用于巖石特性的直接數值模擬的樣本制備設備的制造方法
【專利摘要】一種樣本制備設備和使用這種設備制備巖石樣本的方法，該方法可以與巖石特性的數字數值模擬結合使用。本文公開的設備包括以可固定的方式安裝的金剛石線切割機。三個直線平移臺聯接到樣品保持器。所述平移臺中的一個平移臺使樣品在與切割線平面平行的方向上移動。其余兩個平移臺使樣品在彼此不同的方向上移動，并且在它們一起被致動時使樣品在離開切割線平面的方向上前進到線內而達到一段短的距離。在樣品中形成短的逐段的直線切割段，以提供具有小橫截面的期望形狀的樣本。
【專利說明】用于巖石特性的直接數值模擬的樣本制備設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]根據35U.S.C$119(e)，本申請要求2013年12月30日提交的臨時申請N0.61/921，797的優(yōu)先權，該臨時申請在此通過引用的方式并入。
[0003]關于聯邦政府贊助的研究或開發(fā)的聲明
[0004]不適用。
【背景技術】
[0005]本發(fā)明屬于材料樣本的物理特性的實驗室分析領域。本發(fā)明的實施例涉及用于獲得適合于高分辨率斷層成像和通過直接數值模擬進行分析的巖石樣本的設備和方法。
[0006]獲知地下巖層的材料特性對于評估地下油氣藏(hydrocarbon reservoirs)并制定關于所述油氣藏的開發(fā)策略是非常重要的。傳統(tǒng)上，對感興趣的巖層的樣本進行物理實驗室試驗以確定這些材料的特性，這種特性也被稱為物理或巖石物理特性。然而，這些試驗通常很耗時，且昂貴。例如，測量物理巖石樣本的某些特性需要該樣本的完全的水飽和，如果該巖石具有低透水性，這可能需要極長的時間。不僅不能及時地獲得結果，而且這些試驗必然在實驗期間占用實驗室設備，從而限制了樣本處理量(sample throughput)，并因此限制了在合理的時間內能夠測量的樣本數量。希望增強分析結果的及時性并因此加快開發(fā)周期，并且也增加所分析的樣本數量，以提高分析結果的統(tǒng)計可信度。
[0007]對來自巖石數字圖像的材料特性的直接數值模擬是近年來的一種用于確定巖石樣本的材料特性的技術。根據這種方法，先獲取巖石樣本的X射線斷層圖像，以產生代表該樣本的數字圖像體積(digital image volume)。然后，對該數字圖像體積施行計算實驗，以模擬能用來測量巖石的物理特性的物理機制?？衫弥苯訑抵的M來確定巖石的特性，例如孔隙率、絕對滲透率、相對滲透率、地層因數、彈性模量等。特別地，直接數值模擬能夠在比相應的物理測量所需的時間段明顯更短的時間段內評估不同巖石類型的材料特性，例如致密砂巖或碳酸鹽巖。另外，根據此技術，不長期占用試驗設備，因為計算機模擬軟件能夠立即施加與物理實驗類似的數值條件。
[0008]巖石樣本的斷層圖像的質量必然是評估材料特性時的精確度的一個重要因素。X射線斷層成像是基于入射能量被材料成分(例如，基質空間與孔隙空間，或巖石成分的差異)衰減的差異的檢測。為獲得對材料特性的精確評估，重要的是這些衰減值精確地代表了巖石的結構和材料。由于“射束硬化”或低能光子在不規(guī)則形狀的巖石樣本中的優(yōu)先吸收而導致的偽影使得降低該斷層圖像的精度。更具體地，由于所涉及的使X射線衰減的光吸收、散射和光電效應的機制，導致了射束硬化。由于低能X射線比高能X射線被這些機制的影響得更多，射束被稱為“硬化”，因為射束的平均能量在通過樣本時增大。樣本的形狀可能導致這種射束硬化隨著樣本內的位置而變化。如果樣本的橫截面是規(guī)則形狀的(例如圓形)，那么，對衰減數據的后處理容易補償這些不均勻的射束硬化的影響。然而，如果樣本具有不規(guī)則的橫截面或具有可變的厚度(例如，多邊形橫截面)，這種后處理將更困難(即使不是不可能)。如果射束硬化未被正確地補償，則所述數字圖像體積可能未精確地代表巖石的材料特性。
[0009]影響斷層圖像質量的另一個因素是圖像的分辨率，S卩，通過成像而能夠辨認的最小細節(jié)部分的尺寸。圖像分辨率由采集系統(tǒng)的部件的特性及它們相對于樣本的空間構造來控制。樣本橫截面尺寸影響圖像分辨率，因為最小體素尺寸(voxel size)對應于所采集的圖像的最長側向尺寸(longest lateral dimens1n)除以代表該最長側向尺寸的檢測器像素的數量。因此，其中最長側向尺寸相對小(例如，2mm)的樣本能夠以較高的圖像分辨率或較小的體素尺寸被成像。還重要的是使圖像體積“視場”最大化，以在全光照下(即，樣本始終維持在檢測器的視場內)覆蓋巖石的最大可能的體積。
[0010]考慮到所有這些因素，已經發(fā)現:具有相對小的直徑(例如，2至3mm量級)的圓柱形巖石樣本提供了獲得高質量斷層圖像以使用現代技術進行直接數值模擬的、最佳的橫截面形狀和尺寸。這些小的圓柱形樣本提供了使得射束硬化最小且可修正的規(guī)則形狀的橫截面、用于提高分辨率的更小尺寸的體素、以及在全光照下的良好視場。
[0011]另外，該圓柱形樣本在軸向尺寸上的長度也被證明是重要的。已經發(fā)現:該樣本的最長可能的軸向延伸使得由螺旋圖像采集系統(tǒng)連續(xù)成像的材料的體積最大化，并且也節(jié)約了制備樣本和放置標準(圓形)圖像采集系統(tǒng)幾何結構所需的時間。對于粗顆粒的非均質巖石的情形，被成像的材料的體積尤其應該被最大化，以獲得在統(tǒng)計上代表了從中獲取了該樣本的巖層的成像體積。
