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纳米多孔材料电导率的估算

阅读：988发布：2022-01-25

专利汇可以提供纳米多孔材料电导率的估算专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了估算粘土矿物体系的电导率并将所述估算应用于更大规模分析的方法和系统。所述粘土的电导率可以通过构建无水的电荷中性粘土的分子模型、然后通过取代所述粘土结构模型中的离子赋予电荷密度来估算。插入反离子以供电荷中性，并且向所述模型添加水分子来反映选定的水化水平。力场系数赋值之后，分子动力学模拟提供了可由其估算扩散系数的数据。对所述反离子的扩散系数应用能斯特-爱因斯坦关系式提供了所述粘土体系的离子电导率。这种电导率可用于导出地层因数，并可应用于直接数值模拟分析。，下面是纳米多孔材料电导率的估算专利的具体信息内容。

权利要求

1.操作计算机系统计算粘土矿物中电导率的方法，所述方法包括以下步骤：
构建粘土矿物的分子表示，所述分子表示包含：
原子无水结构，其以多个平行层排列，所述无水结构包括代替所述结构中的金属原子的取代位点，其浓度对应于选定的电荷密度；
至少一个物种的反离子，其被布置在所述无水结构的层之间的夹层空间中，浓度对应于所述选定的电荷密度；和
多个水分子，其被布置在所述夹层空间中；
结合与所述粘土矿物选定的压力和温度条件相对应的边界条件，向所述分子表示进行力场参数赋值；
然后操作所述计算机系统进行在模拟时间间隔内的运动方程式的分子动力学模拟，以确定在所述模拟时间间隔期间的多个时间下所述表示中反离子的位置坐标；
由所述多个时间下的位置坐标，计算反离子物种中的一者或多者的自扩散系数；和然后由所述自扩散系数计算反离子物种的离子电导率。
2.权利要求1的方法，其中构建所述分子表示的步骤包括：
限定所述表示的晶胞，其包括与至少一个层的一部分相对应的原子并包括所述夹层空间的一部分；和
将多个所述晶胞排列成所述粘土矿物的超晶胞表示。
3.权利要求1的方法，其中所述表示的粘土结构对应于高岭石。
4.权利要求1的方法，其中所述表示的粘土结构对应于选自蒙脱石和叶蜡石的粘土。
5.权利要求1的方法，其中所述多个水分子被排列为布置在所述夹层空间中的一、二或三个水分子层。
6.权利要求1的方法，其中选定的取代位点由在八面体片中置换铝原子的镁离子表示。
7.权利要求6的方法，其中所述反离子物种包含钠离子。
8.权利要求6的方法，其中所述反离子物种包含钙离子。
9.权利要求1的方法，其中操作所述计算机系统进行分子动力学模拟的步骤包括：
在所述模拟时间间隔期间的多个采样时间下计算所述分子表示中反离子的运动；和在所述计算机系统的存储器中储存在所述模拟时间间隔期间所述反离子的位置；
并且其中计算自扩散系数的步骤包括：
从所述计算机系统的存储器检索与所述模拟时间间隔期间多个采样时间的至少一个子集相对应的储存的反离子位置；
基于检索到的位置计算所述反离子的平均位移；和
由所述平均位移计算反离子物种的自扩散系数。
10.权利要求9的方法，其进一步包括：
在操作所述计算机系统进行分子动力学模拟的步骤之前，使所述分子表示正交化。
11.权利要求1的方法，其中由反离子物种的自扩散系数计算其离子电导率的步骤包括：
将计算的自扩散系数应用于能斯特-爱因斯坦关系式以确定所述物种的离子电导率。
12.包含粘土组分的岩石样品的分析方法，所述方法包括：
估算所述岩石样品中粘土组分的电导率；
分割与所述岩石样品的一个或多个断层图像相对应的数字图像体积，将所述数字图像体积中的体素与孔隙空间、固体材料或所述粘土组分相关联；和
向对应于所述粘土组分的体素赋予相对于占据所述样品的孔隙空间的流体的电导率的相对电导率值；和
然后数值分析所述数字图像体积的表示以表征所述岩石样品的材料性质。
13.权利要求12的方法，其中估算所述粘土组分的电导率的步骤包括：
构建粘土矿物的分子表示，所述分子表示包含：
原子无水结构，其以多个平行层排列，所述无水结构包括代替所述结构中的金属原子的取代位点，其浓度对应于选定的电荷密度；
至少一个物种的反离子，其被布置在所述无水结构的层之间的夹层空间中，浓度对应于所述选定的电荷密度；和
多个水分子，其被布置在所述夹层空间中；
结合与所述粘土矿物选定的压力和温度条件相对应的边界条件，向所述分子表示进行力场参数赋值；
然后操作所述计算机系统进行在模拟时间间隔内的运动方程式的分子动力学模拟，以确定在所述模拟时间间隔期间的多个时间下所述表示中反离子的位置坐标；
由所述多个时间下的位置坐标，计算反离子物种中的一者或多者的自扩散系数；和然后由所述自扩散系数计算反离子物种的离子电导率。
14.权利要求13的方法，其中构建所述分子表示的步骤包括：
限定所述表示的晶胞，其包括与至少一个层的一部分相对应的原子并包括所述夹层空间的一部分；和
将多个所述晶胞排列成所述粘土矿物的超晶胞表示。
15.权利要求12的方法，其进一步包括：
利用X-射线断层摄影术、微型X-射线断层摄影术、纳米X-射线断层摄影术、聚焦离子束扫描电子显微术、核磁共振或中子断层摄影术中的一种，获取所述岩石样品的数字图像体积。
16.权利要求15的方法，其中所述岩石样品包括完整岩芯、井壁岩芯、露头、钻屑、实验室生成的合成岩石样品、填砂岩和胶结岩之一。
17.操作计算机计算包含粘土矿物的岩石体系的地层因数的方法，所述方法包括以下步骤：
构建分子流体体系的模型表示，所述模型表示包含：
分子流体的多个晶胞，其占据选定体积；和
填隙离子，其被定位布置在所述体积中，浓度对应于选定的电荷密度；
向所述模型表示进行力场参数赋值；
然后操作所述计算机系统进行在选定的时间期间内的运动方程式的分子动力学模拟，以确定在所述时间期间内的多个时间下所述模型表示中多个物种的位置坐标；
由所述多个时间下的位置坐标，计算所述物种中的一者或多者的自扩散系数；
然后由所述自扩散系数计算所述分子流体体系的体电导率；
确定所述粘土矿物的离子电导率；和
然后按所述分子流体体系的体电导率与所述粘土矿物的离子电导率之比计算所述地层因数。
18.权利要求17的方法，其中确定所述粘土矿物的离子电导率的步骤包括：
构建粘土矿物的分子表示，所述分子表示包含：
原子无水结构，其以多个平行层排列，所述无水结构包括代替所述结构中的金属原子的取代位点，其浓度对应于选定的电荷密度；
至少一个物种的反离子，其被布置在所述无水结构的层之间的夹层空间中，浓度对应于所述选定的电荷密度；和
多个水分子，其被布置在所述夹层空间中；
结合与所述粘土矿物选定的压力和温度条件相对应的边界条件，向所述分子表示进行力场参数赋值；
然后操作所述计算机系统进行在模拟时间间隔内的运动方程式的分子动力学模拟，以确定在所述模拟时间间隔期间的多个时间下所述表示中反离子的位置坐标；
由所述多个时间下的位置坐标，计算反离子物种中的一者或多者的自扩散系数；和然后由所述自扩散系数计算反离子物种的离子电导率。
19.用于分析材料样品的系统，所述系统包含：
成像系统，其被构造成产生材料样品代表性的数字图像体积；和
计算机系统，其与所述成像装置耦合，并包含：
一个或多个处理器；和
一个或多个存储装置，其与所述一个或多个处理器耦合并储存程序指令，当所述程序指令被所述一个或多个处理器执行时，引起所述一个或多个处理器通过进行包含下列的多个操作来分析包含粘土组分的岩石样品：
分割与所述岩石样品的一个或多个断层图像相对应的数字图像体积，将所述数字图像体积中的体素与孔隙空间、固体材料或具有估算的电导率的粘土组分相关联；和向对应于所述粘土组分的体素赋予相对于占据所述样品的孔隙空间的流体的电导率的相对电导率值；和
然后数值分析所述数字图像体积的表示以表征所述岩石样品的材料性质。
20.权利要求19的系统，其中所述多个操作还包括通过包含下列的多个操作来估算所述粘土组分的电导率的操作：
构建粘土矿物的分子表示，所述分子表示包含：
原子无水结构，其以多个平行层排列，所述无水结构包括代替所述结构中的金属原子的取代位点，其浓度对应于选定的电荷密度；
至少一个物种的反离子，其被布置在所述无水结构的层之间的夹层空间中，浓度对应于所述选定的电荷密度；和
多个水分子，其被布置在所述夹层空间中；
结合与所述粘土矿物选定的压力和温度条件相对应的边界条件，向所述分子表示进行力场参数赋值；
进行在模拟时间间隔内的运动方程式的分子动力学模拟，以确定在所述模拟时间间隔期间的多个时间下所述表示中反离子的位置坐标；
由所述多个时间下的位置坐标，计算反离子物种中的一者或多者的自扩散系数；和然后由所述自扩散系数计算反离子物种的离子电导率。
21.用于分析材料样品的系统，所述系统包含：
成像系统，其被构造成产生材料样品代表性的数字图像体积；和
计算机系统，其与所述成像装置耦合，并包含：
一个或多个处理器；和
一个或多个存储装置，其与所述一个或多个处理器耦合并储存程序指令，当所述程序指令被所述一个或多个处理器执行时，引起所述一个或多个处理器通过进行包含下列的多个操作来计算包含粘土矿物的岩石体系的地层因数：
构建分子流体体系的模型表示，所述模型表示包含：
分子流体的多个晶胞，其占据选定体积；和
填隙离子，其被定位布置在所述体积中，浓度对应于选定的电荷密度；
向所述模型表示进行力场参数赋值；
然后进行在选定的时间期间内的运动方程式的分子动力学模拟，以确定在所述时间期间内的多个时间下所述模型表示中多个物种的位置坐标；
由所述多个时间下的位置坐标，计算所述物种中的一者或多者的自扩散系数；
然后由所述自扩散系数计算所述分子流体体系的体电导率；
确定所述粘土矿物的离子电导率；和
然后按所述分子流体体系的体电导率与所述粘土矿物的离子电导率之比计算所述地层因数。
22.权利要求21的系统，其中确定所述粘土矿物的离子电导率的操作包括：
构建粘土矿物的分子表示，所述分子表示包含：
原子无水结构，其以多个平行层排列，所述无水结构包括代替所述结构中的金属原子的取代位点，其浓度对应于选定的电荷密度；
至少一个物种的反离子，其被布置在所述无水结构的层之间的夹层空间中，浓度对应于所述选定的电荷密度；和
多个水分子，其被布置在所述夹层空间中；
结合与所述粘土矿物选定的压力和温度条件相对应的边界条件，向所述分子表示进行力场参数赋值；
然后进行在模拟时间间隔内的运动方程式的分子动力学模拟，以确定在所述模拟时间间隔期间的多个时间下所述表示中反离子的位置坐标；
由所述多个时间下的位置坐标，计算反离子物种中的一者或多者的自扩散系数；和然后由所述自扩散系数计算反离子物种的离子电导率。

