подобного рода.Taking into account the cost and time to perform direct measurement of petrophysical properties in order to effectively assess physical properties such as porosity, absolute permeability, relative permeability, reservoir coefficient, elastic moduli and other properties of this kind of rock samples, including rock samples of various types, such as gas-saturated sandstone reservoirs and carbonate rocks, direct numerical modeling can be applied. According to this approach, a three-dimensional tomographic image of a rock sample is formed, for example, by its computed tomography (CT) scanning. The voxels in the 3D tomographic image volume are segmented (eg, by binarization or thresholding of their brightness values, or otherwise) to isolate the rock skeleton from the free pore volume. This is followed by direct numerical simulation of fluid flow or other dynamic physical properties such as elasticity or electrical conductivity, from which porosity, permeability (absolute and/or relative), elastic properties, electrical properties, and other similar properties can be derived. A variety of numerical methods can be used to solve or approximate physical equations that model the corresponding dynamic characteristics. These methods include the Lattice Boltzmann Method, the Finite Element Method, the Finite Difference Method, the Numerical Finite Volume Method, and other similar methods.

Краткое раскрытие изобретенияBrief summary of the invention

В изобретении описаны варианты осуществления способов анализа образца зернистой горной породы для определения одного или нескольких механических свойств этого образца горной породы. В одном из вариантов своего осуществления этот способ предусматривает сегментирование цифрового объема изображения, соответствующего изображению образца горной породы. Кроме того, этот способ предусматривает разбиение цифрового объема изображения для соотнесения множества вокселов в цифровом объеме изображения с множеством зерен образца горной породы. Вдобавок этот способ предусматривает определение вокселов из числа множества вокселов, которые примыкают друг к другу, для идентификации множества контактных сопряжений между зернами. Более того, этот способ предусматривает определение площади контакта каждого из контактных сопряжений с использованием соседних вокселов на соответствующей поверхности раздела между зернами. Этот способ также предусматривает определение количества контактных сопряжений, которое каждое зерно из множества зерен имеет с каждым соседним зерном. Более того, этот способ предусматривает определение одного или нескольких механических свойств образца горной породы на основании количества контактных сопряжений каждого из множества зерен и площади контакта каждого из контактных сопряжений.The invention describes embodiments of methods for analyzing a granular rock sample to determine one or more mechanical properties of that rock sample. In one embodiment, this method involves segmenting a digital volume of an image corresponding to an image of a rock sample. In addition, this method involves splitting the digital image volume to map multiple voxels in the digital image volume to multiple grains of a rock sample. In addition, this method involves determining voxels from among a plurality of voxels that are adjacent to each other to identify a plurality of contact pairings between grains. Moreover, this method involves determining the contact area of each of the contact pairings using neighboring voxels on the corresponding interface between the grains. This method also includes determining the number of contact mates that each grain of the plurality of grains has with each neighboring grain. Moreover, this method involves determining one or more mechanical properties of a rock sample based on the number of contact mates of each of the plurality of grains and the contact area of each of the contact mates.

В изобретении описаны варианты осуществления систем для анализа образца горной породы с целью определения одного или нескольких механических свойств образца горной породы. В одном из вариантов своего осуществления эта система включает в себя устройство формирования изображений, выполненное с возможностью генерирования цифрового объема изображения, отображающего образец горной породы. Кроме того, эта система содержит вычислительное устройство, соединенное с устройством формирования изображений. Вычислительное устройство включает в себя один или несколько процессоров и одно или несколько запоминающих устройств, соединенных с одним или несколькими процессорами. Одно или несколько запоминающих устройств выполнены с возможностью хранения команд, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами конфигурируют один или несколько процессоров на выполнение следующих операций: сегментирования цифрового объема изображения, соответствующего одному или нескольким изображениям образца горной породы, для соотнесения вокселов в цифровом объеме изображения с зернами образца горной породы; разбиения цифрового объема изображения для соотнесения множества вокселов в цифровом объеме изображения с множеством зерен образца горной породы; определения вокселов из числа множества вокселов, которые примыкают друг кThe invention describes embodiments of systems for analyzing a rock sample to determine one or more mechanical properties of a rock sample. In one embodiment, this system includes an imaging device configured to generate a digital volume of an image representing a rock sample. In addition, this system contains a computing device connected to the imaging device. The computing device includes one or more processors and one or more storage devices coupled to one or more processors. One or more memories are configured to store instructions that, when executed by one or more processors, configure one or more processors to perform the following operations: segment the digital image volume corresponding to one or more images of a rock sample, to correlate voxels in the digital image volume with grains of a rock sample; partitioning the digital image volume to map the plurality of voxels in the digital image volume to the plurality of grains of the rock sample; definitions of voxels from among the set of voxels that are adjacent to each other

- 1 040615 другу, для идентификации множества контактных сопряжений между зернами; определения площади контакта каждого из контактных сопряжений с использованием соседних вокселов на соответствующем контактном сопряжении; определения количества контактных сопряжений, которое каждое зерно из множества зерен имеет с каждым соседним зерном; и определения одного или нескольких механических свойств образца горной породы на основании количества контактных сопряжений каждого из множества зерен и площади контакта каждого из контактных сопряжений.- 1 040615 to a friend, to identify a plurality of contact interfaces between grains; determining the contact area of each of the contact interfaces using neighboring voxels on the corresponding contact interface; determining the number of contact mates that each grain of the plurality of grains has with each neighboring grain; and determining one or more mechanical properties of the rock sample based on the number of contact mates of each of the plurality of grains and the contact area of each of the contact mates.

В настоящем документе описаны варианты осуществления энергонезависимого машиночитаемого носителя данных. В одном из вариантов осуществления в этом энергонезависимом машиночитаемом носителе данных закодированы команды, которые при их исполнении инициируют выполнение одним или несколькими процессорами следующих операций: сегментирования цифрового объема изображения, соответствующего одному или нескольким изображениям образца горной породы, для соотнесения вокселов в цифровом объеме изображения с зернами образца горной породы; разбиения цифрового объема изображения для соотнесения множества вокселов в цифровом объеме изображения с множеством зерен образца горной породы; определения вокселов из числа множества вокселов, которые примыкают друг к другу, для идентификации множества контактных сопряжений между зернами; определения площади контакта каждого из контактных сопряжений с использованием соседних вокселов на соответствующем контактном сопряжении; определения количества контактных сопряжений, которое каждое зерно из множества зерен имеет с каждым соседним зерном; и определения одного или нескольких механических свойств образца горной породы на основании количества контактных сопряжений каждого из множества зерен и площади контакта каждого из контактных сопряжений.This document describes embodiments of a non-volatile computer-readable storage medium. In one embodiment, this non-volatile computer-readable storage medium is encoded with instructions that, when executed, cause one or more processors to perform the following operations: segmenting the digital image volume corresponding to one or more images of a rock sample, to associate voxels in the digital image volume with grains rock sample; partitioning the digital image volume to map the plurality of voxels in the digital image volume to the plurality of grains of the rock sample; determining voxels from among the plurality of voxels that are adjacent to each other to identify a plurality of contact mates between grains; determining the contact area of each of the contact interfaces using neighboring voxels on the corresponding contact interface; determining the number of contact mates that each grain of the plurality of grains has with each neighboring grain; and determining one or more mechanical properties of the rock sample based on the number of contact mates of each of the plurality of grains and the contact area of each of the contact mates.

Варианты осуществления изобретения, раскрытые в настоящем документе, обладают сочетанием признаков и характеристик, служащих для устранения различных недостатков, связанных с определенными устройствами, системами и способами предшествующего уровня техники. Признаки и технические характеристики раскрытых вариантов осуществления изобретения были обозначены выше лишь в общих чертах с тем, чтобы можно было лучше понять подробное описание, представленное ниже. Различные описанные и прочие характеристики и признаки станут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с последующих подробным описанием в привязке к прилагаемым чертежам. Следует отметить, что концепция и конкретные варианты осуществления заявленного изобретения, раскрытые в настоящем документе, могут быть безо всяких сложностей использованы в качестве основы для модификации или проектирования иных структур, служащих тем же целям, что и описанные варианты осуществления. Следует также понимать, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема принципов заявленного изобретения, раскрытых в настоящем документе.Embodiments of the invention disclosed herein have a combination of features and characteristics that serve to overcome various disadvantages associated with certain devices, systems and methods of the prior art. The features and technical characteristics of the disclosed embodiments of the invention have been outlined above only in general terms in order to better understand the detailed description below. The various described and other characteristics and features will become apparent to those skilled in the art upon reading the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. It should be noted that the concept and specific embodiments of the claimed invention disclosed herein can be used without any difficulty as a basis for modification or design of other structures that serve the same purposes as the described embodiments. It should also be understood that such equivalent constructions do not go beyond the essence and scope of the principles of the claimed invention disclosed in this document.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

Подробное описание примеров осуществления изобретения приведено в привязке к прилагаемым чертежам, которые не обязательно вычерчены в масштабе и где на фиг. 1A представлено схематическое изображение одного из примеров реализации береговых и морских источников образцов горных пород для их анализа с использованием вариантов осуществления испытательной системы и способов согласно принципам, раскрытым в настоящем документе;A detailed description of exemplary embodiments of the invention is given in conjunction with the accompanying drawings, which are not necessarily drawn to scale, and where in FIG. 1A is a schematic representation of one embodiment of onshore and offshore sources of rock samples for analysis using embodiments of the test system and methods according to the principles disclosed herein;

на фиг. 1В - схематическое изображение одного из вариантов осуществления испытательной системы для анализа образцов горной породы согласно принципам, раскрытым в настоящем документе;in fig. 1B is a schematic representation of one embodiment of a test system for analyzing rock samples according to the principles disclosed herein;

на фиг. 1С - схематическое изображение одного из вариантов осуществления вычислительного устройства, пригодного для использования в испытательной системе, показанной на фиг. 1В;in fig. 1C is a schematic representation of one embodiment of a computing device suitable for use in the test system shown in FIG. 1B;

на фиг. 2 - один из вариантов осуществления способа анализа образца горной породы согласно принципам, раскрытым в настоящем документе;in fig. 2 shows one embodiment of a method for analyzing a rock sample according to the principles disclosed herein;

на фиг. 3А - сегментированный двухмерный (2D) срез трехмерного (3D) изображения образца горной породы;in fig. 3A is a segmented two-dimensional (2D) section of a three-dimensional (3D) image of a rock sample;

на фиг. 3В - сегментированный двухмерный (2D) срез изображения, показанного на фиг. 3A, после разбиения;in fig. 3B is a segmented two-dimensional (2D) slice of the image shown in FIG. 3A after splitting;

на фиг. 3С - сегментированный и разделенный двухмерный (2D) срез изображения, показанного на фиг. 3В, после идентификации контактов зерен;in fig. 3C is a segmented and split two-dimensional (2D) slice of the image shown in FIG. 3B, after identification of grain contacts;

на фиг. 4 показан график, иллюстрирующий модуль объемной упругости образца горной породы, измеренный в лаборатории, и расчетный модуль объемной упругости образца горной породы, установленный вариантами осуществления изобретения, описанными в настоящем документе (как нормализованный, так и представленный в зависимости от пористости); и на фиг. 5 - график, иллюстрирующий модуль сдвига образца горной породы, измеренный в лаборатории, и расчетный модуль сдвига для образца горной породы, установленный вариантами осуществления заявленного изобретения, описанными в настоящем документе (как нормализованный, так и представленный в зависимости от пористости).in fig. 4 is a graph illustrating the bulk modulus of a rock sample measured in a laboratory and the calculated bulk modulus of a rock sample as determined by the embodiments of the invention described herein (both normalized and plotted against porosity); and in FIG. 5 is a graph illustrating the shear modulus of a rock sample measured in a laboratory and the calculated shear modulus of a rock sample as determined by the embodiments of the claimed invention described herein (both normalized and plotted against porosity).