[0012]組合地考慮到這些因素，具有小橫截面(例如，小于3mm)和相對長的軸向長度(例如大于1mm)的圓柱形巖石樣本是使用常規(guī)的圖像采集系統(tǒng)進行用于直接數值模擬的斷層成像所希望的。滿足這些幾何要求需要從較大樣本(例如，巖芯樣本、鉆井巖肩等)切割隨后要被成像的樣本，該較大樣本本身是從感興趣的地下巖層中獲得的。
[0013]除了這些幾何要求外，精確的直接數值模擬要求在要成像的樣本中保持被采樣的巖層的材料的完整性。更確切地說，樣本的制備不應當從樣本體積的邊緣去除顆粒材料、在顆?；蚧|中產生之前不存在的斷裂、使樣本周緣處的顆粒松脫、或者以其他方式改變顆粒形狀或孔隙空間特性。這要求整潔地、直接地且非破壞性地通過巖石的單獨顆粒進行切割。
[0014]通常，通過用中空的鉆頭(通常稱為“取芯鉆頭”)進行鉆孔來執(zhí)行對一定體積的巖石的取芯以獲得適合于成像的小的圓柱形樣本。已經發(fā)現，這種取芯技術適合于從某些類型的巖石可靠地獲得小至4_直徑的樣本。然而，對于更小的直徑，這種方法趨向于使巖石的顆粒剝落或斷裂，這就破壞了樣本。另外，以這種方式取芯已被證明不適合于特定的巖石類型，特別是包含并非高度堅固的顆?；虺练e材料的巖石。
[0015]常規(guī)的取芯鉆頭在所獲得的細圓柱形樣本的軸向長度方面也是有限的。典型地，可通過取芯鉆頭獲得的3mm巖芯樣本的最大軸向長度在5mm的量級上。如上文所述，希望獲得明顯長于5_的用于成像的樣本，特別是與螺旋圖像采集系統(tǒng)一起使用時。
[0016]另一種制備用于直接數值模擬中的斷層成像的樣本的常規(guī)方法是用金剛石盤鋸切割巖石。這種方法能夠獲得沿著軸向尺寸具有小橫截面的相對長的樣本，其中，該樣本在其切割邊緣處具有最小的剝落。但由于盤鋸僅能夠沿著二維平面切割，所制備的樣本將具有矩形橫截面，考慮到入射的能量在樣本內行進的非均勻距離，這造成了由于對射束硬化的補償而導致的被成像的體積的明顯損失。例如，從平行六面體樣本中獲得的圖像體積僅包含可從類似尺寸的圓柱形樣本中獲得的體素的大約60%。平行六面體樣本形狀導致的其他缺點包括:樣本與流動單元或壓力單元的比較差的相容性、以及不能執(zhí)行“感興趣區(qū)”(ROI)評估。
[0017]作為進一步的【背景技術】，使用金剛石線鋸來制備用于顯微鏡檢查的樣本在現有技術中是已知的。常規(guī)的金剛石線鋸的一個例子使用了細的不銹鋼絲，在所述不銹鋼絲上嵌入了不同顆粒尺寸的工業(yè)金剛石。其切割運動可以是往復式的，或者僅在一個方向上。這些常規(guī)的金剛石線鋸的例子包括可從Well Diamond Wire Saws，Inc.購得的金剛石線鋸。

【發(fā)明內容】

[0018]本發(fā)明的實施例提供了一種用于獲得與斷層成像一起使用的具有極小橫截面直徑的圓柱形巖石樣本的設備和方法。
[0019]本發(fā)明的實施例提供了能夠從各種巖石類型中獲得此樣本而不明顯降低樣本的材料完整性的設備和方法。
[0020]本發(fā)明的實施例提供了能夠從堅固性差的巖石中獲得此樣本而不需要環(huán)氧樹脂浸漬和類似技術來維持結構完整性的設備和方法。
[0021]本發(fā)明的實施例提供了能夠獲得具有多種橫截面形狀(包括圓柱形、矩形和多邊形橫截面)中的任一種橫截面形狀的樣本的設備和方法。
[0022]通過參考以下說明及附圖，本領域普通技術人員將會明白本發(fā)明的實施例的其他目的和優(yōu)點。
[0023]本發(fā)明的實施例可實施為線切割機設備，其包括:工作臺；線供應鼓和引導輥，該引導輥與所述線供應鼓豎直地間隔開，且所述線供應鼓和引導輥具有彼此平行的軸線；切割線，該切割線圍繞所述線供應鼓和引導輥纏繞，并且從線供應鼓圍繞引導輥延伸并返回到線供應鼓，使得所述切割線的在線供應鼓和引導輥之間延伸的彼此平行的分段限定了切割平面;保持器，該保持器用于保持要被所述切割線切割的材料的樣品；以及多個平移臺，所述多個平移臺能夠相對于所述工作臺移動。所述多個平移臺包括:進給平移臺，該進給平移臺聯接到所述保持器，并能夠在與所述切割平面大致平行的進給方向上移動;第一平移臺，該第一平移臺聯接到所述保持器，并能夠在與所述進給方向成角度的第一方向上移動；和第二平移臺，該第二平移臺聯接到所述保持器，并能夠在與所述進給方向成角度的第二方向上移動。
[0024]本發(fā)明的實施例也可實施為一種切割巖石樣本的方法，該方法包括:操作線鋸，以使切割線從線供應鼓圍繞引導輥前進，其中，該切割線的前進分段和返回分段在線供應鼓和引導輥之間延伸且限定了切割平面;切割出從巖石樣品的邊緣到開始點的路徑;然后致動第一平移臺和第二平移臺中的任一個或二者，以使樣品在與切割平面不平行的方向上直線前進。在使樣品在與切割平面不平行的方向上直線前進之后，該方法然后還包括:停止樣品的前進，直至切割線大致變直；以及，重復所述致動步驟和停止步驟多次，以在樣品中切割出限定了樣本周緣的封閉圖形。然后，可沿著上述路徑撤回所述樣品。
【附圖說明】
[0025]圖1是根據本發(fā)明的一個實施例構造的樣本制備設備的立視圖。
[0026]圖2是根據本發(fā)明的此實施例的、圖1的設備的平移臺和樣品保持器的透視圖。
[0027]圖3是根據本發(fā)明的此實施例構造的樣本制備設備的俯視圖。
[0028]圖4是示出了根據本發(fā)明的一個實施例的制備樣本的方法的流程圖。