说明书全文

纳米多孔材料电导率的估算

[0001] 相关申请交叉参考

[0002] 本申请要求2014年12月10日提交的序号为14/566,520的美国专利申请的利益，所述申请题为“纳米多孔材料电导率的估算(Estimation of Conductivity for Nanoporous Materials)”，其在此通过引用以其整体并入本文中。

[0003] 关于联邦资助的研究或开发的声明

[0004] 依照美国能源部(United States Department of Energy)和Sandia公司之间关于Sandia国家实验室(Sandia National Laboratories)运转的合同No.DE-AC04-94AL85000，美国政府在本发明中具有权利。

技术领域

[0005] 本发明属于分析岩石样本来确定岩石物理性质的领域。

背景技术

[0006] 作为油汽工业中的基本原则，对地下岩层材料性质的知识对于评估地球上的油气储藏和制订关于那些储藏的开发策略是重要的。用于得到这种信息的种类繁多的工具和技术是本领域中公知的，范围从地震数据分析、获取和分析来自目标地层的岩心样品、和在钻探过程期间得到的各种间接的地球测量。

[0007] 用于分析地下地层的常用技术是沿着钻孔进入地层的电阻率测井。常规的电阻率测井测量钻孔周围地层的电响应，通常导出被称为“地层因数”的值，其是含流体岩石的电阻率与流体本身的电阻率之比。根据众所周知的Archie关系式，地层因数仅仅是所述岩石的孔隙几何形状的函数，并可通过被称为胶结指数(cementation exponent)的指数与孔隙率相关联。结果，常规电阻率测井的分析可提供关于目标地层的孔隙率或含水饱和度的重要信息。另外，电阻率测井曲线与适当的岩石物理学解读相结合，可提供对所述地层渗透率的了解。

[0008] 虽然Archie关系式普遍用于从测井曲线和从岩心样品解读电响应，但它最初是基于一系列试验测量制订的。然而，已经观察到Archie关系式只对于岩石物理简单的岩层、其例子包括纯砂层而言是正确的。还已经观察到，Archie关系式不适用于泥质砂岩，即含有粘土矿物的砂。分析来自泥质砂岩的电阻率测井曲线的常规方式在本领域中称为Waxman-Smits方法。然而，这种方式在实践中有所限制，因为它需要泥质砂岩中粘土矿物的阳离子交换容量的知识，以便将电阻率与含水饱和度和孔隙率相关联。

[0009] 已经观察到在岩石样品内存在粘土使从测井曲线和岩心样品得到的电数据的解读变复杂。对此的一个原因是粘土矿物(在本文中也称为“粘土”)的电性质未被充分了解。在这方面，据实验室中的测量，解读粘土的电性质(和相关性质例如阳离子交换容量)已经证明是困难的。这种因粘土而变复杂的电数据解读也起因于典型的粘土结构是在“纳米级”上，其远远小于砂的级别并致使粘土比较经不起原子级分辨率试验和分析。另外，粘土矿物的结晶结构经常相当不规则，例如由相互不平行取向的薄片组成、有形状奇怪的边界和形状异常的孔隙。此外，经常存在于粘土中、特别是所述片晶的外表面处的杂质，可通过取代置换其他原子并改变所述粘土材料中的电荷分布。一般而言，所述纳米级晶体尺寸的复杂性、晶体和片晶的无序、和粘土矿物的复杂组成，致使很难对粘土直接测量岩石物理性质。

