利用多相流表征單元體積確定的數(shù)字巖石分析系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)案主張 Guiseppe De Prisco 與 Jonas Toelke 在 2012 年 6 月 15 日申 請(qǐng)、發(fā)明名稱為"利用多相流表征單元體積確定的數(shù)字巖石分析系統(tǒng)與方法"的美國(guó)第 13/524, 758號(hào)非臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子顯微鏡提供了科學(xué)家與工程師獲得其工作的材料的更佳了解的一種方式。在 高度放大下，可明白許多材料（包含巖石與骨骼）都具有允許流體流動(dòng)的多孔微結(jié)構(gòu)。此 種流體流動(dòng)通常例如在地下油氣層（hydrocarbon reservoirs)中受到高度關(guān)注。就孔度、 滲透性與飽和度方面，特征化材料的可行性是已知的，但是在材料是過(guò)度各向異性及/或 不均勻性而無(wú)法被特征化為均質(zhì)介質(zhì)的程度時(shí)，這種特征化方式必將失去作用。
[0003] 自然地，會(huì)有興趣想要知道何種尺寸的材料樣本可代表整體。通過(guò)其可進(jìn)行 產(chǎn)生代表較大體積的數(shù)值的最小體積稱為表征單元體積（Representative EIementary Volume，REV)。需注意REV取決于所選擇的測(cè)量。
[0004] 有許多文獻(xiàn)都著重在確定REV，但都有一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)，包括：主觀性、誤差、過(guò)度 估計(jì)、過(guò)于廣泛的搜尋區(qū)域、過(guò)于受限的子體積定位、無(wú)法解決樣本不均勻性、以及無(wú)法對(duì) REV預(yù)期用途（例如多相流體流模擬）應(yīng)用所選擇的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 無(wú)
【附圖說(shuō)明】
[0006] 因此，在本文中公開(kāi)了利用多相流表征單元體積（REV)確定的數(shù)字巖石分析系統(tǒng) 與方法。在附圖中：
[0007] 圖1顯示了示例性高分辨率聚焦離子束與掃描式電子顯微鏡。
[0008] 圖2顯示了示例性高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。
[0009] 圖3顯示了示例性的樣本體積表征。
[0010] 圖4顯示用于執(zhí)行樣本分析的示例坐標(biāo)系統(tǒng)。
[0011] 圖5A與圖5B顯示示例性的樣本參數(shù)分布。
[0012] 圖6A至圖6D顯示孔度的相基礎(chǔ)區(qū)分。
[0013] 圖7為示例分析方法的流程圖。
[0014] 圖8A與圖8B顯示在第一示例樣本中相基礎(chǔ)區(qū)分的孔度的參數(shù)分布根據(jù)飽和度而 變化。
[0015] 圖9A與圖9B顯示第二示例樣本相基礎(chǔ)區(qū)分孔度的參數(shù)分布根據(jù)飽和度而變化。
[0016] 然而，應(yīng)該要理解，在附圖與下述詳細(xì)說(shuō)明中給出的特定【具體實(shí)施方式】并不限制 公開(kāi)內(nèi)容。相反的，其為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供基礎(chǔ)，以辨別出在所附權(quán)利要求范圍涵蓋的替 代形式、等效物與其他修飾。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 上下文中，圖1提供了高分辨率聚焦離子束與掃描式電子顯微鏡100的說(shuō)明，高分 辨率聚焦離子束與掃描式電子顯微鏡100具有觀察室102,在觀察室102中置有材料樣本。 計(jì)算機(jī)104與觀察室設(shè)施耦接以控制測(cè)量過(guò)程。計(jì)算機(jī)104上的軟件通過(guò)用戶接口而與用 戶交互，用戶接口具有一個(gè)或多個(gè)輸入設(shè)備1〇6(例如，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、游戲桿、光筆、觸摸板、 或觸控屏幕）以及一個(gè)或多個(gè)輸出裝置108 (例如，顯示器或打印機(jī)）。
[0018] 對(duì)于高分辨率成像，觀察室102 -般是排除了空氣與其他氣體。電子束或離子束 可于樣本表面間掃描，以得到高分辨率圖像。此外，可增加離子束能量以磨除樣本的薄層， 從而得到多個(gè)深度的樣本圖像。在堆棧時(shí)，這些圖像提供了待獲取樣本的三維圖像。作為 一個(gè)可行的示例實(shí)例，有些系統(tǒng)可在10納米分辨率下得到40X40X40微米立方體的這類 成像。
[0019] 上述系統(tǒng)僅為可用于使樣本成像的技術(shù)的一個(gè)實(shí)例。無(wú)論是如何獲取這些圖像， 下述公開(kāi)內(nèi)容都可應(yīng)用，只要分辨率足以顯現(xiàn)樣本的孔度結(jié)構(gòu)即可。