Терминология и система представления численных значений.Terminology and system of representation of numerical values.

В последующем описании и прилагаемой формуле изобретения термины включающий в себя и содержащий используются в качестве неограничивающих терминов, и поэтому они должны трактоваться как включающий в себя, помимо прочего, .... Любое использование в какой-либо форме термиIn the following description and the appended claims, the terms including and containing are used as non-limiting terms and should therefore be construed as including, but not limited to, .... Any use of any form of the term

- 2 040615 нов соединяет, входит в зацепление, связывает, прикрепляется и других терминов подобного рода, описывающих взаимодействие между элементами, не предполагает его ограничение прямым взаимодействием между элементами, а также может включать непрямое взаимодействие между описанными элементами. Термин программное обеспечение включает в себя любую исполняемую программу, выполненную с возможностью ее прогона процессором вне зависимости от носителя, используемого для хранения программного обеспечения. Таким образом, программа, хранящаяся в памяти (например, в энергонезависимой памяти), которая иногда называется встроенной микропрограммой, включена в определение программного обеспечения. Предполагается, что фраза на основании означает на основании, по меньшей мере, частично. Следовательно, если величина X основана на величине Y, то величина X может быть основана на величине Y и любом количестве дополнительных факторов. В контексте настоящего документа термины приблизительно, около, по существу и прочие термины подобного рода означают колебание указанного значения в пределах 10% (т.е. плюс или минус 10%). Таким образом, например, указанный угол около 80° относится к углу, который варьируется в пределах от 72 до 88°.- 2 040615 new connects, engages, binds, attaches and other terms of this kind that describe the interaction between elements, does not imply its limitation to direct interaction between elements, and may also include indirect interaction between the described elements. The term software includes any executable program capable of being run by a processor, regardless of the medium used to store the software. Thus, a program stored in memory (eg, non-volatile memory), sometimes referred to as firmware, is included in the definition of software. The phrase on the basis is intended to mean on the basis of, at least in part. Therefore, if the value of X is based on the value of Y, then the value of X can be based on the value of Y and any number of additional factors. In the context of this document, the terms approximately, about, essentially, and other terms of this kind mean the fluctuation of the specified value within 10% (ie, plus or minus 10%). Thus, for example, said angle of about 80° refers to an angle that ranges from 72 to 88°.

Подробное раскрытие изобретенияDetailed disclosure of the invention

Последующее описание относится к различным примерам осуществления настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники понятно, что примеры, раскрытые в настоящем документе, имеют широкое применение и что описание любого варианта осуществления настоящего изобретения носит исключительно иллюстративный характер и не предполагает, что объем заявленного изобретения, включая его формулу, ограничен этим вариантом осуществления.The following description refers to various embodiments of the present invention. However, one skilled in the art will appreciate that the examples disclosed herein are of wide application and that the description of any embodiment of the present invention is for illustrative purposes only and does not imply that the scope of the claimed invention, including its claims, is limited to that embodiment.

Определенные термины используются по всему последующему описанию и в формуле изобретения для обозначения конкретных признаков или компонентов. Любому специалисту в данной области техники понятно, что разные люди могут называть один и тот же признак или компонент разными именами. В настоящем документе не проводится различие между компонентами или признаками, отличающимися по названию, но не по функциям. Фигуры не обязательно вычерчены в масштабе. Определенные признаки и компоненты в настоящем документе могут быть увеличены в масштабе или представлены до определенной степени в схематическом виде, а некоторые детали стандартных элементов могут быть не показаны для упрощения и краткости представления.Certain terms are used throughout the following description and in the claims to refer to specific features or components. Any person skilled in the art will appreciate that different people may refer to the same feature or component by different names. This document does not distinguish between components or features that differ in name but not in function. The figures are not necessarily drawn to scale. Certain features and components in this document may be exaggerated or represented to some extent in a schematic form, and some details of standard elements may not be shown for simplicity and brevity of presentation.

Если из контекста явным образом не вытекает иное, то все диапазоны, указанные в настоящем документе, должны толковаться как включающие свои предельные значения, а неограниченные диапазоны должны толковаться как включающие только практически применимые значения. Аналогичным образом все перечни значений должны рассматриваться как содержащие промежуточные значения включительно, если контекст не указывает иное.Unless the context clearly dictates otherwise, all ranges herein are to be construed as including their limit values, and unrestricted ranges are to be construed to include only practically applicable values. Likewise, all lists of values are to be considered as containing intermediate values, inclusive, unless the context indicates otherwise.

На чертежах и в последующем описании одни и те же элементы обычно обозначены по всему тексту и на чертежах одними и теми же номерами позиций. Фигуры необязательно вычерчены в масштабе. Определенные признаки вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть увеличены в масштабе или представлены до определенной степени в схематическом виде, а некоторые детали стандартных элементов могут быть не показаны для упрощения и краткости представления. Настоящее изобретение представлено различными вариантами своего осуществления. Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны и проиллюстрированы на чертежах с пониманием того, что представленное раскрытие должно рассматриваться в качестве иллюстративного примера реализации принципов настоящего изобретения и не предполагает его ограничение описанием, проиллюстрированным и представленным в настоящем документе. Следует четко понимать, что разные идеи и компоненты вариантов осуществления настоящего изобретения, описанные ниже, могут применяться по отдельности или в любой подходящей комбинации для получения требуемых результатов.In the drawings and in the following description, the same elements are usually designated throughout the text and in the drawings by the same reference numbers. The figures are not necessarily drawn to scale. Certain features of the embodiments of the present invention may be scaled up or represented to some extent in a schematic form, and some details of the standard elements may not be shown for simplicity and brevity of presentation. The present invention is represented by various variants of its implementation. Specific embodiments of the present invention are described in detail and illustrated in the drawings with the understanding that the present disclosure should be considered as an illustrative example of the implementation of the principles of the present invention and is not intended to be limited by the description illustrated and presented herein. It should be clearly understood that the various ideas and components of the embodiments of the present invention described below can be used individually or in any suitable combination to obtain the desired results.

В общем, модуль объемной упругости какой-либо субстанции (например, горной породы) является показателем способности этой субстанции противодействовать сжатию (например, нагрузкам, прикладываемым перпендикулярно наружным поверхностям субстанции), тогда как модуль сдвига какой-либо субстанции (например, горной породы) описывает способность этой субстанции противодействовать сдвигающим усилиям (например, нагрузкам, прикладываемым параллельно наружным поверхностям субстанции). Модуль объемной упругости и модуль сдвига горной породы в пласте служат вводными данными для различных видов расчетов и численного моделирования, используемых для выведения различных статических упругих механических свойств горной породы, включая модуль продольной упругости, коэффициент поперечной деформации, модуль Pwave, константу Ламе и - наряду с плотностью материала - также скорость Pwave и скорость Swave. Модуль объемной упругости и модуль сдвига горных пород часто измеряются в ходе геомеханических лабораторных испытаний. Без данных лабораторных испытаний модуль объемной упругости и модуль сдвига могут оцениваться с использованием различных моделей/подходов к изучению петрофизических свойств пласта, таких как модель Герца-Миндлина. Эти подходы требуют наличия таких данных, как среднее число контактов между отдельными зернами горной породы и размеры (площадь) этих контактов, которые должны использоваться в качестве вводных данных для расчета эффективных модулей объемной упругости и сдвига горных пород. Количество и размеры контактов оцениваются, исходя из упрощенной геометрии горной породы, например сферической формы зерен, а также идеального или случайного расположения зерен. Однако эти упрощения приIn general, the bulk modulus of a substance (e.g., rock) is a measure of that substance's ability to resist compression (e.g., loads applied perpendicular to the outer surfaces of the substance), while the shear modulus of a substance (e.g., rock) describes the ability of that substance to resist shear forces (for example, loads applied parallel to the outer surfaces of the substance). The bulk modulus and the shear modulus of the rock in the reservoir serve as input to various types of calculations and numerical simulations used to derive various static elastic mechanical properties of the rock, including the modulus of elasticity, the transverse strain coefficient, the P wave modulus, the Lamé constant, and - along with material density - also P wave speed and S wave speed. The bulk modulus and shear modulus of rocks are often measured in geomechanical laboratory tests. Without laboratory test data, the bulk modulus and shear modulus can be estimated using various models/approaches to study the petrophysical properties of the formation, such as the Hertz-Mindlin model. These approaches require data such as the average number of contacts between individual rock grains and the size (area) of these contacts to be used as input to calculate the effective bulk and shear moduli of the rocks. The number and size of contacts are estimated based on simplified rock geometry, such as spherical grains, and ideal or random grain arrangements. However, these simplifications

- 3 040615 водят к снижению точности результатов измерений свойств горной породы.- 3 040615 lead to a decrease in the accuracy of the results of measurements of the properties of the rock.

Варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, относятся к системам и способам определения количества и размеров контактов между отдельными зернами горной породы, которые используются в последующих расчетах для определения модулей объемной упругости и сдвига горной породы, которые в свою очередь могут быть использованы для выведения других упругих механических свойств горной породы. В частности, варианты осуществления заявленного изобретения, описанные в настоящем документе, предусматривают получение трехмерного (3D) цифрового объема изображения горной породы (т.е. цифровой горной породы), сегментирование цифрового 3D-изображения на зерна компонентов и поровое пространство, разбиение сегментированного цифрового 3Dизображения для идентификации контактов между зернами компонентов горной породы и последующее определение количества и размеров (площади) каждого из контактов между зернами компонентов по разделенному сегментированному цифровому 3D-изображению. Количество и размеры каждого из контактов между зернами компонентов могут быть затем использованы для расчета модулей объемной упругости и сдвига горной породы.The embodiments of the invention described herein relate to systems and methods for determining the number and size of contacts between individual rock grains, which are used in subsequent calculations to determine the bulk and shear moduli of the rock, which in turn can be used to derive other elastic mechanical properties of rock. In particular, embodiments of the claimed invention described herein provide for obtaining a three-dimensional (3D) digital volume of an image of a rock (i.e., digital rock), segmenting a 3D digital image into component grains and pore space, splitting a segmented 3D digital image for identification of contacts between grains of rock components and subsequent determination of the number and size (area) of each of the contacts between grains of components from a divided segmented digital 3D image. The number and size of each of the contacts between the grains of the components can then be used to calculate the bulk modulus and shear of the rock.