[0010] 从岩石的数字图像直接数值模拟材料性质是确定岩石样本的材料性质的最新技术。依据这种方式，X-射线断层图像取岩石样品来产生该样品代表性的数字图像体积。然后将计算试验应用于所述数字图像体积来模拟物理机制，从中可以测量所述岩石的物理性质。岩石的性质例如孔隙率、绝对渗透率、相对渗透率、地层因数、弹性模量等可利用直接数值模拟来确定。

[0011] 具体而言，从岩石的数字图像来直接数值模拟电性质是通过用可变系数和相关边界条件近似或求解相关的电方程例如Laplace方程而实现的。然而，这种方式假定岩石内构成材料的电性质是已知的。例如，在所述模拟中，固体颗粒(例如石英)可被认为是不导电的，粘土成分是部分导电的，而孔隙流体例如盐水是最导电相。虽然这样指派导电性质对于固体颗粒和孔隙流体很好理解，但指派粘土的导电性质的物理基础尚未建立。因此，在含粘土砂的电响应的常规模拟中，使用粘土电导率的假定值导致了不确定性。

[0012] 作为进一步的背景，分子动力学(“MD”)模拟是指基于确定有限分子或原子系统中每个原子感受的势能的近似表达式(即“力场”)，描述所述系统随时间演变的计算方法。在常规MD模拟中，以定期的时间间隔储存数据，例如每个原子在力场下的坐标、速度和力。这些数据然后用于计算瞬时的和时间平均的性质，例如原子或分子轨道、一个或两个维度中的原子或分子密度剖面)、原子间结构(例如径向分布函数)、扩散系数、振动结构等。

发明内容

[0013] 本发明的实施方式提供了准确估算粘土矿物和含有粘土矿物的砂的电响应的方法和系统。

[0014] 本发明的实施方式提供了在包含粘土矿物的地下地层的样品上进行岩石物理性质的直接数值模拟测量的这种方法和系统。

[0015] 本发明的实施方式提供了将纳米级材料例如粘土矿物或含粘土矿物的砂的测量、例如电响应的直接数值模拟测量应用于更大规模的地层表征的这种方法和系统。

[0016] 本发明的实施方式提供了估算包含纳米级组分例如粘土的复合地层的地层因数的这种方法和系统。

[0017] 由本发明的实施方式提供的其他目的和优点，对于结合附图参考以下说明书的本领域普通技术人员将是显而易见的。

[0018] 本发明的实施方式可以落实到模拟粘土矿物组分的电响应的方法、和进行这种模拟的系统上。分子粘土系统的模型被构建为多层结构，对应于类似目标粘土的粘土矿物，选定物种的多价阳离子以选定的电荷密度插入所述结构中，并且根据选定的含水饱和度，在所述结构内的层之间的夹层空间中插入很多水层。表示原子间力的力场参数以及与所述模拟的预期条件例如压力、温度、体积等相对应的模拟变量，针对所构建的粘土模型进行赋值。然后进行分子动力学模拟来确定所述粘土系统中层间离子的扩散系数。然后应用能斯特-爱因斯坦(Nernst-Einstein)关系式来提供对所述粘土的离子电导率的估算。

[0019] 根据本发明的其他实施方式，提供了进行含粘土成分的岩石的直接数值模拟的方法和相应系统。通过X-射线断层成像得到所述岩石样品的三维(3D)图像体积，然后分割所述体积来区分不导电的岩石成分(例如石英)、部分导电成分(例如粘土)的相和孔隙空间。对每个分割的相指派导电性质，并进行数值模拟来评价所述体积的电响应。从所述模拟的响应，估算相应的含粘土岩石样品的一种或多种电性质。

[0020] 根据本发明的其他实施方式，构建了分子流体系统的模型并填充预定密度的水，将选定的反离子以预定电荷浓度填隙式放入所述模型结构中。为所述模型进行力场系数赋值，并进行分子动力学模拟以确定所述流体的本体流体电导率作为参考。然后从所述参考流体模型的体积电导率与所述粘土系统的模拟离子电导率之比计算含粘土材料的地层因数。

附图说明

[0021] 图1是根据本发明实施方式的网络计算机系统的示意性形式的电学图，所述计算机系统被编程为在所述油气藏的建模和模拟中执行各种过程。

[0022] 图2是根据本发明实施方式的流程图，示出了估算粘土矿物系统的离子电导率的过程。

[0023] 图3是根据本发明一种实施方式的流程图，示出了在图2的过程中粘土矿物系统分子模型的构建。

[0024] 图4a至4g是示意图，示出了在图3过程的各个阶段中粘土矿物系统的分子模型。

[0025] 图5是根据本发明一种实施方式的流程图，示出了估算粘土矿物系统的地层因数的过程。

[0026] 图6a和6b分别是根据本发明的实施方式，用于分析的包含粘土组分的复合地层样品的X-射线微断层图像和分割的图。

[0027] 图6c是根据本发明的一种实施方式，三种不同的含粘土砂利用直接数值模拟的地层因数图。

[0028] 图7是根据本发明的一种实施方式的流程图，示出了与电阻率测井曲线和测量数据相结合使用，对例如图6a和6b中显示的复合地层样品进行直接数值模拟的过程。

具体实施方式

[0029] 本发明将结合它的一种或多种实施方式来描述，即落实到用于开发粘土矿物模拟的方法和系统上，特别是与直接数值模拟相结合使用，因为预期本发明在这样的应用中将尤为有益。然而，预期本发明的实施方式在超出本文中所描述的应用的大范围应用中可提供显著的效益和优点。因此，应理解，以下的描述只提供为例，并不打算限制本发明所要求的真正范围。

[0030] 近年来，粘土和页岩在油气的开发和开采中已成为重要的地层。已经观察到这些粘土中有些具有取代式杂质例如置换结晶结构中硅原子的铝原子、或置换结晶结构中铝原子的镁或铁原子。这些阳离子杂质改变了粘土结晶结构的电荷平衡，使得需要吸附骨架外离子来保持电荷中性。这些被吸附的骨架外离子在所述粘土的外表面上存在，并且本身不是所述粘土结构的部分。

[0031] 如上所述，电阻率测井曲线提供了关于地下地层的流体含量、流体体积和孔隙结构的重要信息。然而，在所述地层中存在的粘土组分使得电阻率和所关心的物理性质之间的关系变得不清楚，因为粘土特性的基于经验和物理的近似值二者都呈现很大的不确定性。因此增进对参与粘土矿物的电导率特性的物理机制的了解也将是所希望的。

[0032] 本发明的实施方式提供了工具和技术，用于获得对地下地层中粘土矿物特性所依据的物理机制的这种增进的了解。另外，如同下文将描述的，这些工具和技术使得能够以有效方式提供准确度改善的方式来更大规模分析含粘土地层。

[0033] 计算机化系统

[0034] 根据本发明的实施方式，考虑到所需要的计算的性质和程度，预期这些工具和技术将至少部分通过计算机化系统实施。图1以计算机化系统20的形式示出了本发明一种实施方式的实施的例子，所述计算机化系统执行本说明书中描述的操作来有效执行粘土矿物特性的模拟，特别是为了估算一种或多种粘土的电导率，并且在一些实施方式中用于通过直接数值模拟来估算包含粘土组分的岩石样品的电导率和其他岩石物理性质。在这个例子中，系统20可通过包括工作站21的计算机系统实现，所述工作站与服务器30通过网络连接。当然，有关本发明有用的计算机系统的具体构造和构建可广泛地变化。例如，系统20可以通过单个实体计算机例如常规工作站或个人电脑、或者通过在多个实体计算机上以分配的方式实施的计算机系统而实现。因此，图1中示出的一般化构造仅提供为例。