[0029]圖5a至圖5e是根據本發(fā)明的此實施例的、示出了處于圖4中的方法的各個階段的樣品和圖1的設備的切割線子系統(tǒng)的示意圖。
[0030]圖5f是根據本發(fā)明的此實施例的、處于圖4中的方法的一個階段的從較大樣品上切割的樣本的周緣的示意性俯視圖。
[0031 ]圖6是示出了根據本發(fā)明的一個實施例的巖石樣本的分析方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0032]將結合本發(fā)明的實施例(S卩，被實施為制備巖石樣本的設備和方法的實施例)來描述本發(fā)明，該巖石樣本用于對從其獲得該樣本的巖石的特性進行數值模擬分析，如所認識到的，本發(fā)明在這種應用中將特別有益。然而，應認識到的是，在除了本說明書中描述的以外的其他應用中，本發(fā)明也將是有用且有益的。因此，應當理解，下文的描述僅作為示例給出，并非旨在限制本發(fā)明所要求保護的真實范圍。
[0033]如上文結合【背景技術】所討論的，本發(fā)明的實施例涉及獲取巖石樣本并通過直接數值模擬對它們進行分析。因此，可以理解的是，在油氣勘探和開采中非常重要的、從地下巖層中獲取巖石樣本方面，本發(fā)明的實施例將特別有益。更具體地，將從其獲取樣本的巖石被認為對應于通過陸地或海洋鉆井系統(tǒng)到達的巖層，所述鉆井系統(tǒng)例如用于從這些巖層中獲取例如油氣(石油、天然氣等)、水等。在現有技術中關鍵的是，油氣開采操作的優(yōu)化很大程度上受到這些地下巖層的結構和物理特性的影響。根據本發(fā)明的實施例獲得的樣本在了解這些巖層屬性方面是有用的。
[0034]如從下文的描述中所顯見的，本發(fā)明的實施例更具體地涉及從先前從地下取回的所感興趣的較大巖石樣本中獲取小的巖石樣本。為簡潔起見，在本說明書中，這些較大的巖石樣本將被稱為“樣品”，而從這些樣品中獲得的小的巖石樣本將被稱為“樣本”。對術語“樣品”和“樣本”的區(qū)分并不意圖于特定的意義;而是，使用這種分開的術語僅旨在區(qū)分根據本發(fā)明從較大樣本中獲得的小樣本，從該較大樣本中獲得這些小樣本。
[0035]常規(guī)的金剛石線切割機用于制備樣本，包括被獲取以進行巖石物理特性分析的巖石樣本。這種常規(guī)的金剛石線切割機的一個例子是可從Well Diamond Wire Saws ,Inc.購得的3242Diamond Wire Cutter (金剛石線切割機)。然而，已經發(fā)現，與本發(fā)明相結合地，諸如3242Diamond Wire Cutter的這種常規(guī)的線切割機不能容易地沿著彎曲路徑進行切割，這種彎曲路徑對于圓柱形樣本(尤其是具有小的(<10_)橫截面直徑的樣本)的制備是必需的。此局限性的一個原因是:切割線在這些常規(guī)切割機中的布置(通常在線供應鼓和引導輥之間豎直行進)不允許剪力被施加到切割線。在這種常規(guī)的線切割機中，這些剪力可能導致切割線變得卡在工件中，或變得從引導輥脫位。另外，由于金剛石切割線在切割期間彎曲，其曲率對應于所施加的力并且也對應于工件材料的加工長度，所以，僅能在一個方向(SP，進給方向)上獲得均勾切割。諸如3242Diamond Wire Cutter的這些常規(guī)的金剛石線切割機也僅提供了切割線相對于工件的移動方面的單個自由度。例如，3242Diamond Wire Cutter維持工件的固定位置，其中唯一允許的移動是切割線朝著工件和離開工件的移動。由該常規(guī)的金剛石線切割機提供的這種單個自由度必然導致單向的切割。
[0036]圖1示出了根據本發(fā)明的一個實施例的樣本制備設備10的構造。如從以下描述中將變得顯而易見的，樣本制備設備10能夠從所感興趣的較大巖石樣品中獲取具有期望的橫截面的小樣本，所述期望的橫截面典型地為圓形，但也可以是其他形狀，例如多邊形。可以想到的是，從地下獲取巖石樣品的方式以及這些樣品的物理形式可以廣泛地變化。與本發(fā)明的實施例一起使用的巖石樣品的例子包括整巖芯樣本、井孔壁巖芯樣本、露頭樣本(outcrop sample)、鉆井巖肩、以及實驗室產生的合成巖石樣本，例如填砂模型和填水泥模型。
[0037]在圖1所示的本發(fā)明的此實施例中，樣本制備設備10包括:工作臺11，該工作臺11為設備10的其他部件提供了穩(wěn)定的基座。線供應鼓12經由其馬達機殼IlM安裝到工作臺11且由馬達驅動而圍繞線供應鼓12的軸線旋轉。在此實施例中，引導輥14在線供應鼓12下方的豎直位置處安裝到工作臺11，其中，引導輥14的軸線平行于線供應鼓12的軸線。如圖所示，金剛石切割線13圍繞線供應鼓12纏繞，再圍繞引導輥14纏繞，然后回到線供應鼓12。弓丨導輥14相對于線供應鼓12的豎直位置可以是可調的，從而提供一種張緊裝置以維持切割線13中的期望的張緊度。常規(guī)構造的切割線13(例如鑲有金剛石的具有約60微米粒度和約300微米直徑的切割線)適合于感興趣的典型巖石的樣本制備；當然，切割線的所述粒度和直徑可根據樣本材料而變化。