На фиг. 1А проиллюстрировано - на высоком уровне - получение образцов горной породы и анализ образцов горной породы в соответствии с принципами, описанными в настоящем документе. Варианты осуществления заявленного изобретения могут быть особенно эффективными при анализе образцов горных пород из погребенных формаций, играющих важную роль в сфере нефте- и газодобычи. В этой связи на фиг. 1А показана среда 100, из которой могут быть извлечены образцы 104 горных пород для их анализа с помощью испытательной системы 102 согласно различным вариантам практической реализации. На этих проиллюстрированных примерах образцы 104 горных пород могут быть получены с помощью системы 106 наземного бурения или системы 108 для морского бурения (установленной в океане, на море, на озере и пр.), каждая из которых используется для извлечения ресурсов, таких как углеводороды (нефть, природный газ и пр.), вода и прочие ресурсы подобного рода. Оптимизация операций по нефте- и газодобыче, как одного из основополагающих факторов в данной области техники, в значительной степени зависит от структуры и физических свойств пластов горных пород, которые пробуриваются или пробуривались в прошлом с помощью системы 106 наземного бурения или системы 108 для морского бурения.In FIG. 1A illustrates - at a high level - the acquisition of rock samples and the analysis of rock samples in accordance with the principles described herein. Embodiments of the claimed invention can be particularly effective in the analysis of rock samples from buried formations that play an important role in the field of oil and gas production. In this regard, in FIG. 1A shows an environment 100 from which rock samples 104 may be extracted for analysis with a test system 102 in various embodiments. In these illustrated examples, rock samples 104 may be obtained using a land drilling system 106 or an offshore drilling system 108 (ocean, sea, lake, etc.), each of which is used to extract resources such as hydrocarbons ( oil, natural gas, etc.), water and other similar resources. The optimization of oil and gas production operations, one of the fundamental factors in the art, depends to a large extent on the structure and physical properties of rock formations that are drilled or have been drilled in the past using land drilling system 106 or offshore drilling system 108.

Способы получения образцов 104 горных пород и физическая форма этих образцов могут варьироваться в широком диапазоне. Примеры 104 горных пород, пригодные для использования в контексте вариантов осуществления заявленного изобретения, описанных в настоящем документе, включают в себя образцы полноразмерного керна; образцы керна, отбираемого из стенки ствола скважины; пробы пород из обнажений; и создаваемые в лабораторных условиях синтетические образцы горных пород, такие как песчаные и сцементированные пробки.Methods for obtaining rock samples 104 and the physical form of these samples can vary over a wide range. Examples 104 of rocks suitable for use in the context of the embodiments of the claimed invention described herein include full size core samples; core samples taken from the borehole wall; rock samples from outcrops; and laboratory-created synthetic rock samples such as sand and cement plugs.

Как показано на фиг. 1A, среда 100 включает в себя испытательную систему 102, выполненную с возможностью анализа изображений 128 (см. фиг. 1В) образцов 104 горных пород с целью определения физических свойств соответствующей подповерхностной породы, причем эти свойства включают в себя петрофизические свойства в контексте нефтегазопоисковых работ и нефтегазодобычи.As shown in FIG. 1A, environment 100 includes a test system 102 configured to analyze images 128 (see FIG. 1B) of rock samples 104 to determine the physical properties of the corresponding subsurface rock, which properties include petrophysical properties in the context of oil and gas exploration and oil and gas production.

На фиг. 1В показаны в общем виде составные элементы испытательной системы 102, которая анализирует изображения 128. В широком смысле испытательная система 102 включает в себя устройство 122 формирования изображений для получения двухмерных (2D) или трехмерных (3D) изображений, а также других форм представления образцов 104 горных пород, причем такие изображения и формы представления включают в себя детали внутренней структуры образцов 104 горных пород. Одним из примеров реализации устройства 122 формирования изображений служит сканер рентгеновской компьютерной томографии (КТ-сканер), который - как известно в данной области техники - испускает рентгеновское излучение 124, взаимодействующее с объектом, и измеряет ослабление рентгеновского излучения 124 объекта для генерирования изображения его внутренней структуры и структурных элементов. Конкретный тип, конструкция или прочие признаки КТ-сканера 122 могут соответствовать аналогичным признакам рентгеновского устройства любого типа, такого как микро-КТ-сканер, выполненный с возможностью формирования изображения, отображающего внутреннюю структуру образца 104 горной породы. Устройство 122 формирования изображений генерирует одно или несколько изображений 128 образца 104 горной породы и передает эти изображения 128 на вычислительное устройство 120.In FIG. 1B shows in general terms the constituent elements of a test system 102 that analyzes images 128. Broadly, test system 102 includes an imaging device 122 for obtaining two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) images, as well as other forms of representation of rock samples 104. rocks, and such images and representations include details of the internal structure of the samples 104 rocks. One example of an implementation of the imaging device 122 is an X-ray computed tomography (CT) scanner, which - as is known in the art - emits X-rays 124 interacting with an object and measures the X-ray attenuation 124 of the object to generate an image of its internal structure. and structural elements. The particular type, design, or other features of the CT scanner 122 may correspond to those of any type of X-ray device, such as a micro-CT scanner capable of generating an image that displays the internal structure of the rock sample 104. The imaging device 122 generates one or more images 128 of the rock sample 104 and transmits these images 128 to the computing device 120.

Изображения 128, генерируемые устройством 122 формирования изображений, могут быть представлены в виде трехмерного (3D) цифрового объема изображения (т.е. цифрового изображения), состоящего или сгенерированного из множества двухмерных (2D) сегментов образца 104 горной породы. В этом случае объем изображения разбивается на регулярно повторяющиеся 3D-элементы, называемые объемными элементами или чаще всего вокселами. В общем, каждый воксел представляет собой куб со сторонами одинаковой длины в направлениях X, Y и Z. С другой стороны, сам цифровой объем 128 изображения может содержать разное количество вокселов в направлениях X, Y и Z. Каждый воксел в пределах цифрового объема характеризуется соотнесенным числовым значением или амплитудой, которая отображает соответствующие свойства материала изображенного образца в том месте среды, которая отображается цифровым объемом. Диапазон этих численных значений, более известный как шкала серо- 4 040615 го, зависит от типа цифрового объема, гранулярности значений (например, 8-битные или 16-битные значения) и прочих параметров подобного рода. Например, 16-битные значения данных позволяют вокселам в объеме рентгеновского томографического изображения иметь амплитуду, варьирующуюся в пределахThe images 128 generated by the imaging device 122 may be represented as a three-dimensional (3D) digital volume of an image (ie, a digital image) consisting of or generated from a plurality of two-dimensional (2D) segments of the rock sample 104. In this case, the volume of the image is broken down into regularly repeating 3D elements, called volume elements, or more commonly voxels. In general, each voxel is a cube with sides of the same length in the X, Y, and Z directions. On the other hand, the digital image volume 128 itself may contain a different number of voxels in the X, Y, and Z directions. Each voxel within the digital volume is characterized by an associated a numerical value or an amplitude that represents the corresponding material properties of the depicted sample at that point in the medium that is displayed by the digital volume. The range of these numerical values, better known as the gray scale, depends on the type of digital volume, the granularity of the values (for example, 8-bit or 16-bit values), and other parameters of this kind. For example, 16-bit data values allow voxels in the volume of an X-ray tomographic image to have an amplitude that varies within

0-65,536 с гранулярностью 1.0-65.536 with granularity 1.

Как было указано выше, устройство 122 формирования изображений передает изображения 128 на вычислительное устройство 120, которым может служить, как в примере, приведенном на фиг. 1В, вычислительное устройство любого типа, например настольный компьютер или рабочая станция, ноутбук, сервер, планшет или иное устройство подобного рода. Соответственно, вычислительное устройство 120 будет включать в себя аппаратные и программные компоненты, обычно входящие в состав вычислительного устройства стандартного типа. Как показано на фиг. 1В, эти аппаратные и программные компоненты вычислительного устройства 120 включают в себя инструмент 130 тестирования, который выполнен с возможностью анализа изображений 128 для определения петрофизических свойств образца 104 горной породы в одном или нескольких смоделированных условиях насыщения флюидом, включая условия насыщения флюидом, с которыми могут сталкиваться пласты горных пород в приповерхностной зоне. В этой связи инструмент 130 тестирования может быть реализован в виде программных средств, аппаратных средств или комбинации аппаратных и программных средств, включая все необходимые и полезные логические схемы, команды, подпрограммы и алгоритмы для выполнения функций и процессов, более подробно описанных ниже. В общем смысле инструмент 130 тестирования выполнен с возможностью анализа объема 128 изображения образца 104 горной породы для выполнения прямого численного моделирования петрофизических свойств в условиях насыщения флюидом, отображающих состояние пластов горных пород в подповерхностной зоне, включая разную степень насыщения множеством флюидов.As noted above, imaging device 122 transmits images 128 to computing device 120, which may be, as in the example shown in FIG. 1B, any type of computing device, such as a desktop or workstation, laptop, server, tablet, or the like. Accordingly, computing device 120 will include hardware and software components typically found in a standard type computing device. As shown in FIG. 1B, these hardware and software components of computing device 120 include a testing tool 130 that is configured to analyze images 128 to determine the petrophysical properties of a rock sample 104 under one or more simulated fluid conditions, including fluid conditions that may be encountered. rock layers in the near-surface zone. In this regard, test tool 130 may be implemented in software, hardware, or a combination of hardware and software, including all necessary and useful logic, instructions, routines, and algorithms to perform the functions and processes described in more detail below. In a general sense, testing tool 130 is configured to analyze image volume 128 of rock sample 104 to perform direct numerical modeling of petrophysical properties under fluid saturation conditions representing the state of rock formations in the subsurface zone, including varying degrees of saturation with multiple fluids.