[0035] 如图1所示并如上所述，系统20包括工作站21和服务器30。工作站21包括与系统总线BUS耦合的中央处理器25。与系统总线BUS耦合的还有输入/输出接口22，其是指那些接口资源，外部功能I/O(例如键盘、鼠标、显示器等)通过它们与工作站21的其他组成部分耦合。中央处理器25涉及工作站21的数据处理能力，并且本身可以通过一个或多个CPU芯、共处理线路等实施。中央处理器25的具体构造和能力根据工作站21的应用需要来选择，这种需要至少包括，执行本说明书中描述的功能，并且也包括由系统20可以执行的这类其他功能。在根据这个例子的系统20的构造中，系统存储器24与系统总线BUS耦合，并提供可用作数据存储器以及程序存储器的期望类型的存储器资源，所述数据存储器用于储存输入数据和由中央处理器25执行处理的结果，所述程序存储器用于储存在执行那些功能中由中央处理器25执行的计算机指令。当然，这种存储器布置只是个例子，要理解系统存储器24可以在分开的物理存储器资源中实施这样的数据存储器和程序存储器，或者完全或部分分配在工作站21的外面。另外，如图1所示，工作站21也可以经由输入/输出功能22从成像系统28接收数据，所述数据是以从部署在开采现场的井处的传感器和转换器发出的岩石样品28的代表性数字图像体积的形式。这些测量输入可以储存在工作站21可本地或经由网络接口26访问的存储器资源中。

[0036] 工作站21的网络接口26是常规接口或适配器，工作站21通过它们访问网络上的网络资源。如图1所示，工作站21经由网络接口26访问的网络资源包括服务器30，其驻留在局域网上、或广域网例如内部网、虚拟专用网络、或整个因特网上，并且其可通过那些网络布局之一和通过相应的有线或无线(或这两种)通信设施访问工作站21。在这种实施方式中，服务器30是常规构造的计算机系统，常规构造在一般含义上类似于工作站21的构造，并且本身包括一个或多个中央处理器、系统总线、和存储器资源、网络接口功能等等。根据本发明的这种实施方式，服务器30与程序存储器34耦合，后者是储存可执行的计算机程序指令的计算机可读介质，根据所述指令，由分析系统20进行本说明书中描述的操作。在本发明的这种实施方式中，这些计算机程序指令在从工作站21传达输入数据后，由服务器30以例如交互应用的形式执行，以产生输出数据和结果，所述输出数据和结果传达到工作站21的显示器或由外部设备I/O以工作站21的人类使用者可用的形式输出。另外，库32也是服务器30(和也许在局域网或广域网上的工作站21)可利用的，并储存系统20中可能有用的这类档案或参考信息。库32可以驻留在另一个局域网上，或者可经由因特网或一些其他广域网访问。预期库32也可以被整个网络中其他的相关电脑访问。

[0037] 当然，测量数据、库32和程序存储器34物理驻留的具体存储器资源或位置可以在系统20可访问的各种位置中实施。例如，这些数据和程序指令可以储存在工作站21内、服务器30内的本地存储器资源中，或针对这些功能网络可访问的存储器资源中。另外，如本领域所知，这些数据和程序存储器资源各自本身可以在多个位置之中分配。预期本领域技术人员将容易地能够以对于每种具体应用合适的方式，来实施有关本发明这种实施方式的可应用的测量数据、模型、和其他有用信息的储存和检索。

[0038] 根据本发明的这种实施方式，举例来说，系统存储器24和程序存储器34分别储存可由中央处理器25和服务器30执行的计算机指令以实现本说明书中描述的功能。这些计算机指令可以是以一个或多个可执行程序的形式，或以从中派生、汇编、解释或编译一个或多个可执行程序的源代码或更高级代码的形式。取决于将进行预定操作的方式，可以使用很多计算机语言或协议中的任何一种。例如，用于产生根据本发明实施方式的模型的这些计算机指令可以以常规高级语言例如JAVA、FORTRAN或C++书写，或者写成常规线性计算机程序或布置成以面向对象的方式执行。这些指令也可以嵌入更高级的应用内。更具体而言，预期所述建模的地下体积的特性模拟可以部分通过计算机模拟软件应用或软件包来实行，其例子是可得自Sandia国家实验室的大规模原子/分子并行模拟器(LAMMPS)分子动力学计算机软件包，利用适合于分子模拟的一般力场框架，其例子是在Cygan等，“氢氧化物、羟基氧化物和粘土相的分子模型以及一般力场的开发(Molecular Models of Hydroxide，Oxyhidroxide，and Clay Phases and the Development of a General Force Field)”，J.Phys.Chem.B，Vol.108(2004)，1255–1266页中描述的CLAYFF框架，所述文献通过参考并入本文中。在任何情况下，预期已经参考本说明的那些技术人员将容易地能够在无需过度试验下，以对于预定安装合适的方式来实现本发明的这种实施方式。用于实行本发明实施方式的这些可执行的计算机程序可以安装为驻留在如上所述的系统20内，或者可以是可执行的基于网络的应用形式，所述形式可被服务器30和客户计算机系统例如工作站21访问，以从所述客户系统接收输入、在网络服务器上执行算法模块、和以一些便利的显示或印刷形式向所述客户系统提供输出。或者，这些计算机可执行的软件指令可以驻留在局域网或广域网上的其它地方，或可经由一些网络接口或输入/输出设备从更高级服务器或位置作为在电磁载波信号上的编码信息下载。所述计算机可执行的软件指令可以原本储存在可移动的或其他非易失性计算机可读存储介质(例如DVD盘、闪速存储器等)上，或可作为在电磁载波信号上的编码信息以软件包的形式下载，所述计算机可执行的软件指令从所述软件包被系统20以常规的软件装置方式安装。

[0039] 粘土矿物的离子电导率的估算

[0040] 图2示出了根据本发明的一种实施方式，系统20在执行模拟来估算建模的粘土矿物系统的电导率中的一般化操作，所述建模的粘土矿物系统通常对应于在油或气的勘探和开采中地下目标地层的组分。如上所述，预期在这种过程中的各种步骤和功能可通过系统20中执行驻留在可用的程序存储器中的计算机程序指令的一种或多种计算资源来实行。如上所述，预期根据本发明的实施方式，系统20将用计算机程序编程，所述计算机程序当通过系统20中的计算资源执行时，将进行本说明书中所描述的按照各种物理参数值和关系的说明来模拟粘土矿物系统的电导率的各种过程。

[0041] 虽然以下描述将提供如在图1中显示的系统20的网络布局中工作站21处进行的这种操作的例子，但当然要理解用于进行具体操作的具体计算组件可取决于所述系统实施而广泛地变化。因而，以下描述不意欲是限制性的，特别是在它对参与具体操作的那些组件的鉴别上。因此预期本领域技术人员根据本说明书将容易了解，在这些各种实施和实现中可通过计算资源进行这些操作的方式。相应地，预期参考通过系统20进行某些操作将足以使有技术的读者能够在无需过度试验下容易地实施本发明的实施方式。

[0042] 如图2所示，根据本发明的实施方式估算粘土矿物系统的电导率的初始步骤是在过程40中构建粘土系统的分子模型。对于本描述而言，与本描述中的粘土系统模型和电导率估算相结合使用术语“分子”意欲是指表现个体原子、离子和分子的模型和模拟；在这样的背景下，术语“分子”意欲包括原子和离子物种、以及分子。