[0038]設備10中的工作臺11、線供應鼓12和引導輥14是與常規(guī)的金剛石線切割機(例如3242Diamond Wire Cutter)中提供的類似的部件，。根據本發(fā)明的實施例，馬達機殼IIM可與工作臺11成一體，或替代地，馬達機殼IIM可以是附接到工作臺11的一個單獨模塊。在3242Diamond Wire Cutter的常規(guī)操作中，其馬達機殼相對于其工作臺移動，以使切割線前進到樣品。然而，根據本發(fā)明的實施例，如果馬達機殼IlM是一個單獨模塊，則馬達機殼IlM在固定的位置上通過帽螺釘23和支架25安裝到工作臺11，如圖1所示；另一對帽螺釘23和另一個支架25也存在于該圖1中的馬達機殼IIM的另一側。由于馬達機殼IIM相對于工作臺11處于固定位置，線供應鼓12和引導輥14(因此，切割線13)也相對于工作臺11處于固定位置。
[0039]與此相反，根據本發(fā)明的實施例，設備10被構造成使得從其中切出巖石樣本的工件(即，圖1的樣品15)能夠相對于被維持在固定位置處的切割線13以多個自由度移動。在圖1所示的設備10中，可沿著定位臺21中的軌道來調整該定位臺21在工作臺11上的位置，然后可通過固定螺釘22將其固定到位。在任一種情況中，可以想到，一旦被調整和設定后，定位臺21將在樣本制備期間相對于工作臺11保持固定到位。
[0040]根據本發(fā)明的此實施例，三個直線平移臺18、19、20聯接到定位臺21。更具體地，在此示例中，直線平移臺18、19、20是以彼此疊置的方式安裝的模塊化定位臺。如圖1中大致示出并在圖2中更詳細示出的，y平移臺18安裝到定位臺21，x平移臺19安裝到y(tǒng)平移臺18，且f平移臺21安裝到X平移臺19。
[0041 ]在本發(fā)明的此實施例中，直線平移臺18、19、20是本領域中已知的常規(guī)直線平移臺。例如，平移臺18、19、20中的每一個均可構造成具有臺本體，該臺本體能夠(例如通過螺栓)安裝到固定的板，且具有可在致動器的控制下、在單個方向上沿著軌道或導軌移動的載架。圖2和圖3示出了分別聯接到平移臺18、19、20的微分頭式致動器(micrometeractuator) 18a、19a、20a。在圖2和圖3中，每個平移臺18、19、20提供的行進方向分別由“y”、“X”和“f”箭頭表示。適合用作平移臺18、19、20的、合適的直線平移臺的一個例子是可從Newport Spectra-Physics,Ltd.購得的、具有BM17.51微分頭式致動器的M-UMR8.51手動平移臺。
[0042 ]對于如圖1和圖2中所示且如上所述的模塊化的平移臺18、19、20的示例，y平移臺18的臺本體通過螺栓等固定到定位板21，使得y平移臺18的載架相對于y平移臺18的臺本體(且因此相對于定位板21)的移動將如圖2所示地沿著y方向。在此示例中，X平移臺19的臺本體通過螺栓等固定到y(tǒng)平移臺18的載架，使得X平移臺19的載架相對于X平移臺19的臺本體(且因此相對于y平移臺18的載架)的移動將如圖2所示地沿著X方向。在此示例中，L形板26安裝到X平移臺19的載架，且f平移臺20的臺本體通過螺栓27安裝到板26，使得f平移臺20垂直于平移臺18、19安裝。f平移臺20的載架相對于f平移臺20的臺本體(且因此相對于X平移臺19的載架)的移動將如圖2所示地沿著f方向。
[0043]在此實施例中，如上文所述和下文中將描述的，引導輥14與線供應鼓12豎直地間隔開，使得切割線13在線供應鼓12和引導輥14之間的路徑是大致豎直的；在這種布置中，X平移臺19、y平移臺18和f平移臺20的行進方向都處在水平面內，該水平面豎直于由切割線13的豎直路徑限定的切割平面。然而，還可以想到的是，引導輥14可以與線供應鼓12在除了豎直方向以外的方向上間隔開。例如，引導輥14可安裝成使得切割線13的路徑在水平路徑上行進。在此情況中，X平移臺19、y平移臺18和f平移臺20將相應地旋轉，從而它們各自的行進方向將處在與水平面垂直的豎直平面內。當然，與此實施例相結合，也可以想到除了豎直和水平定向以外的其他定向。
[0044]也可以想到的是，可替代地使用其他類型的平移臺，包括整體式平移臺，用于取代模塊化平移臺18、19、20中的兩個或更多個。替代地，平移臺18、19、20中的一個或多個可設有電動致動器，以代替如圖所示的微分頭式致動器18a、20a。根據其中致動器18a、19a、20a是電動致動器的此替代解決方案，可以想到的是，樣本制備設備10在必要時也可包括計算機或其他可編程控制器，該計算機或其他可編程控制器能夠根據預編程的序列來控制這些致動器18a、19a、20a，以使從樣品15切割樣本以一致且可重復的方式自動化。在此實施例中，x平移臺19和y平移臺18彼此垂直，這樣，X平移臺19和y平移臺18具有可在彼此大致垂直的方向上移動的載架，因為這種布置被認為將便于有效的控制;進一步可想到的是，如果必要，可以使這些平移臺以除了彼此垂直以外的角度定向。
[0045]在本發(fā)明的此實施例中，樣品15(如圖1所示)由樣品保持器16保持，該樣品保持器16通過豎直調整板17和支架結構28安裝到f平移臺20。樣品保持器16被構思為包括顎部或其他類型的夾緊結構，以在切割過程中牢固地保持該樣品15。豎直調整板17允許調整樣品保持器16的豎直位置，且因此允許調整樣品15的豎直位置。在本發(fā)明的此實施例中，樣品保持器16到f平移臺20的固定聯接以及這些平移臺18、19、20的堆疊布置允許這些平移臺18、
19、20中的一個或多個的平移，以實現樣品15在相應方向上的移動。