На фиг. 1С схематически показана архитектура вычислительного устройства 120 в составе испытательной системы 102 согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. В этом примере реализации архитектуры вычислительное устройство 120 включает в себя один или несколько процессоров 902, которые могут характеризоваться разной конфигурацией процессорного ядра и тактовыми частотами, используемыми в данной области техники. Ресурсы памяти вычислительного устройства 120, предназначенные для хранения данных и/или программных команд, исполняемых одним или несколькими процессорами 902, включают в себя одно или несколько устройств 904 памяти, служащих оперативной памятью во время работы вычислительного устройства 120, и одного или нескольких накопителей 910, например, реализованных в виде одного или нескольких энергонезависимых твердотельных накопителей, накопителей на магнитных или оптических дисках или оперативного запоминающего устройства. Для подключения соответствующих периферийных устройств, таких как дисплеи, клавиатуры, мыши, сенсорные панели, сенсорные экраны, принтеры и прочие устройства подобного рода, предусмотрен один или несколько интерфейсов 906 периферии. Сетевые интерфейсы 908, которые могут быть представлены в виде Ethernet-адаптеров, беспроводных приемопередатчиков, последовательных сетевых компонентов и прочих устройств, призваны облегчить взаимодействие между вычислительным устройством 120 и одной или несколькими сетями, такими как Ethernet, беспроводная сеть Ethernet, глобальная система мобильной связи (GSM), сеть EDGE (развитие стандарта GSM с увеличенной скоростью передачи данных), универсальная система мобильной связи (UMTS), система связи глобальной совместимости для микроволнового доступа (WiMAX), система стандарта Долгосрочное развитие сетей связи (LTE) и т.п. В этом примере реализации архитектуры показано, что процессоры 902 связаны с компонентами 904, 906, 908 и 910 посредством единой шины; но, разумеется, в вычислительном устройстве 120 может быть реализована иная архитектура взаимодействия, например, в виде множества специализированных шин и пр.In FIG. 1C schematically shows the architecture of computing device 120 as part of test system 102 in accordance with various embodiments of the present invention. In this exemplary architecture, computing device 120 includes one or more processors 902, which may be of various processor core configurations and clock speeds used in the art. Memory resources of computing device 120 for storing data and/or program instructions executed by one or more processors 902 include one or more memory devices 904 serving as main memory during operation of computing device 120 and one or more storage devices 910, for example, implemented as one or more non-volatile solid state drives, magnetic or optical disk drives, or random access memory. One or more peripheral interfaces 906 are provided to connect appropriate peripherals such as displays, keyboards, mice, touch pads, touch screens, printers, and the like. Network interfaces 908, which may be in the form of Ethernet adapters, wireless transceivers, serial network components, and other devices, are designed to facilitate interaction between computing device 120 and one or more networks such as Ethernet, wireless Ethernet, global system for mobile communications ( GSM), EDGE (Enhanced Data Rate GSM Evolution), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), Global Interoperability Communications System for Microwave Access (WiMAX), Long Term Network Evolution (LTE) standard system, and the like. In this architecture example, processors 902 are shown to communicate with components 904, 906, 908, and 910 via a single bus; but, of course, a different communication architecture can be implemented in the computing device 120, for example, in the form of a plurality of specialized buses, etc.

Хотя вычислительное устройство 120 представлено в виде отдельного вычислительного устройства, оно может включать в себя несколько вычислительных устройств, взаимодействующих друг с другом для реализации функциональных возможностей вычислительного устройства. Аналогичным образом, хотя вычислительное устройство 120 представлено в виде физического устройства, вычислительное устройство 120 может также представлять собой абстрактное вычислительное устройство, такое как виртуальная машина и облачное вычислительное устройство.Although the computing device 120 is represented as a separate computing device, it may include multiple computing devices that interact with each other to implement the functionality of the computing device. Similarly, although computing device 120 is represented as a physical device, computing device 120 may also be an abstract computing device such as a virtual machine and a cloud computing device.

Как показано в примере осуществления, который проиллюстрирован на фиг. 1С, вычислительное устройство 120 включает в себя программные продукты 912, содержащие одну или несколько операционных систем, одну или несколько прикладных программ и тому подобное. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения программные продукты 912 содержат программные команды, соответствующие инструменту 130 тестирования (см. фиг. 1В), реализованному в виде автономной прикладной программы; в виде программного модуля, являющегося частью другого приложения или программы; в виде соответствующих плагинов или иных программных компонентов для получения доступа к программному обеспечению инструмента тестирования на удаленном компьютере, соединенного по сети с вычислительным устройством 120 через сетевые интерфейсы 908; или в иных формах и их сочетаниях.As shown in the embodiment illustrated in FIG. 1C, computing device 120 includes software products 912 containing one or more operating systems, one or more application programs, and the like. According to embodiments of the present invention, software products 912 comprise software instructions corresponding to a test tool 130 (see FIG. 1B) implemented as a stand-alone application; as a software module that is part of another application or program; in the form of appropriate plug-ins or other software components for accessing the software of the testing tool on a remote computer connected via a network to the computing device 120 through the network interfaces 908; or in other forms and combinations thereof.

Программная память, в которой хранятся исполняемые команды программных продуктов 912, соответствующих функциям инструмента 130 тестирования, может физически располагаться в вычислительном устройстве 120 или на других вычислительных ресурсах, доступных для вычислительного устройства 120, т.е. в ресурсах локальной памяти устройств 904 и накопителей 910; или же она может нахо- 5 040615 диться на сервере или иных ресурсах памяти с доступом через сеть; или же она может быть рассредоточена по множеству локаций. В любом случае эта программная память составляет энергонезависимый машиночитаемый носитель данных, в котором хранятся исполняемые команды компьютерной программы, в соответствии с которыми операции, описанные в настоящем документе, выполняются вычислительным устройством 120 или сервером или иным вычислительным устройством, соединенным с вычислительным устройством 120 через сетевые интерфейсы 908 (например, по типу интерактивного приложения для входных данных, поступающих с вычислительного устройства 120, с целью их отображения или выдачи периферийными устройствами, соединенными с вычислительным устройством 120). Исполняемые компьютером программные команды, соответствующие программным продуктам 912, которые соотносятся с инструментом 130 тестирования, могут изначально храниться на съемном или ином энергонезависимом машиночитаемом носителе данных (например, на DVD-диске, во флеш-памяти или на ином устройстве подобного рода) или загружаться в виде кодированной информации на несущем электромагнитном сигнале в виде пакета программ, из которого исполняемые компьютером программные команды инсталлируются вычислительным устройством 120 обычным способом, который используется для инсталляции программного обеспечения. Предполагается, что специалисты в данной области техники способны без труда реализовать хранение и извлечение необходимых данных, программных команд и прочей информации, полезной применительно к этому варианту осуществления настоящего изобретения, подходящим для каждого конкретного применения способом, не прибегая к ненужным экспериментам.Program memory that stores executable instructions for software products 912 corresponding to the functions of test tool 130 may be physically located on computing device 120 or other computing resources available to computing device 120, i. in the local memory resources of devices 904 and drives 910; or it may be located on a server or other memory resources accessible through the network; or it may be dispersed over many locations. In any event, this program memory constitutes a non-volatile, computer-readable storage medium that stores executable computer program instructions that cause the operations described herein to be performed by computing device 120 or by a server or other computing device connected to computing device 120 via network interfaces. 908 (eg, as an interactive application for input from computing device 120 to be displayed or provided by peripheral devices connected to computing device 120). The computer-executable program instructions corresponding to the software products 912 that are associated with the test tool 130 may initially be stored on a removable or other non-volatile machine-readable storage medium (e.g., a DVD, flash memory, or similar device) or loaded into in the form of encoded information on an electromagnetic carrier signal in the form of a software package from which computer-executable program instructions are installed by the computing device 120 in the usual way that is used to install software. It is expected that those skilled in the art will be able to easily store and retrieve the necessary data, program instructions, and other information useful in connection with this embodiment of the present invention in a manner suitable for each particular application without resorting to undue experimentation.

Конкретные машинные команды, составляющие программные продукты 912, соотнесенные с инструментом 130 тестирования, могут быть реализованы в виде одной или нескольких исполняемых программ, или в виде исходного кода или кода более высокого уровня, на основании которого выводится, ассемблируется, интерпретируется или компилируется одна или несколько исполняемых программ. При этом может быть использован любой из множества машинных языков или протоколов, что зависит от того, каким образом должны выполняться требуемые операции. Например, эти машинные команды для создания модели согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть записаны на стандартном языке высокого уровня, таком как PYTHON, JAVA, FORTRAN или C++, или в виде обычной компьютерной программы линейного программирования, или для исполнения объектноориентированным способом. Эти команды могут быть также встроены в приложение более высокого уровня. В любом случае предполагается, что специалисты в данной области техники после ознакомления с представленным описанием будут способны без труда реализовать различные варианты осуществления любым подходящим для инсталляции способом, не прибегая к ненужным экспериментам.The specific machine instructions that make up the software products 912 associated with the test tool 130 may be implemented as one or more executable programs, or as source code or higher level code from which one or more is derived, assembled, interpreted, or compiled. executable programs. In this case, any of a variety of machine languages or protocols can be used, depending on how the required operations are to be performed. For example, these machine instructions for creating a model according to embodiments of the present invention may be written in a standard high-level language such as PYTHON, JAVA, FORTRAN, or C++, or as a conventional linear programming computer program, or for execution in an object-oriented manner. These commands can also be embedded in a higher level application. In any case, it is expected that those skilled in the art, upon reading the present description, will be able to readily implement the various embodiments in any manner suitable for installation without resorting to undue experimentation.

Ниже описаны конкретные функции инструмента 130 тестирования, включая те их них, которые реализуются с помощью программных продуктов 912, для анализа образцов горной породы в различных условиях насыщения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, которые раскрыты в привязке к фиг. 2 в сочетании с фиг. Ία-IC.The specific functions of the testing tool 130, including those implemented by the software products 912, for analyzing rock samples under various saturation conditions according to the embodiments of the present invention, which are disclosed in connection with FIG. 2 in combination with FIG. α-IC.

Обратимся теперь к фиг. 2, где показан один из вариантов осуществления способа 200 анализа образцов горной породы для определения количества и размеров контактов между зернами компонентов в образцах горной породы. Хотя для удобства показано последовательное выполнение стадий, по меньшей мере, некоторые из проиллюстрированных стадий могут выполняться в ином порядке и/или выполняться параллельно. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено выполнение лишь части показанных стадий. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, некоторые из операций в рамках способа 200, а также другие операции, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы в виде команд, хранящихся в машиночитаемом носителе и исполняемых одним или несколькими процессорами 902.Let us now turn to FIG. 2, which shows one embodiment of a method 200 for analyzing rock samples to determine the number and size of contacts between component grains in rock samples. Although the steps are shown sequentially for convenience, at least some of the illustrated steps may be performed in a different order and/or performed in parallel. In addition, in some embodiments of the present invention, only a portion of the steps shown are performed. In some embodiments of the present invention, at least some of the operations within method 200, as well as other operations described herein, may be implemented as instructions stored in a computer-readable medium and executed by one or more processors 902.