[0043] 现在参考图3和4a至4g，将进一步详细描述在根据本发明的一种实施方式构建待模拟的粘土矿物系统的分子模型中过程40的操作。构建过程40以过程50开始，在其中构建类似无水粘土结构，在这个例子中根据晶胞模型排列。构建这种类似无水粘土结构来反映要建模的粘土矿物系统的属性。

[0044] 图4a示出了这样的类似无水粘土的例子，根据本发明的这种实施方式，将从它构建蒙脱石(溶胀性)粘土的模型。图4a中显示的类似粘土是基于白云母作为所述建模的蒙脱石粘土的类似粘土。白云母被称为“2-1”层状铝硅酸盐，因为所述粘土的每个层65由在羟基铝酸盐八面体片(在本文中称为铝八面体片)的任一侧上的两个硅酸盐四面体片组成。根据这个例子，这种白云母结构然后通过从所述八面体片除去钾离子、并用硅原子置换所述四面体片中的铝原子进行改性。这种结构保持电荷中性并且，在它的无水形式中，提供叶蜡石粘土的结构。图4a示出了这种叶蜡石粘土在一对平行粘土层65的部分上的结构，所述粘土层65各包括在单个铝八面体片62任一侧上的两个硅酸盐片60。晶胞64在图4a中示出，并充当这种粘土矿物系统的模型的基础；在这个例子中晶胞64的化学式是Si8Al4O20(OH)4。图4a中标记了叶蜡石粘土模型中的铝(Al)、氧(O)、氢(H)和硅(Si)原子。从图4a的这个例子明显看出，平行层65通过“夹层”空间63(即，所述结构中层65之间的廊状空间)相互分离；如下面将描述的，这种粘土结构的水化将溶胀所述粘土的体积，因为一个或多个水层将插入所述结构的这些平行层65之间的夹层空间63中。

[0045] 图4b示出了不同的类似粘土矿物、即高岭石的晶胞结构。高岭石是“1-1”粘土，因为这种粘土的层65'(和进而晶胞64')包括一个硅酸盐片60和一个铝八面体片62。如本领域所知的，高岭石不是蒙脱石粘土(即，没有永久性的负性结构电荷)，并且在水化时本身不会在它的层65'之间溶胀。相反，高岭石层65'的边缘(即末端)是反应性的，并且本身是与油和水分子相互作用的位点。

[0046] 预期本发明的实施方式可用于模拟这些、和其他粘土结构中的电导率。对于本描述而言，将论述图4a的粘土结构为例。预期参考本说明书的本领域技术人员将无需过度的试验，就能容易地将在本文中描述的方法和系统应用于图4b的高岭石粘土和其他感兴趣的粘土。

[0047] 返回参考图3，并且依据这种实施方式，一旦在过程40中限定了晶胞结构，就进行过程51以将该晶胞64正交化为规则结构，给每个原子赋予坐标以指示它们在坐标系中的位置。正交化过程51是任选的，因为在本文中描述的后续模拟过程可应用于原生矿物对称结构体系(即，它可以是非正交的)。然而，预期后续加工更方便应用于正交的模型体系，如通过过程51产生的。依据这种实施方式的正交化之后，晶胞64在过程52中扩大为“超晶胞”。在过程52中创制的这种超晶胞由很多这样的晶胞64组成，并且对于在本文中描述的模拟过程而言具有足够的尺寸。例如，图4a的晶胞64可以在过程52中扩大为六十四个晶胞的超晶胞，其在x、y和z方向(根据图4a的取向)上分别以8x 4x 2排列。每个方向上的晶胞重复数当然可以根据期望的模拟而变化。超晶胞图中的每个原子将被赋于坐标，代表它在所述坐标系中的位置。

[0048] 根据本发明的这种实施方式，在过程54中，根据要模拟的粘土的期望电荷密度，将选定物种的离子取代到所述超晶胞结构中。在本发明的这种实施方式中，将要模拟蒙脱石粘土。因此，镁离子取代所述超晶胞结构的八面体片62中的铝离子，通常以随机的方式。如2+ 3+
本领域所知，镁离子(Mg )的电荷不同于被置换的铝离子(Al )的电荷，这在所述超晶胞中镁离子驻留的位置处产生负电荷位点。图4c和4d示出了基于图4a结构的蒙脱石粘土的超晶胞实例，其中镁离子以两种不同的电荷浓度随机取代铝离子；图4c和4d的这些视图是相对于图4a的横截面图的平面图，因此看不到所述粘土的平行层之间的夹层空间63。虽然这些被取代的离子的位置是随机的，但优选控制该位置，以免产生近邻Mg–O–Mg相互作用。图4c示出了比较低电荷的实例，其中取代过程54之后所述超晶胞的净电荷密度是-0.375e/晶胞，其中e是基本电子电荷；负电荷位点66在该图4c中所述取代镁离子的位置的对应位置处示出。图4d示出了高电荷实例，其中离子取代过程54之后所述超晶胞的净电荷密度是-
0.750e/晶胞，其是如图4c的实例中负电荷位点66的密度的两倍。作为离子取代过程54的一部分，所述超晶胞模型通过将反离子插入所述夹层区域中致使所述超晶胞电荷中性来进一步修改。在这个实例中，使用钠或钙反离子，但是可以另行使用其他平衡离子物种。在图4c和4d的实例中(即，改变电荷密度)，从利用钠反离子的过程54产生的所得晶胞化学式，在低和高电荷密度的情况下，分别是Na0.375Si8Al3.625Mg0.375O20(OH)4和Na0.75Si8Al3.25Mg0.75O20(OH)4。

[0049] 在过程56中，然后通过将水分子引入所述超晶胞结构中粘土层之间的所述夹层空间中来水化所述粘土超晶胞模型结构。对于图4a的蒙脱石粘土结构的实例而言，水化过程56通过将水分子插入层65之间的夹层空间63中来分离所述2-1粘土层。在本发明的这种实施方式中，在过程56中引入水分子将这些水分子根据要模拟的期望水浓度以整数的水分子层的形式插入。例如，可以在夹层空间63中插入一、二或三个水层，分别产生3.9、7.9和11.8水分子/晶胞的化学计量比。在一个实例中，过程56通过将在过程54中插入的所述反离子(Na+，Ca+2)移动到夹层空间63中来进行，移入的位置视情况在相应的负电荷位点66的上方或下方，接着是然后用期望浓度的相应水分子数填充夹层空间63的残留体积。这种插入的水分子具有增加所述2-1粘土结构的平行层之间分离的效应，并因此代表了这种类型的蒙脱石粘土预期的粘土溶胀。

[0050] 图4e至4g示出了水化过程56之后的图4a的粘土超晶胞模型，在层65之间插入的水层数量不同。图4e示出了在所述2-1粘土结构的平行层65之间插入一个水层67(1)的所述粘土超晶胞排列。从图4e明显看出，钠(Na+)反离子保留在水层67(1)内。在一个水层67(1)的情况下，在相邻的平行层65之间所得的分离限定了层间距d(1)。为了本描述的目的，“间距”是指一个层65和它的相邻夹层空间63的合并厚度；这种粘土层间距可以被认为等同于通过X-射线粉末衍射法试验性测量的基底d-间距(basal d-spacing)。图4f示出了在所述2-1粘土的每对平行层65之间插入两个水层67(2)的所述超晶胞排列；在这种情况下的层间距d(2)大于图4e的单个水层情况下的间距d(1)。图4g示出了在每对相邻的平行层65之间有三个水层67(3)的超晶胞排列；在这种三个水层情况下的层间距d(3)再一次大于所述两个水层情况下的间距d(2)。