[0046]如圖3的俯視圖與圖1和圖2相結合地示出的，f平移臺20的平移的f方向被構思為大致平行于切割平面，該切割平面由從線供應鼓12圍繞引導輥14延伸并返回的切割線13所遵循的兩個路徑限定。根據本發(fā)明的此實施例，如下文中將進一步詳細描述的，樣品15沿著f方向的平移用于使樣品15朝著線13前進以及用于將樣品15從線13撤回。在該切割過程的其余階段期間，尤其是在切割封閉圖形以形成從樣品15切出的樣本過程中，樣品15的平移將由X平移臺19和y平移臺18控制。
[0047]根據本發(fā)明的此實施例，設備10提供了在X和y方向上的自由度，這使得能夠從巖石樣品中切割各種任意橫截面形狀的樣本。并且，如下文中將詳細描述的，根據本發(fā)明實施例的設備10的操作使得能夠切割具有非常小的橫截面直徑的樣本，因此減小了成像體積內的體素的尺寸，這提高了通過直接數值模擬獲得的材料性質評估的精確度。
[0048]現在與圖5a至5e的示意圖相結合地參考圖4，現在將描述根據本發(fā)明實施例的設備10從巖石的樣品中制備樣本的操作。如上所述，可通過多種常規(guī)方式中的任一種來獲取樣品15。在油氣工業(yè)中，將典型地從勘探井或開采井的鉆井過程中獲得樣品15，這樣，樣品15也可來自整巖芯樣本、井孔壁巖芯樣本、露頭樣本、和鉆井巖肩；替代地，樣品15可出自實驗室產生的合成巖石樣本，例如填砂模型和填水泥模型。根據本發(fā)明的實施例，構成樣品15的巖石的屬性可處于非常寬的范圍內，包括較不堅固且結構上較不穩(wěn)定的材料，例如砂巖、粘土和并非高度堅固的其他顆?；虺练e材料。
[0049]在本發(fā)明的此實施例中，樣本制備過程200開始于步驟30，在該步驟30中，將樣品15放置在樣品保持器16中并由樣品保持器16保持。對于樣品保持器16包括一對顎部的示例，步驟30包括將樣品15固定在這些顎部中。在許多情況下，希望從樣品15中切出圓柱形樣本，在此情形中，希望樣品15具有平坦的頂表面和底表面，并具有與要取回的樣本的期望長度相對應的厚度。如圖5a中所示，樣品15可具有圓柱形形狀(S卩，圓盤形)，如從鉆井過程中獲得的所制備的巖芯樣本的典型情況。
[0050]—旦放置在樣品保持器16中，則在步驟32中將樣本15定位并定向在切割線13的期望位置處，如圖5a所示。通過豎直調整板17來調整樣品15的豎直位置。對于圓盤形樣品15的情況，其平坦表面將最佳地定向成垂直于切割線13，以產生圓柱形樣本。在步驟34中，將f平移臺20對齊，使得f平移臺20的移動將平行于由切割線13限定的切割平面。參考圖5a，切割線13被示出為具有兩個豎直分段13d、13u，從線供應鼓12圍繞在線供應鼓12下方豎直地間隔開的引導輥14延伸并返回，其中，這兩個豎直分段13d、13u彼此大致平行，從而限定了在本說明書中被稱為切割平面的平面。在此示例中，馬達IlM運行，使得切割線13的切割運動是往復式的，如線鋸的典型情況。替代地，如果必要，輥14可被第二線供應鼓替代。在上文所述的設備10的示例中，想到的是，通過使定位板21 (平移臺18、19、20安裝到該定位板21)相對于工作臺11移動并通過擰緊固定螺釘22而將定位板21固定到位，來完成f平移臺20在步驟34中的對齊。通過f平移臺20的正確對齊而使得其平移平行于切割平面，確?？梢詫悠?5切割成期望的長度而不在線分段13d上施加剪力。對齊步驟34最佳地將樣品15放置得盡可能地靠近線分段13d，使得f平移臺20的行程范圍的大部分都將處在樣品15內；這對于平移臺18、19的致動器18a、19a也都是有益的，以便最初設定在致動器18a、19a的中間值處，從而每個致動器能夠在任一方向上發(fā)揮最大行程。
[0051 ]在步驟36中，(通過致動器20a)將f平移臺20致動，以使樣品15朝著并抵接著切割線分段13d前進。樣品15的這種僅在f方向上的平移使線分段13d如圖5b所示地彎曲，但該彎曲處在由線分段13d、13u限定的切割平面內，這樣，在切割線13上施加了最小剪力。如此，如果必要，步驟36中的切割可以“不?！钡貓?zhí)行。在任何情況下，步驟36持續(xù)進行，直至在樣品15中切割出了具有期望長度的路徑。更具體地，可以想到的是，此路徑將從樣品15的周緣延伸至樣品15內的如下的點:在該點處，要切割的樣本的周緣將開始。
[0052]在步驟36之后，在步驟38中開始從樣品15切割出樣本的周緣，這通過以下方式實現:致動所述致動器18a、19a中的一個或兩個，以根據期望的樣本周緣使X平移臺18和y平移臺19中的任一個或二者分別移動一段短的距離并因此使樣品15—段短的距離。根據本發(fā)明的實施例，通過X平移臺18和y平移臺19中的任一個或二者產生的平移通常將不在由線分段13d、13u限定的f方向切割平面內，這樣，剪力將施加到線分段13d上。然而，通過限制樣品15在步驟38中的移動的距離和速度，這些剪力的影響被最小化。例如，步驟38中的平移距離非常短，例如，對于基于上述型號3242Diamond Wire Cutter的設備10的例子來說，該平移距離不超過約100微米。切割線13從線供應鼓12的進給速度將取決于多個因數，包括樣品15的成分、切割線13的厚度、樣品15每次移動的平移距離等。例如，直徑約100微米的切割線13能夠以最高約50微米/秒的速度被進給，以切割砂巖樣品15。更粗的切割線13可以允許更高的最大進給速度。在任何情況中，可以想到的時，已參考了本說明書的本領域普通技術人員將能夠容易地確定合適的進給速度以及切割線類型和直徑。這些對于最大平移距離和最大線進給速度的限制將限制線分段13d相對于豎直方向的彎曲，并因此限制剪力。