На стадии 202 испытательная система 102 получает образец 104 горной породы, подлежащий анализу, например, из подповерхностной горной породы с использованием системы 106 наземного бурения или системы 108 для морского бурения или из других источников. Конкретный образец 104 горной породы может быть получен из подповерхностной горной породы большего объема, например, путем выбуривания или вырезания из горной породы, представляющей интерес, части большого объема, причем габариты, размер и конфигурация образца должны быть такими, чтобы их можно было визуализировать с помощью устройства 122 формирования изображений (например, КТ-сканера).In step 202, the testing system 102 obtains a rock sample 104 to be analyzed, for example, from subsurface rock using a land drilling system 106 or an offshore drilling system 108, or from other sources. A particular rock sample 104 may be obtained from subsurface rock of a larger volume, for example, by drilling or cutting a portion of a large volume from the rock of interest, and the dimensions, size, and configuration of the sample should be such that they can be visualized using an imaging device 122 (eg, a CT scanner).

На стадии 204 устройство 122 формирования изображений во взаимодействии с вычислительным устройством 120 испытательной системы 102 генерирует цифровой объем 128 изображения, отображающий образец 104 горной породы, включая его внутреннюю структуру. Например, если устройством 122 формирования изображений служит КТ-сканер, то формируется рентгеновское изображение образца 104 горной породы (т.е. с испусканием излучения на образец 104 горной породы и измерением ослабления этого излучения) для генерирования объемов 128 изображения по изображениям 2D срезов или из изображений 2D срезов. Конкретные стандартные методы получения и обработки трехмерных цифровых объемов 128 изображения образца 104 горной породы на стадии 204 включают в себя, помимо прочего, рентгеновскую томографию, рентгеновскую микротомографию, рентгеновскую нанотомографию, сканирующую электронную микроскопию с фокусированным ионным пучком и метод ядерного магнитного резонанса. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения цифровой объем 128 изобра- 6 040615 жения может быть получен вычислительными средствами, а не путем сканирования физического образца. В вариантах осуществления, в которых цифровой объем 128 изображения создается путем сканирования образца горной породы, образец горной породы может представлять собой горную породу природного происхождения или искусственный пористый материал (например, синтетическую породу).In step 204, the imaging device 122, in cooperation with the computing device 120 of the test system 102, generates a digital image volume 128 representing the rock sample 104, including its internal structure. For example, if the imaging device 122 is a CT scanner, then an X-ray image of the rock sample 104 (i.e., emitting radiation onto the rock sample 104 and measuring the attenuation of that radiation) is generated to generate image volumes 128 from or from 2D slice images. images of 2D slices. Specific standard techniques for obtaining and processing 3D digital volumes 128 of an image of a rock sample 104 in step 204 include, but are not limited to, X-ray tomography, X-ray microtomography, X-ray nanotomography, focused ion beam scanning electron microscopy, and nuclear magnetic resonance. In some embodiments of the present invention, the digital image volume 128 may be computed rather than by scanning a physical sample. In embodiments where the digital image volume 128 is created by scanning a rock sample, the rock sample may be a naturally occurring rock or an artificial porous material (eg, synthetic rock).

Данные об изображении на этой стадии могут быть выражены в виде значений серого, отображающих ослабление рентгеновского излучения компонентами образца 104 горной породы. Как будет описано в следующем абзаце, фиг. 3А иллюстрирует изображение 300 одного 2D среза через цифровой объем 128 изображения, при этом следует понимать, что трехмерный цифровой объем 128 изображения образца 104 горной породы состоит из множества изображений 2D срезов в дискретных положениях вдоль одной оси образца 104 горной породы, которые все вместе формируют 3D изображение образца 104 горной породы. В общем, объединение изображений 2D срезов в трехмерный цифровой объем 128 изображения может быть выполнено вычислительными ресурсами самого устройства 122 формирования изображений или вычислительным устройством 120 по ряду изображений 2D срезов, полученных устройством 122 формирования изображений, что зависит от конкретной архитектуры испытательной системы 102.The image data at this stage can be expressed as gray values representing the X-ray attenuation of the rock sample 104 components. As will be described in the next paragraph, FIG. 3A illustrates a single 2D slice image 300 through the digital image volume 128, it being understood that the 3D digital image volume 128 of the rock sample 104 consists of multiple 2D slice images at discrete positions along one axis of the rock sample 104 that collectively form 3D image of rock sample 104. In general, the merging of 2D slice images into a 3D digital image volume 128 may be performed by the computing resources of the imaging device 122 itself, or by the computing device 120 over a number of 2D slice images acquired by the imaging device 122, depending on the particular architecture of the test system 102.

Обратимся теперь к фиг. 3А, где приведен один из примеров изображения 300 одного сегментированного 2D-среза цифрового объема 128 изображения образца 104 горной породы. Изображение 300 сегментированного 2D среза иллюстрирует поперечный срез структурных элементов образца 104 горной породы, включая признаки сплошного материала 302, такие как отдельные зерна породы (выделены белым цветом на фиг. 3А) и поровое пространство или поровый объем 304 (выделен черным цветом на фиг. 3А). На стадии 206 испытательная система 102 выполняет сегментирование или реализует иной метод повышения качества изображения в отношении цифрового объема 128 изображения образца 104 горной породы для различения и маркирования разных компонентов или фаз объема 128 изображения по значениям серого в изображении. Сегментированный цифровой объем 128 изображения может содержать изображение 300 двухмерного (2D) среза, отображающее образец 104 горной породы. В частности, вычислительное устройство 120 выполняет это сегментирование для идентификации таких компонентов, как поровое пространство и минералы (например, глины и кварц). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения инструмент 130 тестирования выполнен с возможностью сегментирования объема 128 изображения на более чем две значимые фазы, отображающие такие структурные составляющие материала, как поровое пространство, глинистая фракция, фракция кварца и типы различных других минералов.Let us now turn to FIG. 3A, which shows one example of an image 300 of one segmented 2D slice of the digital image volume 128 of the rock sample 104. A segmented 2D slice image 300 illustrates a cross-sectional view of the structural elements of a rock sample 104, including solid material features 302 such as individual rock grains (highlighted in white in FIG. 3A) and pore space or pore volume 304 (highlighted in black in FIG. 3A). ). In step 206, the test system 102 performs segmentation or other image enhancement technique on the digital image volume 128 of the rock sample 104 to distinguish and mark different components or phases of the image volume 128 by gray values in the image. The segmented digital image volume 128 may comprise a two-dimensional (2D) slice image 300 displaying a rock sample 104 . In particular, computing device 120 performs this segmentation to identify components such as pore space and minerals (eg, clays and quartz). In some embodiments of the present invention, the testing tool 130 is configured to segment the image volume 128 into more than two significant phases representing structural material constituents such as pore space, clay fraction, quartz fraction, and various other mineral types.

Вычислительное устройство 120 может использовать алгоритмы сегментирования любого типа. Один из подходов к сегментированию состоит в применении процесса бинаризации к объему 128 изображения, в ходе которого вычислительное устройство 120 выбирает пороговое значение в пределах диапазона амплитуд вокселов. При этом тем вокселам, амплитуда которых ниже порогового значения, присваивается одно конкретное числовое значение, которое отображает поровое пространство, тогда как другим вокселам, амплитуда которых выше порогового значения, присваивается другое числовое значение, которое отображает матричное пространство (т.е. сплошной материал). В этом подходе бинаризация преобразует объем изображения в оттенках серого в сегментированный объем вокселов, имеющих одно из двух возможных численных значений, обычно выбираемых между 0 и 1. На фиг. 4А приведен один из примеров сегментирования, выполненного в отношении изображения 300 двухмерного среза цифрового объема 128 изображения методом бинаризации. Как можно видеть, сегментирование позволяет различать элементы структуры образца горной породы, причем в этом примере сплошной материал 302 окрашен разными цветами (различными оттенками серого в полутоновом изображении, показанном на фиг. 3А), отображающими разные материалы в объеме 128, а поры или поровый объем 304 окрашен черным цветом. В дальнейшем сегментирование может быть применено один или несколько раз к различным отличительным признакам в изображении. Если используется простая бинаризация, то множественные пороговые значения могут провести различие между разными материалами, демонстрирующими разные характеристики ослабления рентгеновского излучения, такими как глина, кварц, полевой шпат и пр.Computing device 120 may use any type of segmentation algorithms. One approach to segmentation is to apply a binarization process to the image volume 128 in which the computing device 120 selects a threshold value within a range of voxel amplitudes. In this case, those voxels whose amplitude is below the threshold value are assigned one specific numerical value that represents the pore space, while other voxels whose amplitude is above the threshold value are assigned a different numerical value that represents the matrix space (i.e., continuous material) . In this approach, binarization converts the volume of a grayscale image into a segmented volume of voxels having one of two possible numerical values, typically chosen between 0 and 1. FIG. 4A shows one example of segmentation performed on the image 300 of a two-dimensional slice of the digital image volume 128 by the binarization method. As can be seen, the segmentation allows the structural elements of the rock sample to be distinguished, with the solid material 302 in this example colored in different colors (different shades of gray in the grayscale image shown in FIG. 3A) representing the different materials in the volume 128 and the pores or pore volume 304 is painted black. Subsequently, the segmentation may be applied one or more times to different features in the image. If simple binarization is used, then multiple thresholds can distinguish between different materials exhibiting different X-ray attenuation characteristics, such as clay, quartz, feldspar, etc.

В альтернативном варианте вычислительное устройство 120 может использовать другие алгоритмы сегментирования. Один из примеров такого альтернативного алгоритма известен в данной области техники как метод Оцу, в котором метод бинаризации на основе гистограммы выбирает пороговое значение для минимизации совокупной дисперсии диаграмм бимодального распределения значений серого (т.е. внутриклассовой дисперсии). Метод Оцу может быть без труда автоматизирован, а также может быть расширен для повторной многократной бинаризации изображения с целью проведения различия между дополнительными компонентами материалов, таких как кварц, глина и полевой шпат. Другие примеры алгоритмов автоматизированного сегментирования различной степени сложности могут быть альтернативно или дополнительно использованы вычислительным устройством 120 для проведения различия между разными признаками в объеме изображения, причем такие алгоритмы включают в себя индикаторный кригинг, метод схождение активных контуров, водораздел и прочие алгоритмы подобного рода.Alternatively, computing device 120 may use other sharding algorithms. One example of such an alternative algorithm is known in the art as the Otsu method, in which a histogram-based binarization method selects a threshold to minimize the cumulative variance of bimodal gray value distribution patterns (i.e., intra-class variance). The Otsu method can be easily automated, and can also be extended to rebinarize an image multiple times to distinguish between additional material components such as quartz, clay, and feldspar. Other examples of automated segmentation algorithms of varying degrees of sophistication may alternatively or additionally be used by computing device 120 to distinguish between different features in an image volume, such algorithms including indicator kriging, active edge convergence, watershed, and others of a similar nature.