[0051] 如图4e至4g所示并如上所述，所述反离子(例如Na+)保留在所述插入水层67内。这些反离子的数量和电荷密度由过程50中限定的所述无水结构中的粘土层65中的取代(在本实例中是Mg2+)数量决定，因此不随着被插入所述超晶胞图中的水层67的数量而变化。因为反离子(Na+或Ca2+，视情况而定)位于水层67内，这些反离子将在适当的刺激下移动(虽然据认为所述反离子和相邻水分子之间的相互作用将引起二者的运动)。因此，这些反离子的这种运动引起所述粘土中在响应外加电势下所观察到的电导率。模拟的根据本发明实施方式的这种粘土结构的离子电导率将由此确定这些反离子的运动来估算所述粘土矿物体系的离子电导率。

[0052] 水化过程56之后所述超晶胞结构中原子的坐标扩大了相邻层65之间的分离，包括所述反离子的坐标，然后作为所构建的分子模型的代表以适当的格式储存在系统20的存储器内。然后完成了在过程40中要模拟的粘土体系的分子模型的构建。虽然图4e至4g中的超晶胞表示有限大小的模型，但惯常使用周期边界条件来有效表示在x、y和z方向上无限数量的重复超晶胞单元。以这种方式，在随后的MD模拟中将恰当包括长程静电相互作用，例如如下所述。

[0053] 回来参考图2，然后在过程40中构建的分子模型上进行过程42。过程42向所构建的模型的组成部分(原子，分子)和它们彼此的相互作用进行力场参数赋值。根据本发明的这种实施方式，在上文通过引用并入的Cygan等的论文中所描述的被称为“CLAYFF”的粘土的力场框架，允许在过程40中所构建的水化蒙脱石粘土的超晶胞模型中原子和分子之间的相互作用参数规格中有大量的灵活性。在本发明的这种实施方式中，这些参数在过程42中的赋值预期由系统20在模拟软件环境内、例如在上面提到的LAMMPS分子动力学计算机软件包内执行。

[0054] 在过程42中向所构建的模型的组成部分赋予力场参数和模拟变量的值。如Cygan等论文中所述，力场参数包括：

[0055] ·所述模型中的原子表示为坐标系内位置处的点电荷，在所述模型结构内有完全的平移自由度；

[0056] ·所述体系中各原子-原子相互作用包括长程(库仑定律)静电相互作用和短程(范德华力)相互作用的能量，及其截止距离；和

[0057] ·羟基和水分子的键角、键长等。

[0058] 另外，过程42也可以根据要执行的模拟的期望条件向某些模拟变量赋值，所述条件例如包括：

[0059] ·压力、温度和体积代表性的边界条件；

[0060] ·参数的热力学系综；和

[0061] ·与所述分子动力学模拟有关的其他系数，如本领域技术人员参考本说明书将会了解的。

[0062] 一旦被赋值，就可以按要求并根据如通过引用并入本文中的Cygan等论文中所述的常规技术来进行所述力场框架中参数的优化。例如，可以进行这种优化来提供如该论文中所述的能量最小化结构。在过程42中应用这些力场系数可以引起所述超晶胞模型的各种组成部分的坐标位置改变；例如，已经观察到层间距d(1)、d(2)、d(3)轻度依赖于温度。

[0063] 过程42中所述力场系数的赋值之后，系统20然后执行程序指令以进行分子动力学(MD)模拟过程44。如上所述，适合用于进行过程44的MD模拟软件包是本领域中已知的。这种合适的MD软件包的实例是如上所述可得自Sandia国家实验室的LAMMPS软件包。

[0064] 根据本发明的实施方式，MD模拟过程44评价了在过程40中构建的超晶胞分子模型的组成部分在如过程42赋予的力场参数和模拟变量的值下的动力学。MD模拟过程44的有效途径是要评价在选定的时间间隔内的很多时间步长下所述模型组成部分之间短程和长程相互作用二者(即，可应用的和适当的运动方程式)，以导出在该时间间隔内那些组成部分的位置坐标、速度和力。

[0065] 在根据本发明一种实施方式的一个实例中，短程(范德华力)相互作用在短时间间隔(例如，0.5fsec)下评价，并对那些短程力适用截止距离(例如 )，超过该距离则那些相互作用就在所述模拟中忽略。在这些模拟中，施加周期边界条件，并利用粒子-粒子粒子网格(particle-particle particle-mesh，PPPM)求和算法，在较长的时间间隔(例如1.0fsec)下评价长程静电相互作用，所述PPPM求和算法如Plimpton等，“用于平行分子动力学模拟的粒子网格Ewald和rRESPA(Particle-mesh Ewald and rRESPA for parallel molecular dynamics simulations)”，平行处理科学计算的第八届暹罗大会会议论文集(1997)(Proceedings of the Eighth SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing(1997))中所述，通过引用并入本文中。在这个实例中，所述模型体系利用微正则系综(即，粒子数量、体积和势能)中初始50psec模拟进行热平衡，速度根据期望的温度改变尺度，继之以在正则系综(即粒子数量、体积和Nose-Hoover恒温箱温度)中附加50psec模拟。这些初始模拟之后，在等温-等压系综(即，粒子数量、压力和温度，并且Nose-Hoover恒压器压力设定为零)中进行在长得多的时段(例如2500psec)内的开采模拟。
在这种模拟中，让所述超晶胞的体积只在z方向(即，垂直于图4e至4g中的粘土层)上改变。

[0066] 然后将模拟过程44的结果应用于过程46，其中选定分子和原子的自扩散系数D由系统20计算。在本发明这种实施方式中的过程46是基于选定的目标原子和分子在所述模拟期间选定的时段内的运动。在上述的蒙脱石粘土的模拟中，钠(Na+)或钙(Ca+2)反离子——取决于谁存在、和所述插入水层67中的水分子的扩散系数D是基于那些原子和分子在过程44的MD模拟的选定时间间隔内一系列评价时间下的位置坐标。对于上面提到的等温-等压系综中2500psec开采模拟的实例而言，过程46可以基于在该2500psec模拟的最后2000psec起的时间内，在系统20的存储器中每2.0fsec储存的原子和分子坐标。

[0067] 基于目标离子和分子的这些储存的坐标位置，在过程46中从那些离子和水分子在平行于基底面的x-y平面中的均方位移来计算自扩散系数D：

[0068] <Δx(t)2+Δy(t)2>＝4Dt

[0069] 其中括号<>表示所述离子或分子在给定时间t时的所述x和y位移的系综平均值。在这个实例中z方向上的位移设定为零，因为该方向上的扩散可忽略(即，在模拟过程44中在z方向中只出现由于动能的随机运动)。评价所述经受模拟的超晶胞结构的夹层空间63中的水层67中各选定的反离子和水分子的随时间系综平均位移，例如仅在进行所述模拟的时间的子间隔内。在上述实例中，评价在储存所述坐标的2000psec间隔中，从200psec到
800psec时点的子间隔内的离子和分子位移，以避免非线性短程(即旋转)运动效应。由这些结果，可进行适当的回归分析(例如，最小二乘)来取得位移对模拟时间的斜率，并由此取得各物种的自扩散系数D。

[0070] 或者，在过程46中可以计算本体流体中或只有流体的模拟中目标离子和分子物种的扩散系数，例如通过从所述离子和分子的三维轨道直接计算扩散系数D：

[0071]