[0053]在步驟38中的短距平移之后，在步驟40中，使樣品15的移動至少停止一段最短的時間，以允許切割線分段13d返回到直的定向。在步驟40的此等待時間期間，切割線分段13d發(fā)揮作用，以沿著步驟38中的平移長度從樣品15去除材料，從而使其變直，在此布置中，這導致切割線分段13d返回到豎直狀態(tài)?？梢韵氲降氖?，對于油氣領域中的大多數感興趣的巖石材料，使切割線分段13d大致變直的步驟40中的等待時間將大約為至少約3秒到最多約5秒。如果樣品15已被環(huán)氧樹脂浸漬以減少損壞(如傳統(tǒng)上對不太堅固的樣本的介質所采取的行為)，則此等待時間可能遠遠更長，例如長到數分鐘。已經發(fā)現，等待步驟40不僅有益于維持切割線13的健康，而且導致直著切穿樣品15的深度，并因此導致對最終將移走的樣本的形狀的良好控制。在此等待時間的結束時，平移步驟38和等待步驟40將共同導致在樣品15中的短直線距離的切割。
[0054]在判定步驟41中，使用者確定從樣品15切出的樣本的周緣是否已完成，這通過最近一次直線切割已完成樣品15內的封閉圖形來確定。如果為否(判定步驟41為“否”)，則通過短距離地致動X平移臺18和y平移臺19中的任一個或二者來重復步驟38。為了在樣品15中切割出一個大致的圓，每個相繼的平移過程48的方向將在與先前的方向不同的方向上。替代地，根據本發(fā)明實施例的設備10及其操作也可用于切割多邊形橫截面，在此情況中，步驟38中的下一個平移可與先前的平移在相同方向上。然后，再次執(zhí)行等待步驟40，以允許線分段13d進行切割并去除材料，從而變直而返回到豎直狀態(tài)。然后重復這些步驟38、40，直到在判定步驟41中確定已切割出樣本的完整周緣。
[0055]圖5c示意性地示出了根據本發(fā)明實施例的在通過重復的步驟38、40進行的多個逐段的直線切割之后的樣品15。在圖5c所示的過程的階段中，切割線13已限定了圓形橫截面的一部分。圖5f以俯視圖更詳細地示出了樣本的這種局部切割。如圖5f所示，在步驟36中切割出了從樣品15的外表面到點51的路徑50。步驟38、40中的小的直線切割從點51以切割段52:開始，然后重復進行以形成切割段522、523，且在此示例中沿逆時針方向繼續(xù)進行。(強調每個切割段52的結束點僅是為了說明，但實際上在樣品15中不存在這種結束點)。
[0056]如圖4所示，如果必要的話，可在通過步驟38、40形成的重復的直線切割期間的一個或多個點上執(zhí)行可選的粘合步驟42。在步驟42中，例如在已切割出該周緣的大約四分之三之后，將粘合劑沿著已切割出的樣本的周緣的一部分涂覆，以防止該樣本在切割完成之后掉落。在步驟42中涂覆的該粘合劑的存在也確保了樣本被從樣品15完整地切割出，而非在周緣切割接近完成時過早地從樣品15斷掉。
[0057]根據本發(fā)明的實施例，重復的步驟38、40繼續(xù)以相同的方式形成切割段52，直至在返回到點51時形成一個封閉圖形，如通過判定步驟41所確定的。圖5d中示出了所述過程的此階段，其中，樣本S具有通過由直線切割段52的序列形成的封閉圖形所限定的周緣。在此示例中，由于每個切割段52均相當短，例如不長于約100微米，所以，切割段52的序列是圓54的良好近似，這從圓盤形樣品15中產生了圓柱形樣本。例如，可以想到的是，約60個100微米的切割段將切割直徑約為2mm的圓，這在斷層成像和數字數值模擬的情形中是非常有用的。
[0058]當通過步驟38、40完成重復的直線切割(判定步驟41返回“是”的結果)時，在X方向和y方向上的平移停止。在圖5f的示例中，線分段13d此刻位于點51處。然后，執(zhí)行步驟44以將樣品15(帶有樣本S)從切割線13撤回，這通過在與切割平面平行的方向上(在與步驟36中的方向相反的方向上)致動所述f平移臺20來進行。可以想到的是，在步驟44中通常將發(fā)生很少或不發(fā)生對樣品15的另外切割。
[0059]在步驟44之后，然后在步驟46中將樣本S從樣品15中移除，例如通過去除在步驟42中涂覆的粘合劑(如果存在)，或通過將樣本S從樣品15中推走。圖5e示意性地示出了在步驟44中將樣品15從切割線分段13d撤回之后從樣品15中移除樣本S的情形。樣品15可以在移除步驟46之前或之后從樣品保持器16中移除。替代地，樣品15可重新定位在樣品保持器16中(其中，如果必要的話，樣本S通過粘合劑保留在樣品15內)，并且，如果要從該同一樣品15中切割出另一個樣本，則重復上述樣本制備過程200。
[0060]根據本發(fā)明的上述實施例(其中，在步驟36中通過f平移臺20使樣品15在與線分段13d、13u的切割平面平行的f方向上前進)，能夠使總的切割時間最少，因為對樣品15的從其邊緣到開始點51的切割能夠在不停止的情況下連續(xù)進行。替代地，可沿著在與切割平面不平行的方向上延伸的路徑將樣品15從其邊緣切割到開始點51，這通過一系列短的逐段的直線切割來進行，這些直線切割通過所述平移臺18、19的彼此間隔開一段等待時間的分別在y方向和X方向上的平移來執(zhí)行(如步驟38和40中所執(zhí)行的)，以切割出樣本的周緣。對于特定的樣本幾何形狀或者應避開樣品15的特定部分時，這種不平行的方案可以是有益的。