Вычислительное устройство 120 может также использовать другие методы повышения качества изображения для улучшения или повышения качества структуры, выявленной в объеме 128 изображения, с целью проведения дополнительных различий в структуре, уменьшения эффектов шумов и тому подоб- 7 040615 ного. Аналогичным образом предполагается, что хотя сегментирование или иные методы повышения качества изображения могут выполняться вычислительным устройством 120, в альтернативном варианте повысить качество изображения полностью или частично могут другие компоненты испытательной системы 102, например, само устройство 122 формирования изображений.Computing device 120 may also use other image enhancement techniques to improve or enhance the quality of structure detected in image volume 128 to further differentiate structure, reduce the effects of noise, and the like. Similarly, it is contemplated that although segmentation or other image quality enhancement techniques may be performed by computing device 120, other components of test system 102, such as imager 122 itself, may alternatively enhance image quality in whole or in part.

Сегментирование соотносит вокселы в цифровом объеме изображения с конкретным материалом (или поровым пространством, в зависимости от обстоятельств) в соответствующем месте в образце 104 горной породы. Каждый воксел из числа некоторых или всех вокселов привязывается к одному или нескольким свойствам материала, соответствующим конкретной структурной составляющей материала, закрепленной за этим вокселом. Такие структурные составляющие включают в себя поровое пространство, матричный материал, глинистую фракцию, отдельные зерна, контакты зерен, типы минералов и тому подобное.Segmentation relates voxels in the digital image volume to a specific material (or pore space, as the case may be) at a corresponding location in the rock sample 104 . Each voxel of some or all of the voxels is associated with one or more material properties corresponding to the particular structural component of the material assigned to that voxel. Such structural constituents include pore space, matrix material, clay fraction, individual grains, grain contacts, mineral types, and the like.

На стадии 208 вычислительное устройство 120 разбивает идентифицированные фазы сегментированного цифрового объема 128 изображения с целью идентификации отдельных контактов или контактных сопряжений между зернами компонентов. Разбивка на стадии 208 может быть выполнена с помощью программного обеспечения для обработки изображений от сторонней организации, такого как программа Avizo™ от компании ThermoFisher Scientific™, г. Хиллсборо, штат Орегон, США. Во время разбивки зерно каждого компонента может быть идентифицировано по вокселам (например, по вокселам 303, 305 и 307, показанным на фиг. 3В) в изображении 300 двухмерного среза. Иначе говоря, каждый воксел или группа вокселов задает или отображает отдельное зерно, а вокселы каждого зерна могут отображаться окрашенным иным цветом (или цветовыми шаблонами, оттенками серого) вокселом или группой вокселов, как это показано на фиг. 3В. На фиг. 3В проиллюстрирован один из примеров разделенного изображения 300 двухмерного среза трехмерного изображения (например, цифрового объема 128 изображения) образца горной породы, где показан поперечный срез структурных элементов этого образца горной породы. Размеры (например, площадь, объем, радиус (R) и пр.) каждого зерна могут определяться с помощью программного обеспечения для обработки изображений. После разбивки на стадии 208 контакты между зернами (например, сопряжения 309 и 311, показанные на фиг. 3C) идентифицируются как область, где воксел, относящийся к зерну X (например, воксел 303), примыкает к вокселу, относящемуся к зерну Y (например, вокселу 305).In step 208, computing device 120 decomposes the identified phases of the segmented digital image volume 128 to identify individual contacts or contact interfaces between component grains. The stakeout in step 208 may be performed using third party imaging software such as Avizo™ software from ThermoFisher Scientific™, Hillsborough, Oregon, USA. During stakeout, the grain of each component can be identified by voxels (eg, voxels 303, 305, and 307 shown in FIG. 3B) in the 2D slice image 300. In other words, each voxel or group of voxels defines or displays a single grain, and the voxels of each grain can be displayed with a different color (or color patterns, shades of gray) voxel or group of voxels, as shown in Fig. 3B. In FIG. 3B illustrates one example of a split image 300 of a 2D slice of a 3D image (eg, digital image volume 128) of a rock sample, showing a cross section of the structural elements of that rock sample. The dimensions (eg, area, volume, radius (R), etc.) of each grain may be determined using imaging software. After staked out in step 208, grain-to-grain contacts (eg, mates 309 and 311 shown in FIG. 3C) are identified as the region where the voxel associated with grain X (eg, voxel 303) is adjacent to the voxel associated with grain Y (eg. , voxel 305).

На стадии 210, следующей за стадией разбивки, вычислительное устройство 120 идентифицирует контактные сопряжения между зернами (например, сопряжения 309 и 311, показанные на фиг. 3С), а затем определяет (например, вычисляет) площадь контакта (также именуемую просто площадью). Контактные сопряжения идентифицируются по вокселам соседних зерен. Например, контактное сопряжение между двумя зернами может быть определено группой или кустом примыкающих друг к другу вокселов между двумя соседними зернами. Таким образом, за счет идентификации групп вокселов между примыкающими друг к другу зернами могут быть идентифицированы контактные сопряжения между зернами. После идентификации контактных сопряжений между зернами становятся известными границы этих контактных сопряжений, и они могут быть использованы для определения (например, вычисления) площади контакта каждого контактного сопряжения. Площадью контакта между двумя вокселами является площадь одной из сторон воксела на границе раздела (например, воксел представляет собой куб). Например, если зерно X и зерно Y содержат 100 примыкающих друг к другу вокселов, а площадь одной из сторон воксела составляет 4 мкм2, то общая площадь контакта составляет 400 мкм2.In step 210 following the staking step, computing device 120 identifies contact mates between grains (eg, mates 309 and 311 shown in FIG. 3C) and then determines (eg, calculates) the contact area (also referred to simply as area). Contact mates are identified by voxels of neighboring grains. For example, a contact interface between two grains can be defined by a group or cluster of adjacent voxels between two adjacent grains. Thus, by identifying groups of voxels between adjacent grains, contact mates between grains can be identified. Once the contact interfaces between grains are identified, the boundaries of these contact interfaces become known and they can be used to determine (eg, calculate) the contact area of each contact interface. The area of contact between two voxels is the area of one of the sides of the voxel at the interface (for example, a voxel is a cube). For example, if grain X and grain Y contain 100 voxels adjacent to each other, and the area of one of the sides of the voxel is 4 µm 2 , then the total contact area is 400 µm 2 .

На стадии 210 площадь контакта каждого контактного сопряжения используется для определения (например, вычисления) радиуса а контактной поверхности каждого контактного сопряжения. В частности, следует иметь в виду, что каждое зерно может характеризоваться уникальной и/или геометрически неправильной трехмерной конфигурацией, в результате чего геометрия или форма контактного сопряжения между каждой парой контактирующих зерен также может быть уникальной и/или неправильной (например, некруглой). Для упрощения вычислений и численного моделирования (например, чтобы можно было использовать уравнения 1-4, показанные ниже) неправильная форма каждого контактного сопряжения преобразуется в окружность с такой же площадью контакта, после чего определяется радиус а каждой такой окружности. Таким образом, форма и площадь контакта каждого контактного сопряжения эффективно преобразуется в окружность такой же площади с радиусом а (также именуемым радиусом площади контакта).At step 210, the contact area of each contact mate is used to determine (eg, calculate) the radius a of the contact surface of each contact mate. In particular, it should be appreciated that each grain may have a unique and/or geometrically irregular three-dimensional configuration, whereby the geometry or shape of the contact interface between each pair of contacting grains may also be unique and/or irregular (e.g., non-circular). To simplify calculations and numerical simulations (for example, so that Equations 1-4 below can be used), the irregular shape of each contact mate is converted to a circle with the same contact area, after which the radius a of each such circle is determined. Thus, the shape and contact area of each contact interface is effectively converted to a circle of the same area with a radius a (also referred to as the contact area radius).

После определения радиуса а контактной поверхности каждого контактного сопряжения вычисляется контактная жесткость при сдвиге и нормальная контактная жесткость каждого контактного сопряжения. Один из способов вычисления этих жесткостей реализован в уравнениях 1 и 2 винAfter determining the radius a of the contact surface of each contact interface, the shear contact stiffness and the normal contact stiffness of each contact interface are calculated. One of the ways to calculate these stiffnesses is implemented in equations 1 and 2 of wine

St--—St--—

-G

Уравнение (1) , где величина St обозначает контактную жесткость при сдвиге для случая бесконечного контактного трения; величина μ обозначает модуль сдвига зернистого материала; величина υ обозначает коэффициент поперечной деформации зернистого материала; а величина а обозначает радиус контактной поверх- 8 040615 ности. Контактная жесткость при сдвиге, обозначенная величиной St, равна нулю в случае нулевого контактного трения.Equation (1) , where the value of St denotes the contact shear stiffness for the case of infinite contact friction; the value of μ denotes the shear modulus of the granular material; the value of υ denotes the coefficient of transverse deformation of the granular material; and the value a denotes the radius of the contact surface. The shear contact stiffness, denoted by St, is zero in the case of zero contact friction.

ψαψα

Sn =---Sn=---

Уравнение (2) , где величина Sn обозначает нормальную контактную жесткость; величина μ обозначает модуль сдвига зернистого материала; величина υ обозначает коэффициент поперечной деформации зернистого материала; а величина а обозначает радиус контактной поверхности.Equation (2) where the value of Sn denotes the normal contact stiffness; the value of μ denotes the shear modulus of the granular material; the value of υ denotes the coefficient of transverse deformation of the granular material; and the value a denotes the radius of the contact surface.

После вычисления контактной жесткости St при сдвиге и нормальной контактной жесткости Sn каждого контактного сопряжения с помощью уравнений 1 и 2 вычисляется средняя контактная жесткость при сдвиге и средняя нормальная контактная жесткость в расчете на зерно и среднее количество контактов в расчете на зерно. После этого вычисляются эффективные модули объемной упругости и сдвига по уравнениям 3 и 4After calculating the shear contact stiffness St and the normal contact stiffness Sn of each contact mate, using equations 1 and 2, the average shear contact stiffness and the average normal contact stiffness per grain and the average number of contacts per grain are calculated. After that, the effective moduli of bulk elasticity and shear are calculated using equations 3 and 4

С(1 - 0)C(1 - 0)

Уравнение (3) , где величина Keff обозначает эффективный модуль объемной упругости; величина С обозначает количество контактных сопряжений в расчете на зерно (также именуемое координационным числом в расчете на зерно); величина 0 обозначает пористость; величина R обозначает радиус зерна; а величина Sn обозначает нормальную контактную жесткость. . .Equation (3) where Keff is the effective bulk modulus; the C value denotes the number of contact mates per grain (also referred to as the coordination number per grain); the value 0 denotes porosity; the R value denotes the grain radius; and the value of Sn denotes the normal contact stiffness. . .