[0072] 其中括号<>表示在从开始时间t0到时间t的时间间隔内所述离子或分子的位移的系综平均值。因此，该表达式由通过MD模拟过程44确定的所述离子和分子的均方位移来计算所述扩散系数。

[0073] 根据本发明的实施方式，一旦在过程46中确定了目标物种的自扩散系数D，就在过程48中通过应用所述能斯特-爱因斯坦关系式，由例如系统20计算在建模的粘土体系中那些物种的电导率。能斯特-爱因斯坦关系式的论述可见于Bockris等，《现代电化学1：离子》(Modern Electrochemistry 1:Ionics)，第二版(Plenum Press，New York，1998)，456–458页，通过引用并入本文中。更具体而言，根据本发明的实施方式，水层67中夹带的下标i的反离子物种(是指根据上述实例的模型中包括的Na+或Ca2+之一)的离子电导率可以由它的自扩散系数Di如下计算：

[0074]

[0075] 其中zi是反离子i的离子价，ci是反离子i的离子浓度，F是法拉第(Faraday)常数，R是气体常数，和T是温度。类似地，可计算摩尔离子电导率λi：

[0076]

[0077] 因此，根据本发明的实施方式，在建模的粘土矿物体系中的离子电导率可基于该粘土体系的分子模型估算。这种模拟过程可以容易地针对不同的反离子物种、变化的水化水平(即，粘土层65之间不同数量的水层67)、变化的物理条件(例如温度、压力等)和变化的电荷密度等重复。分析来自所得的系综的结果可以提供对所述电导率机制的了解，并且也可以有助于试验证实所述模拟结果。另外，这种模拟工具在很宽的条件范围内估算电导率的能力可以建立经验关系式，其可用于了解地下地层的岩石物理性质。

[0078] 粘土矿物体系的地层因数的估算

[0079] 如上所述，结合通常在油气藏的勘探和开采中得到的电阻率测井曲线的分析，经常特别感兴趣的岩石物理性质被称为“地层因数”。地层因数的常规定义是地层岩石的电阻率与流体本身的电阻率之比。

[0080] 图5是估算特定粘土矿物体系的地层因数的这种过程的流程图。如图5所示，根据上文结合图2描述的过程，这种粘土矿物体系的离子电导率在过程100中由系统20确定。然而，为了导出所述地层因数，所述流体的体电导率也是必需的。根据本发明的这种实施方式，从过程70开始，以与所述粘土体系的离子电导率类似的方式估算体电导率。

[0081] 在过程70中，构建所要求的流体代表性的本体(即中性电荷)溶液的分子模型。例如，上述的过程100应用于其中Na+或Ca2+阳离子与Cl-阴离子一起夹带在注入的水层67中以保持电荷中性的模型。在该实例中，所述本体溶液的分子模型在每边大约的立方体中含有4096分子水、四个钠(Na+)或钙(Ca2+)阳离子、和四个或八个Cl-阴离子(视情况而定)。这种建模的本体溶液中的摩尔阳离子浓度因此是约0.05。

[0082] 或者，如果在过程70中建模的相应本体溶液不包含阴离子并因此具有净正电荷，则可以在所述模型中插入电荷补偿背景来保持电荷中性。

[0083] 然后以与上面对于所述粘土矿物体系描述的过程42至46类似的方式，在过程70中构建的本体溶液分子模型上进行过程72至76。总之，在过程72中给所述本体溶液模型中的分子和阳离子赋值的力场参数指定了诸如原子在坐标系内的位置以及分子和原子的能量等的参数，而模拟参数包括压力、温度、和体积、参数的热力学系综等等代表性的边界条件。在过程74中，由系统20基于所述指定的力场系数对该分子模型执行分子动力学(MD)模拟，来确定在所述模拟时间内所述水分子和阳离子的位置，例如在恒压和恒温模拟条件下，在
10nsec模拟间隔内以2psec的采样频率储存各分子和阳离子的位置。在过程76中，基于在过程74的MD模拟内采样时间时的储存位置，计算所述建模的本体溶液中阳离子和水分子的自扩散系数。在这个过程76中，自扩散系数可以基于x-y平面中的均方位移或基于来自三维中离子轨道的系综平均值，与上述过程46中类似地计算。

[0084] 已经观察到根据过程70至76的途径计算分子本体溶液模型的扩散系数值的实例与钠和钙溶液在无限稀释下的扩散系数报告结果非常一致。

[0085] 在过程78中，然后将在过程72中被用作边界条件的温度下的所述本体溶液模型中阳离子的自扩散系数应用于能斯特-爱因斯坦关系式，如上所述确定所述溶液的电导率。在过程78中计算的这种电导率构成体电导率，因此提供了在所述粘土矿物体系中流体的体电导率的估算，据此，在过程80中可以用常规方式确定过程100的粘土矿物体系的地层因数F：

[0086]

[0087] 其中σi是在过程100中确定的建模粘土体系中反离子的离子电导率，并且σb是在过程78中计算的所述本体溶液的体电导率。如本领域所知并且如上所述，地层因数F提供了地层结构中孔隙率的良好度量，据此可以确定其他重要的岩石物理性质例如渗透性。

[0088] 因此，本发明的这种实施方式提供了由分子水平下建模和模拟相关的机制来估算粘土矿物体系的地层因数值的能力。这种分子水平分析使得能够准确分析纳米级地层组分，超过了常规途径例如Archie关系式等的能力。

[0089] 包含粘土组分的地层的直接数值模拟

[0090] 如上所述，由本发明的实施方式提供的准确估算粘土矿物的电导率的能力可有助于多种多样的岩石物理分析，特别是在考虑含有含粘土砂的含烃岩石地层当前的重要性的情况下。另外，也预期了解这些纳米级材料中在分子水平运转的物理机制将在设计和分析开采技术中特别有用。还预期通过本发明的实施方式的电导率估算技术，将改善其他分析工具和技术。

[0091] 可通过准确估算粘土矿物体系的电导率来改善的一种这样的分析工具和技术是直接数值模拟，特别是在应用于既包含岩石相例如石英，如在砂岩中，也包含粘土矿物相的地下地层时。如本领域所知，这种类型的地层中的粘土组分通常由很多基本上平行的板形成；例如，粘土矿物高岭石通常是以散布在固体石英砂和孔隙空间之中的“小册子”的形式。如上文结合本发明的背景论述的，根据Archie关系式解释的常规电阻率测井曲线是基于展示实际零电导率的固体颗粒，然而在孔隙空间中的流体展示高电导率。在这种假设有效的那些地层中，测得的电阻率将提供所述地层孔隙率的良好指示。然而，如本领域所知，所述地层中的粘土组分也将展示电导率，但程度低于孔隙流体的电导率但明显大于固体石英砂的电导率。因此，当应用于包含粘土组分的地层时，常规的电阻率分析将提供通常不明确的结果，因为电阻率将不仅取决于如孔隙流体展示的孔隙率，而且也取决于粘土组分存在的程度和它们的电导率。

[0092] 根据本发明的一种实施方式，当通过直接数值模拟岩石的图像体积来确定电响应时，可以使用现存对于复合地层中粘土组分电导率的准确估算。现在参考图7，将描述根据本发明的实施方式利用数字数值模拟来估算材料性质的整个过程。