[0061]如上所述，樣本制備設備10可構造為包括計算機或其他可編程控制器，該計算機或其他可編程控制器控制所述致動器18a、19a、20a運行以移動樣品15的次序。這種自動進行樣本制備的方案可特別有益于確保在所述逐段的切割中的一次切割之后但在開始下一次切割之前經過了適當的等待時間。與這種自動的實施方案相結合，還可以想到的是，也可以將傳感器應用到樣本制備設備10內，以例如在樣品15的平移之后檢測所述線13d返回到豎直狀態(tài)的時間，在此之后，可開始樣品15的在下一個切割方向上的平移。
[0062]現在參考圖6，將描述使用數字數值模擬從根據本發(fā)明的實施例制備的樣本中評估材料特性的總過程。該評估過程開始于樣本制備過程200，該樣本制備過程200以根據本發(fā)明實施例的在上文中參照圖4和圖5a至圖5f描述的方式執(zhí)行，以產生用于成像的一個或多個巖石樣本。
[0063]在步驟202中，成像系統(tǒng)獲得了在過程200中制備的巖石樣本的二維(2D)或三維(3D)圖像或其他適當的圖像表示。在步驟202中獲得的這些圖像和表示包括樣本的內部結構的細節(jié)。在步驟202中使用的成像裝置的一個例子是X射線計算機斷層成像(CT)掃描器，其類型、構造或其他屬性對應于能夠產生代表具有期望的分辨率的樣本的內部結構的圖像的多個X射線裝置中的任一個。例如，可獲得該樣本的多個二維(2D)截面圖像并將所述截面圖像提供給計算裝置，該計算裝置然后構建與該樣本對應的三維(3D)數字圖像體積。適合于執(zhí)行這種構建和隨后的分析的常規(guī)計算裝置可以是多種常規(guī)計算機中的任一種，例如具有足夠的計算能力來執(zhí)行期望的操作的臺式計算機或工作站、筆記本計算機、服務器計算機、平板計算機等。
[0064]用于在步驟202中獲取并處理該樣本的3D數字圖像體積的具體常規(guī)技術包括(但不限于)X射線斷層成像、X射線微斷層成像、X射線納米斷層成像、Focused 1n BeamScanning Electron Microscopy(聚焦離子束掃描電子顯微鏡)和Nuclear MagneticResonance (核磁共振)。
[0065]此圖像體積通常由被稱為體積元素或更通常地稱為“體素”的3D規(guī)則元素代表，每個體素具有相關的數字值或幅值，其代表了被成像的樣本在被代表的介質的此位置處的相對材料特性。在步驟210中，所述計算裝置對樣本的數字圖像體積執(zhí)行圖像分割技術或其他圖像增強技術，以在該圖像體積內區(qū)分和標記不同的部分。例如，分割步驟210可識別重要的彈性成分，例如可能影響樣本的彈性特性的礦物成分(例如，粘土和石英)和孔隙空間。分割步驟210可被執(zhí)行，以識別代表了例如孔隙空間、粘土粒級、粒間接觸以及個體晶粒和礦物的材料組分的不止兩個重要的彈性相(elastic phases)。該計算裝置在步驟210中使用的特定切割算法可根據所期望的分析而變化;典型地，應用某些類型的“閾值”，以將具有類似幅值的體素彼此分組。常規(guī)的用于增強圖像體積、降低噪聲等的圖像處理可包括在步驟210中，如現有技術中已知的。
[0066]在步驟220中，計算裝置然后執(zhí)行數字數值模擬，以分析該樣本的一個或多個物理特性，這典型地通過對帶有閾值的數字圖像體積進行數值分析來進行?？稍诓襟E220中確定的特性包括巖石的體積彈性特性。在油氣勘探和開采的情形中，可在步驟220中確定所感興趣的巖石物理特性，例如孔隙率、滲透率、地層因數、滲透率、相對滲透率、導電率、進汞毛細管壓力等?？衫盟鸩叫纬傻目紫犊臻g的適當的離散化或網格、與適當的數值模擬(例如單相流體流的直接數值模擬)相結合來評估這些巖石物理特性，以計算絕對滲透率。在步驟220中確定這些巖石物理特性中的某些巖石物理特性也可能要求使用有限元法、有限差分法、有限體積法、格子Boltzmann方法、或其他數值方法的任何變型而進行的數值模擬。
[0067]根據本發(fā)明實施例的制備巖石樣本的方法和用于實現這種制備的設備提供了重要的益處和優(yōu)點，特別是對于要進行X射線斷層成像以進行直接數值模擬的樣本來說。本發(fā)明的實施例使得能夠制備具有極小橫截面直徑(例如3mm或更小的直徑)的圓柱形巖石樣本，這允許極高分辨率的斷層成像，它是分辨精細結構細節(jié)所必需的。能夠在不明顯地破壞材料的完整性或孔隙結構的情況下從大范圍的各種巖石類型(包括較不堅固或易碎的巖石)獲得這些樣本。另外，本發(fā)明的實施例提供了樣本制備過程中的靈活性，從而能夠切割出具有多個橫截面形狀(包括圓形、矩形和多邊形橫截面形狀)中的任一種橫截面形狀的樣本。
[0068]雖然已根據其一個或多個實施例描述了本發(fā)明，但當然可以想到這些實施例的變型和替代方案，對于已參考了本說明書及附圖的本領域普通技術人員而言，獲得了本發(fā)明的優(yōu)點和益處的這種變型和替代方案將是顯而易見的?？梢韵氲降氖?，這樣的變型和替代方案處于所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內。
【主權項】