Ue^ =2OER(Sn^l.5SF Ue ^ = 2 O ER(Sn^l.5SF

Уравнение (4) , где величина μeff обозначает эффективный модуль сдвига; величина С обозначает количество контактных сопряжений в расчете на зерно; величина 0 обозначает пористость; величина R обозначает радиус зерна; величина Sn обозначает нормальную контактную жесткость; а величина St обозначает кон тактную жесткость при сдвиге.Equation (4) where μeff is the effective shear modulus; value C denotes the number of contact interfaces per grain; the value 0 denotes porosity; the R value denotes the grain radius; the value of Sn denotes the normal contact stiffness; and the value of St denotes the contact shear stiffness.

Модули объемной упругости и сдвига, установленные с использованием способов и уравнений, описанных выше, могут быть использованы для выведения множества механических свойств зерен и горной породы, таких как модуль продольной упругости, константа Ламе, коэффициент поперечной деформации, модуль Pwave, скорость Pwave и скорость Swave, с помощью методов, известных в данной области техники. Следует иметь в виду, что распределения, максимумы, минимумы и средние значения свойств, определенные выше (например, количество контактных сопряжений в расчете на зерно, площадь контакта каждого контактного сопряжения, контактная жесткость при сдвиге, нормальная контактная жесткость, модуль объемной упругости, модуль сдвига и пр.) по всем зернам, могут быть установлены и использованы в последующих расчетах для определения свойств всех зерен, отображающих свойства горной породы в целом. В сравнении с упрощенными моделями определения свойств горных пород варианты осуществления заявленного изобретения, описанные в настоящем документе, обеспечивают потенциальные возможности для повышения точности вычислений таких свойств применительно к зернистым материалам. Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, потенциально могут повысить выходную скорость, обеспечивая при этом, в общем, приемлемую точность. Например, на фиг. 4 показан модуль объемной упругости образца горной породы, измеренный в лаборатории (Лабораторные измерения), в сравнении с модулем объемной упругости (Keffective) этого же образца горной породы, ус тановленного с использованием вариантов осуществления методов, описанных в настоящем документе (Расчеты). Оба модуля из числа модуля объемной упругости, измеренного в лаборатории, и вычисленного модуля объемной упругости нормализуются модулем минералов (Kmineral), который известен в данной области техники под названием модуль объемной упругости зернистого материала, такого как кварц, и который показан на фиг. 4 как функция пористости. В качестве другого примера на фиг. 5 показан модуль сдвига (μeffective) образца горной породы, измеренный в лаборатории (Лабораторные измерения), в сравнении с модулем сдвига этого же образца горной породы, установленного с использованием вариантов осуществления методов, описанных в настоящем документе (Расчеты), для случая нулевого трения (Расчеты μ=0) и бесконечного трения (Расчеты μ=»). Модуль сдвига, измеренный в лаборатории, и вычисленные модули сдвига нормализуются модулем сдвига зернистого материала ^mineral), который известен в данной области техники как модуль сдвига зернистого материала, и который показан на фиг. 5 как функция пористости. Как показано на фиг. 5, модули сдвига, измеренные в лаборатории, обычно лежат в пределах между расчетными модулями сдвига для случаев нулевого и бесконечного трения.Bulk and shear moduli established using the methods and equations described above can be used to derive a variety of mechanical properties of grains and rock, such as modulus of elasticity, Lame constant, transverse strain coefficient, P wave modulus, P wave velocity, and speed S wave using methods known in the art. It should be noted that the distributions, maxima, minima, and averages of the properties defined above (e.g., number of contact interfaces per grain, contact area of each contact interface, shear contact stiffness, normal contact stiffness, bulk modulus, shear modulus etc.) for all grains can be established and used in subsequent calculations to determine the properties of all grains, reflecting the properties of the rock as a whole. Compared to simplified models for determining rock properties, the embodiments of the claimed invention described herein provide the potential to improve the accuracy of calculations of such properties in relation to granular materials. The embodiments disclosed herein have the potential to increase output speed while providing generally acceptable accuracy. For example, in FIG. 4 shows the bulk modulus of a rock sample measured in the laboratory (Laboratory Measurements) compared to the bulk modulus (K effective ) of the same rock sample determined using the embodiments of the methods described herein (Calculation). Both the bulk modulus measured in the laboratory and the calculated bulk modulus are normalized by the mineral modulus (Kmineral), which is known in the art as the bulk modulus of a particulate material such as quartz, and which is shown in FIG. 4 as a function of porosity. As another example, in FIG. 5 shows the shear modulus (μ e ffective ) of a rock sample measured in the laboratory (Laboratory Measurements) compared to the shear modulus of the same rock sample determined using the embodiments of the methods described here (Calculations), for the case zero friction (Calculations μ=0) and infinite friction (Calculations μ=”). The shear modulus measured in the laboratory and the calculated shear moduli are normalized by the shear modulus of the particulate material (mineral), which is known in the art as the shear modulus of the particulate material, and which is shown in FIG. 5 as a function of porosity. As shown in FIG. 5, the shear moduli measured in the laboratory usually lie between the calculated shear moduli for the cases of zero and infinite friction.

Хотя в настоящем документе были описаны и проиллюстрированы предпочтительные варианты осуществления заявленного изобретения, специалист в данной области техники может внести в него различные модификации без отступления от объема или идей настоящего изобретения. Раскрытые вариантыWhile preferred embodiments of the claimed invention have been described and illustrated herein, various modifications may be made by one skilled in the art without departing from the scope or spirit of the present invention. Disclosed Options

--

Claims (15)