[0020] 圖2是較大系統(tǒng)200的實(shí)例，可在所述系統(tǒng)200中使用掃描式電子顯微鏡100。 在所述較大系統(tǒng)200中，個(gè)人工作站202是通過(guò)局域網(wǎng)（LAN)以耦接至掃描式電子顯微鏡 100。LAN 204還能使掃描式電子顯微鏡100、個(gè)人工作站202、一個(gè)或多個(gè)高性能計(jì)算平臺(tái) 206、以及一個(gè)或多個(gè)共享存儲(chǔ)裝置208 (例如，RAID、NAS、SAN等）之間互相通信。高性能 計(jì)算平臺(tái)206 -般是使用多個(gè)處理器212,每一個(gè)處理器212耦接至區(qū)域內(nèi)存214。內(nèi)部總 線216提供了多個(gè)處理器（通過(guò)區(qū)域內(nèi)存）與網(wǎng)絡(luò)接口 220之間的高帶寬通信。駐留在內(nèi) 存214中的并行處理軟件能使多個(gè)處理器以加速方式共同地中斷及執(zhí)行待執(zhí)行的任務(wù)、依 需要存取共享的儲(chǔ)存裝置208以傳送結(jié)果及/或取得輸入數(shù)據(jù)與中間結(jié)果。
[0021] 通常，用戶會(huì)使用個(gè)人工作站202 (例如，桌上型或膝上型計(jì)算機(jī)）來(lái)與較大系統(tǒng) 200交互。在個(gè)人工作站202的內(nèi)存中的軟件會(huì)使它的一個(gè)或多個(gè)處理器通過(guò)用戶接口而 與用戶交互，讓用戶可以例如探索或執(zhí)行軟件以處理掃描式電子顯微鏡得到的圖像。對(duì)于 具有小量計(jì)算需求的任務(wù)而言，軟件可于個(gè)人工作站202上執(zhí)行，而有計(jì)算上需求的任務(wù) 則優(yōu)先于高性能計(jì)算平臺(tái)206上運(yùn)行。
[0022] 圖3是可由掃描式電子顯微鏡100獲取的示例圖像302。此三維圖像是由三維體 積單元（三維像素）構(gòu)成，每一個(gè)三維像素具有表明在那個(gè)點(diǎn)處的樣本組成的數(shù)值。
[0023] 圖4提供了數(shù)據(jù)體積402的坐標(biāo)系統(tǒng)，其中x-、y_與Z-軸是在該體積的一個(gè)角落 處交錯(cuò)。在所述數(shù)據(jù)體積內(nèi)，定義有子體積404。所示出的子體積404是具有邊長(zhǎng)為a的正 立方體，但可替代地使用其他形狀的子體積，例如具有與整體數(shù)據(jù)體積相同形狀的平行六 面體、球體、或四面體。期望（但非必須要）選擇可通過(guò)特征維度（例如直徑或邊長(zhǎng)）縮放 的子體積形狀。可使用從原點(diǎn)至子體積上固定點(diǎn)處的位移向量408以在數(shù)據(jù)體積402內(nèi)的 任何位置406定義子體積404。同樣的，可在每一個(gè)子體積內(nèi)定義且定位次子體積。
[0024] -種特征化樣本孔度結(jié)構(gòu)的方式是確定整體參數(shù)值，例如孔度。圖像經(jīng)過(guò)處理以 將每一個(gè)三維像素分類為代表基質(zhì)的孔隙或一部分，從而得到孔隙-基質(zhì)模型，其中每一 個(gè)三維像素由單一位來(lái)表示。接著可利用直接計(jì)數(shù)過(guò)程來(lái)確定樣本的總孔度。然而，所得 的數(shù)量顯示了極少關(guān)于樣本的結(jié)構(gòu)、不均勻性與各向同性的信息。因此，需要更為復(fù)雜的測(cè) 量方式。
[0025] 圖5A顯示在示例碳酸鹽巖石樣本中的子體積孔度（或表面/體積或可以子體積 切片計(jì)算的任何其他量值）的標(biāo)準(zhǔn)偏差直方圖，這是沿著特定方向（流動(dòng)方向）計(jì)算的。標(biāo) 準(zhǔn)偏差是針對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)體積的平均孔度（或表面/體積或其他全局量值）來(lái)計(jì)算。注意分 布是用以定義子體積的長(zhǎng)度大小1的函數(shù)。對(duì)于在數(shù)據(jù)體積內(nèi)的長(zhǎng)度大小1的子體積的每 一個(gè)可能位置，可于橫向切片中計(jì)算的量值標(biāo)準(zhǔn)偏差是沿著特定方向來(lái)評(píng)估。換言之，一種 標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算表示在給定流動(dòng)方向中特定子體積的孔度（或可于切片中計(jì)算的其他量值） 相對(duì)于整個(gè)體積的平均孔度的變異量，由整個(gè)體積的平均孔度來(lái)正規(guī)化。對(duì)整個(gè)體積內(nèi)的 子體積的每一個(gè)可能位置重復(fù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算，產(chǎn)生將可針對(duì)子體積的特定長(zhǎng)度大小與固 定方向來(lái)建立可于切片中計(jì)算的特定量值標(biāo)準(zhǔn)偏差分布的一組標(biāo)準(zhǔn)偏差。子體積孔度的這 組標(biāo)準(zhǔn)偏差被繪制在圖5A中的直方圖中，表示有相當(dāng)一致程度的不均勻性，僅于高側(cè)上有 漸進(jìn)尾部。
[0026] 若對(duì)于不同的子體積長(zhǎng)度大小重復(fù)此操作，將可得到不同的直方圖，因此可得到 長(zhǎng)度大小的統(tǒng)計(jì)函數(shù)?？稍u(píng)估分布的動(dòng)差（平均值、變異值、峰度與偏斜度），以檢查所述分 布會(huì)在哪個(gè)長(zhǎng)度大小上穩(wěn)定（即，統(tǒng)計(jì)值收斂）。REV可定義為達(dá)到收斂的長(zhǎng)度大小值。通 常當(dāng)達(dá)到收斂時(shí)，分布動(dòng)差接近高斯分布的動(dòng)差（而且直方圖看起來(lái)為高斯分布）。
[0027] 圖5B顯示子體積表面/體積比例的標(biāo)