1.一種線切割機設備，包括: 工作臺； 線供應鼓； 引導輥，所述引導輥與所述線供應鼓豎直地間隔開，所述引導輥和所述線供應鼓具有彼此平行的軸線； 切割線，所述切割線圍繞所述線供應鼓和所述引導輥纏繞，并且從所述線供應鼓圍繞所述引導輥延伸并返回到所述線供應鼓，使得所述切割線的在所述線供應鼓和所述引導輥之間的彼此平行的分段限定了切割平面； 保持器，所述保持器用于保持要被所述切割線切割的材料的樣品；以及 多個平移臺，所述多個平移臺能夠相對于所述工作臺移動，所述多個平移臺包括: 進給平移臺，所述進給平移臺聯接到所述保持器，并能夠在與所述切割平面大致平行的進給方向上移動； 第一平移臺，所述第一平移臺聯接到所述保持器，并能夠在與所述進給方向成角度的第一方向上移動;和 第二平移臺，所述第二平移臺聯接到所述保持器，并能夠在與所述進給方向成角度的第二方向上移動。2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述第一方向和所述第二方向彼此大致豎直。3.根據權利要求1所述的設備，其中，所述線供應鼓和所述引導輥安裝在相對于所述工作臺固定的位置。4.根據權利要求1所述的設備，還包括: 定位板，所述定位板以可固定的方式安裝到所述工作臺； 其中，所述進給平移臺、所述第一平移臺和所述第二平移臺中的每一個均能夠相對于所述定位板移動。5.根據權利要求4所述的設備，其中，所述樣本保持器包括: 用于保持所述樣本的顎部； 支承部，所述支承部聯接到所述顎部并聯接到所述進給平移臺，以便能夠與所述進給平移臺一起相對于所述定位板移動。6.根據權利要求5所述的設備，其中，所述樣本保持器還包括: 豎直調整板，所述豎直調整板用于調整所述顎部相對于所述定位板的豎直位置。7.根據權利要求5所述的設備，其中，所述進給平移臺包括: 直線平移臺，所述直線平移臺聯接到所述保持器的所述支承部并聯接到所述定位臺；和 致動器，所述致動器聯接到所述直線平移臺，用于控制所述直線平移臺沿所述進給方向的移動； 其中，所述第一平移臺和所述第二平移臺中的每一個均包括: 聯接到所述定位臺的直線平移臺；和 用于控制所述直線平移臺的移動的致動器。8.根據權利要求7所述的設備，其中，所述致動器中的每一個均包括微分頭式致動器。9.根據權利要求7所述的設備，其中，所述致動器中的每一個均包括電動致動器。10.根據權利要求9所述的設備，還包括: 可編程控制器，所述可編程控制器聯接到所述致動器中的每一個，所述可編程控制器被編程為控制所述致動器，以根據預編程的序列來移動所述多個平移臺。11.根據權利要求7所述的設備，其中，所述進給平移臺、所述第一平移臺和所述第二平移臺均包括模塊化的平移臺； 并且其中，所述第一平移臺安裝到所述定位板，所述第二平移臺安裝到所述第一平移臺，且所述進給平移臺安裝到所述第二平移臺。12.根據權利要求7所述的設備，其中，所述進給平移臺、所述第一平移臺和所述第二平移臺中的兩個或更多個包括集成式平移臺。13.—種切割巖石樣本的方法，包括: 操作線鋸，以使切割線從線供應鼓圍繞引導輥前進，所述切割線的在所述線供應鼓和所述引導輥之間的前進豎直分段和返回豎直分段限定了切割平面； 切割出從巖石樣品的邊緣到開始點的路徑； 然后致動所述第一平移臺和第二平移臺中的任一個或二者，以使所述樣品在不與所述切割平面平行的方向上直線前進； 然后停止所述樣品的前進，直至所述切割線返回到大致直的定向； 重復所述致動步驟和停止步驟多次，以在所述樣品中切割出封閉圖形，所述封閉圖形限定了所述樣本的周緣；以及 然后，沿著所述路徑撤回所述巖石樣品。14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述第一平移臺和所述第二平移臺被彼此正交地定向。15.根據權利要求13所述的方法，其中，所述切割步驟包括: 從所述樣品的邊緣處使所述樣品在與所述切割平面平行的方向上前進，以在所述樣品中切割出到所述開始點的路徑； 并且其中，所述撤回步驟包括: 沿著所述路徑在與所述切割平面平行的方向上撤回所述樣品。16.根據權利要求13所述的方法，其中，所述致動步驟中的每一個均使所述樣品直線前進小于約100微米的距離。17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述停止步驟中的每一個均執(zhí)行至少大約三秒。18.根據權利要求16所述的方法，其中，所述封閉圖形是大致構成一個圓的一系列逐段線性的分段。19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述圓具有小于約3_的直徑。20.根據權利要求16所述的方法，其中，所述封閉圖形為多邊形。21.根據權利要求13所述的方法，還包括: 在重復所述致動步驟和停止步驟以完成所述封閉圖形之前，將粘合劑添加到已切割出的圖形的至少一部分上。22.根據權利要求13所述的方法，其中，所述樣品包括砂巖。23.根據權利要求13所述的方法，其中，所述樣品包括至少一種粘土。24.根據權利要求13所述的方法，還包括: 然后將所述樣本從所述樣品中移除； 通過斷層成像來獲得所述樣本的數字圖像體積； 對與所述樣本的一個或多個斷層圖像對應的所述數字圖像體積進行分割，以將所述數字圖像體積內的體素與孔隙空間或實體材料相關聯； 對所述數字圖像體積進行數值模擬實驗，以表征所述樣本的材料特性。
【文檔編號】B23D57/00GK105873706SQ201480071832
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年7月21日
【發(fā)明人】德米特里·拉克什塔諾夫, 喬安妮·弗雷德里希
【申請人】Bp北美公司