осуществления заявленного изобретения носят исключительно иллюстративный, а не ограничительный характер. В системы, устройства и процессы, описанные в настоящем документе, может быть внесено множество изменений и модификаций, входящих в объем заявленного изобретения. Например, могут быть изменены относительные размеры различных частей, материалы, из которых изготовлены различные части, и прочие параметры. Соответственно, объем правовой охраны не ограничен вариантами осуществления заявленного изобретения, описанными в настоящем документе, а ограничен лишь последующей формулой изобретения, объем которой должен включать в себя все эквиваленты предмета формулы изобретения. Если прямо не указано иное, то стадии в пунктах формулы изобретения на способ могут выполняться в любом порядке. Перечисление идентификаторов, таких как (а), (b), (с) или (1), (2), (3) перед описанием стадий в пунктах формулы изобретения на способ не предполагает указание и не указывает на конкретный порядок выполнения этих стадий, а используется лишь для упрощения последующего обращения к таким стадиям.implementation of the claimed invention are purely illustrative and not restrictive. Many changes and modifications may be made to the systems, devices, and processes described herein, all within the scope of the claimed invention. For example, the relative dimensions of the various parts, the materials from which the various parts are made, and other parameters can be changed. Accordingly, the scope of legal protection is not limited to the embodiments of the claimed invention described herein, but is limited only by the following claims, the scope of which should include all equivalents of the subject matter of the claims. Unless expressly stated otherwise, the steps in the method claims may be performed in any order. The listing of identifiers such as (a), (b), (c) or (1), (2), (3) before describing the steps in the method claims does not imply or indicate a specific order in which these steps are performed, but is used only to simplify the subsequent reference to such stages. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ анализа образца горной породы для определения одного или нескольких механических свойств образца горной породы, причем этот способ предусматривает:1. A method of analyzing a rock sample to determine one or more mechanical properties of a rock sample, the method comprising: (a) сегментирование цифрового объема изображения, соответствующего изображению образца горной породы, для идентификации твердой фазы цифрового объема изображения и соотнесения множества вокселов в цифровом объеме изображения с твердой фазой;(a) segmenting the digital image volume corresponding to the rock sample image to identify the solid phase of the digital image volume and associating a plurality of voxels in the digital image volume with the solid phase; (b) разбиение цифрового объема изображения для идентификации множества зерен твердой фазы и соотнесения указанного множества вокселов в цифровом объеме изображения с указанным множеством зерен;(b) splitting the digital image volume to identify a plurality of grains of the solid phase and correlating the specified set of voxels in the digital image volume with the specified set of grains; (c) определение вокселов из числа множества вокселов, которые соотносятся с разными зернами и примыкают друг к другу, для идентификации множества контактных сопряжений между каждой парой соседних зерен из числа указанного множества зерен;(c) determining voxels from among the plurality of voxels that correspond to different grains and are adjacent to each other to identify a plurality of contact pairings between each pair of adjacent grains from among said plurality of grains; (d) определение площади контакта каждого из контактных сопряжений с использованием соседних вокселов на соответствующем контактном сопряжении;(d) determining the contact area of each of the contact interfaces using neighboring voxels on the corresponding contact interface; (e) определение для каждого контактного сопряжения радиуса окружности, площадь которой равна площади контакта соответствующего контактного сопряжения;(e) determining for each contact interface the radius of a circle whose area is equal to the contact area of the corresponding contact interface; (f) определение количества контактных сопряжений, которое каждое зерно из множества зерен имеет с каждым соседним зерном; и (g) определение одного или нескольких механических свойств образца горной породы на основании количества контактных сопряжений каждого из множества зерен и радиуса окружности, соответствующей каждому из контактных сопряжений.(f) determining the number of contact mates that each grain of the plurality of grains has with each neighboring grain; and (g) determining one or more mechanical properties of the rock sample based on the number of contact mates of each of the plurality of grains and the radius of a circle corresponding to each of the contact mates. 2. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, некоторые из множества контактных сопряжений представляют собой контактные сопряжения некруглой формы и в котором стадия (d) предусматривает определение площади контакта каждого из контактных сопряжений некруглой формы с использованием соседних вокселов в месте соответствующего контактного сопряжения некруглой формы.2. The method of claim 1, wherein at least some of the plurality of contact interfaces are non-circular contact interfaces, and wherein step (d) comprises determining the contact area of each of the non-circular contact interfaces using adjacent voxels at the location of the corresponding non-circular contact interface. 3. Способ по п.1, в котором стадия (f) предусматривает определение модуля объемной упругости и модуля сдвига образца горной породы.3. The method of claim 1, wherein step (f) comprises determining the bulk modulus and shear modulus of the rock sample. 4. Способ по п.1, в котором стадия (f) предусматривает определение одного или нескольких из следующих механических свойств образца горной породы: модуля объемной упругости, модуля сдвига, модуля продольной упругости, коэффициента поперечной деформации, модуля Pwave, скорости Pwave и скорости Swave.4. The method of claim 1, wherein step (f) comprises determining one or more of the following mechanical properties of the rock sample: bulk modulus, shear modulus, modulus of elasticity, transverse strain coefficient, P wave modulus, P wave velocity, and S wave speed. 5. Способ по п.1, дополнительно предусматривающий вычисление контактной жесткости при сдвиге образца горной породы с использованием радиуса окружности, соответствующей каждому контактному сопряжению.5. The method of claim 1, further comprising calculating the shear contact stiffness of the rock sample using the radius of the circle corresponding to each contact interface. 6. Способ по п.1, дополнительно предусматривающий вычисление нормальной контактной жесткости образца горной породы с использованием радиуса окружности, соответствующей каждому контактному сопряжению.6. The method of claim 1, further comprising calculating the normal contact stiffness of the rock sample using the radius of the circle corresponding to each contact mate. 7. Система анализа образца горной породы для определения одного или нескольких механических свойств образца горной породы, причем эта система включает в себя устройство формирования изображений, выполненное с возможностью генерирования цифрового объема изображения, отображающего образец горной породы; и вычислительное устройство, соединенное с устройством формирования изображений и включающее в себя один или несколько процессоров; и одно или несколько запоминающих устройств, соединенных с одним или несколькими процессорами и выполненных с возможностью хранения команд, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами конфигурируют один или несколько процессоров на выполнение следующих операций:7. A rock sample analysis system for determining one or more mechanical properties of a rock sample, the system including: an imaging device configured to generate a digital image volume representing the rock sample; and a computing device connected to the imaging device and including one or more processors; and one or more memory devices connected to one or more processors and configured to store instructions that, when executed by one or more processors, configure one or more processors to perform the following operations: сегментирования цифрового объема изображения, соответствующего одному или нескольким изо- 10 040615 бражениям образца горной породы, для идентификации твердой фазы цифрового объема изображения и соотнесения множества вокселов в цифровом объеме изображения с твердой фазой;segmenting the digital image volume corresponding to one or more images of the rock sample to identify the solid phase of the digital image volume and associating a plurality of voxels in the digital image volume with the solid phase; разбиения цифрового объема изображения для идентификации множества зерен твердой фазы и соотнесения указанного множества вокселов в цифровом объеме изображения с указанным множеством зерен;splitting the digital image volume to identify a plurality of grains of the solid phase and correlating the specified set of voxels in the digital image volume with the specified set of grains; определения вокселов из числа множества вокселов, которые соотносятся с разными зернами и примыкают друг к другу, для идентификации множества контактных сопряжений между каждой парой соседних зерен из числа указанного множества зерен;determining voxels from among the plurality of voxels that correspond to different grains and are adjacent to each other to identify a plurality of contact mates between each pair of adjacent grains from among said plurality of grains; определения площади контакта каждого из контактных сопряжений с использованием соседних вокселов на соответствующем контактном сопряжении;determining the contact area of each of the contact interfaces using neighboring voxels on the corresponding contact interface; определения для каждого контактного сопряжения радиуса окружности, площадь которой равна площади контакта соответствующего контактного сопряжения;determining for each contact mate the radius of a circle whose area is equal to the contact area of the corresponding contact mate; определения количества контактных сопряжений, которое каждое зерно из множества зерен имеет с каждым соседним зерном; и определения одного или нескольких механических свойств образца горной породы на основании количества контактных сопряжений каждого из множества зерен и радиуса окружности, соответствующей каждому из контактных сопряжений.determining the number of contact mates that each grain of the plurality of grains has with each neighboring grain; and determining one or more mechanical properties of the rock sample based on the number of contact mates of each of the plurality of grains and the radius of a circle corresponding to each of the contact mates. 8. Система по п.7, в которой, по меньшей мере, некоторые из множества контактных сопряжений представляют собой контактные сопряжения некруглой формы и в которой команды дополнительно конфигурируют один или несколько процессоров на выполнение следующей операции: определения площади контакта каждого из контактных сопряжений некруглой формы с использованием соседних вокселов в месте соответствующего контактного сопряжения некруглой формы.8. The system of claim 7, wherein at least some of the plurality of contact interfaces are non-circular contact interfaces, and wherein the instructions further configure one or more processors to perform the following operation: determining the contact area of each of the non-circular contact interfaces using neighboring voxels in the place of the corresponding contact interface of a non-circular shape. 9. Система по п.8, в которой одно или несколько механических свойств включают в себя модуль объемной упругости, модуль сдвига, модуль продольной упругости, коэффициент поперечной деформации, модуль Pwave, скорость Pwave или скорость Swave.9. The system of claim 8, wherein the one or more mechanical properties include a bulk modulus, a shear modulus, a modulus of elasticity, a shear modulus, a modulus Pwave, a velocity P w ave, or a velocity S w ave. 10. Система по п.8, в которой команды дополнительно конфигурируют один или несколько процессоров на вычисление контактной жесткости при сдвиге образца горной породы с использованием радиуса окружности, соответствующей каждому контактному сопряжению.10. The system of claim 8, wherein the instructions further configure one or more processors to calculate the shear contact stiffness of the rock sample using the radius of a circle corresponding to each contact interface. 11. Система по п.8, в которой команды дополнительно конфигурируют один или несколько процессоров на вычисление нормальной контактной жесткости образца горной породы с использованием радиуса окружности, соответствующей каждому контактному сопряжению.11. The system of claim 8, wherein the instructions further configure one or more processors to calculate the normal contact stiffness of the rock sample using the radius of a circle corresponding to each contact mate. 12. Энергонезависимый машиночитаемый носитель данных, в котором закодированы команды, которые при их исполнении инициируют выполнение одним или несколькими процессорами следующих стадий:12. A non-volatile computer-readable storage medium in which instructions are encoded, which, when executed, initiate the execution by one or more processors of the following stages: се гментирования цифрового объема изображения, соответствующего одному или нескольким изображениям образца горной породы, для идентификации твердой фазы цифрового объема изображения и соотнесения множества вокселов в цифровом объеме изображения с твердой фазой;segmenting the digital image volume corresponding to one or more images of the rock sample to identify the solid phase of the digital image volume and correlating a plurality of voxels in the digital image volume to the solid phase; ра збиения цифрового объема изображения для идентификации множества зерен твердой фазы и соотнесения указанного множества вокселов в цифровом объеме изображения с указанным множеством зерен;partitioning the digital image volume to identify a plurality of grains of the solid phase and correlating said plurality of voxels in the digital image volume with said plurality of grains; оп ределения вокселов из числа множества вокселов, которые соотносятся с разными зернами и примыкают друг к другу, для идентификации множества контактных сопряжений между каждой парой соседних зерен из числа указанного множества зерен;determining voxels from among the plurality of voxels that correspond to different grains and are adjacent to each other to identify a plurality of contact mates between each pair of adjacent grains from said plurality of grains; оп ределения площади контакта каждого из контактных сопряжений с использованием соседних вокселов на соответствующем контактном сопряжении;determining the contact area of each of the contact interfaces using neighboring voxels on the corresponding contact interface; определения количества контактных сопряжений, которое каждое зерно из множества зерен имеет с каждым соседним зерном; и оп ределения для каждого контактного сопряжения радиуса окружности, площадь которой равна площади контакта соответствующего контактного сопряжения;determining the number of contact mates that each grain of the plurality of grains has with each neighboring grain; and determining for each contact interface the radius of a circle whose area is equal to the contact area of the corresponding contact interface; определения одного или нескольких механических свойств образца горной породы на основании количества контактных сопряжений каждого из множества зерен и радиуса окружности, соответствующей каждому из контактных сопряжений.determining one or more mechanical properties of the rock sample based on the number of contact mates of each of the plurality of grains and the radius of the circle corresponding to each of the contact mates. 13. Машиночитаемый носитель данных по п.12, в котором, по меньшей мере, некоторые из множества контактных сопряжений представляют собой контактные сопряжения некруглой формы и в котором команды дополнительно конфигурируют один или несколько процессоров на выполнение следующей операции: определения площади контакта каждого из контактных сопряжений некруглой формы с использованием соседних вокселов в месте соответствующего контактного сопряжения некруглой формы.13. The computer-readable storage medium of claim 12, wherein at least some of the plurality of contact interfaces are non-circular contact interfaces, and wherein the instructions further configure one or more processors to perform the following operation: determining the contact area of each of the contact interfaces non-circular shape using adjacent voxels at the corresponding non-circular contact interface. 14. Машиночитаемый носитель данных по п.13, в котором одно или несколько механических свойств включает в себя модуль объемной упругости, модуль сдвига, модуль продольной упругости, коэффициент поперечной деформации, модуль Pwave, скорость Pwave или скорость Swave.14. The computer-readable storage medium of claim 13, wherein one or more of the mechanical properties includes a bulk modulus, a shear modulus, a modulus of elasticity, a transverse strain coefficient, a modulus Pwave, a velocity Pwave, or a velocity Swave. 15. Машиночитаемый носитель данных по п.13, в котором команды дополнительно конфигурируют один или несколько процессоров на вычисление контактной жесткости при сдвиге образца горной поро-15. The computer-readable storage medium of claim 13, wherein the instructions further configure one or more processors to calculate shear contact stiffness of the rock sample. --
EA202092519 2018-06-22 2019-06-20 SYSTEM AND METHOD FOR EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS USING MODELS OF INTERGRAIN CONTACT EA040615B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/688,912 2018-06-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA040615B1 true EA040615B1 (en) 2022-07-06

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9348056B2 (en) Image-based direct numerical simulation of petrophysical properties under simulated stress and strain conditions
US8583410B2 (en) Method for obtaining consistent and integrated physical properties of porous media
US8085974B2 (en) Method for determining elastic-wave attenuation of rock formations using computer tomograpic images thereof
US8081802B2 (en) Method for determining permeability of rock formation using computer tomograpic images thereof
CN109891460B (en) Direct numerical simulation of petrophysical properties of rock having two or more immiscible phases
US11982635B2 (en) Material properties from two-dimensional image
US9412023B1 (en) Method to determine wettability of rock samples using image analysis
US11009497B2 (en) Systems and methods for estimating mechanical properties of rocks using grain contact models
EA040615B1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS USING MODELS OF INTERGRAIN CONTACT
Mcdaniel Analyzing Porosity using Petrographic Imaging Methods: Key for Petrophysics
BR112015029284B1 (en) DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF PETROPHYSICAL PROPERTIES BASED ON IMAGES UNDER SIMULATED STRESS AND DEFORMATION CONDITIONS