[0093] 所述估算过程以样品制备过程200开始，在所述过程中获得目标地层的标本，并且制备该标本的样品用于分析。所述地层的标本可以用很多常规方式的任何一种来获取。在油气工业的背景下，所述标本将通常来源于勘探井或开采井的钻井，并且本身可以来自完整的岩心样品、井壁岩心样品、露头样品和钻屑；或者，所述标本可以从实验室生成的合成岩石样品例如填砂岩(sand packs)或胶结岩(cemented packs)产生。根据本发明的实施方式，获得所述标本的岩石可以不一定是高度固结的，如它将包含岩石(例如砂岩)以及粘土、和其他颗粒状或沉积材料的组合时。因此，制备过程200应该以不明显干扰由所述样品代表的地层结构的方式来进行。

[0094] 在过程202中，成像系统28(图1)获得在过程200中制备的岩石样品的二维(2D)或三维(3D)图像，或其他适当的图像表示。在过程202中获得的这些图像和表示包含所述样品内部结构的细节。过程202中使用的成像装置的实例是X-射线计算机断层(CT)扫描仪，其是能够产生所要求的分辨率的样品内部结构代表性图像的很多X-射线装置的任何一种所对应的类型、构造或其他属性。例如，可以获取所述样品的多个二维(2D)截面图像，并附送到计算机系统20，然后构建与所述样品对应的三维(3D)数字图像体积。如上所述，系统20可以用很多方式的任何一种来构建，例如，作为台式计算机或工作站、膝上型计算机、服务器计算机、平板计算机等，具有足够的计算容量来进行期望的操作。

[0095] 在过程202中获取和处理样品的3D数字图像体积的具体的常规技术包括但不限于，X-射线断层摄影术、X-射线微断层摄影术、X-射线纳米断层摄影术、聚焦离子束扫描电子显微术和核磁共振。

[0096] 由过程202产生的图像体积通常由称为体积元素、或更普遍称为“体素”的3D规则元素表示，所述体积元素或体素各自具有相关的数值、或幅度，其表示在所代表的介质的那个位置处所述成像样品的相对材料性质。在过程210中，所述计算装置对所述样品的数字图像体积进行分割或其他图像增强技术，以区分和标记所述图像体积中不同的组分。例如，分割过程210可以鉴别明显弹性的组分，包括孔隙空间和矿物组分(例如粘土和石英)，它们可影响样品的特性。

[0097] 根据本发明的这种实施方式，然后由系统20进行分割过程210以鉴别所述图像体积中表示的样品的显著材料相，例如表示诸如孔隙空间、粘土成分、和个别颗粒和矿物质这样的材料组成部分。过程210中所述计算装置使用的具体分割算法可以根据所需的分析和岩石复杂性而异。最简单的分割形式是“定阈值”，其将彼此具有相似幅度的体素归类。过程210中可以包括常规图象处理以提高图像体积、降低噪声等。

[0098] 根据本发明的这种实施方式，分割过程210鉴别和区分了至少三个显著的材料相，即孔隙空间、岩石颗粒和粘土矿物。分割过程210的操作实例由图6a和6b显示。图6a是含有粘土矿物组分例如高岭石、以及固体石英砂的砂岩岩石的X-射线微断层图像。在图6a的图像中，孔隙空间对应于黑色区域，同时石英砂和粘土组分对应于变化的中间色调的灰色(较浅的灰色倾向于指示石英砂)。通常，X-射线微断层图像例如图6a的空间分辨率范围从1至5微米，这意味着在这个尺度下观察不到粘土矿物的质地、构造和组构。另外，在图6a的图像中亮度稍有连续性地变化，这致使数值分析复杂而困难。操作分割过程210以将孔隙空间、固体颗粒和粘土组分彼此区分开。图6b示出了应用于图6a的X-射线微断层图像的分割过程210的结果实例，其中三个相表现为孔隙空间90的黑色、石英或其他固体颗粒材料92的白色、和粘土组分94的中间灰色。一般而言，如上所述，分割过程210应用于在过程202中获取的3D图像体积。

[0099] 根据本发明的这种实施方式，在过程100中导出了粘土组分94的电导率的估算。如上所述，预期上面结合图5描述的过程100将提供在过程200和202中制备和成像的样品中粘土组分94的电导率的出色估算。然而，也预期，关于本发明的这种实施方式，可以另外使用测量和估算粘土组分94中的电导率的其他途径；然而，预计估算粘土矿物体系的电导率的常规途径不太严格，通常将提供准确度低于上面结合本发明的实施方式所描述的电导率估算。

[0100] 基于在过程100中导出的电导率估算，然后进行过程215，对所述分割的图像体积中的粘土组分94赋予相对电导率值w。如上所述，石英晶体92(或其他固体材料)在常规电阻率分析中展示实际零电导率，同时孔隙空间90中的流体展示高电导率；如过程100中的估算，粘土组分94通常是导电的，但相较于孔隙空间90中的流体，导电程度较低。根据本发明的这种实施方式，在过程215中赋予粘土组分94的相对电导率值w反映了相较于流体电导率的估算电导率的粘土的估算电导率。例如，如上所述计算的地层因数F可以是这种相对电导率值w的基础。然后对来自过程210的分割数字图像体积中表示粘土组分94的各个体素赋予这种相对电导率值w。当然，如果所述图像体积中的粘土组分94表现超过一个粘土物种的话，则可以在过程100中估算那些不同粘土相的分别的电导率估算，并在过程215中作为不同的相对电导率值w应用。

[0101] 在过程220中，计算系统20然后进行直接数值模拟以分析所述样品的一种或多种物理性质，通常通过所述分割的数字图像体积的数值分析。在过程220中可以确定的性质包括那些直接或间接与粘土组分94的电导率有关的目标岩石物理性质，例如孔隙率、地层因数、胶结指数、电阻率指数、迂曲度因数、饱和度指数等等。这些岩石物理性质可以利用所述整个分割数字图像体积的适当的离散化或演变的孔隙空间和粘土组分的网眼并结合适当的数值模拟例如确定所述岩石电性质的电导率的直接数值模拟来估算。在过程220中确定这些岩石物理性质的一部分也可能需要利用有限元素法、有限差分法、有限体积法、格子波耳兹曼法(Lattice Boltzmann methods)或任何种类的其他数值方法来数值模拟。例如，图6c示出了利用直接数值模拟计算三种不同的含粘土砂的地层因数，其中所述粘土组分94具有赋值的电导率。

[0102] 因此，根据本发明的这种实施方式，预期常规的电阻率测井曲线可扩展到更复杂的地层结构，包括有粘土矿物组分的地层，并提供关于重要的岩石物理性质例如孔隙率、含水饱和度、粘土分率等的准确结果，特别是如果根据上述的本发明实施方式来估算电导率的话。对已经获得电阻率测井曲线的地层的二次开采过程的效果的分析，也是预期的。

[0103] 结论

[0104] 如上所述，本发明的实施方式以基于在分子水平上发生的物理机制的方式，提供了准确估算粘土矿物和含粘土矿物的砂的电响应的方法和系统。以预期这种方式分析纳米级材料例如粘土矿物的能力在很宽的粘土结构范围内是有用的，超过以上具体描述的叶蜡石、蒙脱石和高岭石实例，因为同样的途径可应用于多种多样的粘土矿物分子模型。这种能力可提供对其他分析工具的更多了解，例如在包含粘土矿物的地下地层的样品上直接数值模拟测量岩石物理性质，以及建立和分析包含纳米级组分例如粘土的复合地层的地层因数。

[0105] 虽然本发明已经根据它的具体实施方式进行了描述，但当然预期到对这些实施方式的修改和替代、得到本发明的优点和利益的这样的修改和替代，对于已经参考了本说明书及其附图的本领域普通技术人员而言将是显而易见的。预期这样的修改和替代在如在此要求的本发明的范围内。

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