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数字岩心孔隙网络建模及优化
力2曾克成
导师:王沫然
目录
项目背景
工作内容
提取居中轴线体系
建立孔隙网络模型
总结
项目背景
油气开采中的问题:单井产量迅速降低+剩余储量高
宏观渗流理论不再适用,需要建立成熟的微观渗流理论
图1美国五大页岩气田平均单井产量
图22014年世界油气开采情况
数据来源:2014美国能源信息管理局(USEnergyInformationAdministration)的数据统计(EIA,2014)
项目背景
数字岩心+格子Boltzmann方法,研究微观渗流机制
数字岩心作为模拟流动的平台,具有十分复杂的内部微观结构,导致计算量过大
简化数字岩心,建立孔隙网络模型(oric工作)
图3数字岩心二维切片
(白色为孔隙,黑色为岩体)
图4孔隙网络模型
(圆球为孔隙,柱体为喉道)
图4来源:刘向君,朱洪林,梁利喜.基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验[J].地球物理学报,2014,57(4):1133-1140.
工作内容
数字岩心的数据文件
MATLAB程序:
LKC2D或LKC3D
孔隙网络模型
图5LKC3D程序包
图6程序截图
居中轴线体系
提取居中轴线
计算几何参数
提取居中轴线
要求:数字岩心中的孔隙的拓扑结构保持不变、几何特征尽可能地保留
算法:由Lee、Kashyap、Chu提出的图象处理算法(LKC算法)
算法思想:通过孔隙空间的“缩减”,逐渐得到孔隙空间的居中轴线。由居中轴线保存孔隙空间的拓扑结构,并在居中轴线的基础上保留适当的几何特征,构建孔隙网络模型
图7居中轴线示意图
(黑色为孔隙,其中白色为居中轴线,浅蓝色为岩体)
算法优化
由于数字岩心孔隙空间几何结构的复杂性,LKC算法并不能直接得到有效的居中轴线体系,需要进一步优化
在编写完程序后,进行实验发现,存在“Y”型节点(蓝色)、“Z”型节点(红色)、枝节路径(绿色)需要删除
图8数字岩心及其居中轴线体系
算法优化
删除“Z”型节点
删除“Y”型节点
枝节路径的删除较复杂,通过搜索算法,删除多余枝节,如下图
优化过程中,“Y”型节点和“Z”型节点的优化相对简单,如下图
计算实验结果
MATLAB程序:
LKC2D
MATLAB程序:
LKC3D
二维数字岩心,大小为,已经过节点优化,未经过枝节路径删减
三维柱体,大小(左)及提取的居中轴线(右)
建立孔隙网络模型
在居中轴线体系的基础上,计算数字岩心孔隙几何特征参数。包括:最小内切球半径、形状因子
根据计算所得几何参数,将数字岩心孔隙空间划分为喉道(柱体)、孔隙(圆球)
孔隙的最小内切球半径为孔隙的半径
喉道的形状因子决定喉道的截面形状
建立孔隙网络模型
在居中轴线体系的基础上,计算数字岩心孔隙几何特征参数。包括:最小内切球半径、形状因子
最小内切球半径:采用“球膨胀法”
形状因子:为喉道截面面积,为喉道截面形状周长
表1MATLAB程序计算所得规则几何体的几何特征参数
MATLAB程序:
LKC3D
总结
数字岩心孔隙空间居中轴线的提取优化及孔隙网络模型的建立,具有真实可靠的作用,能够为在数字岩心基础上开展流动模拟提供简化的方法,在保证流动模拟真实性的前提下减少计算量。
通过对数字岩心进行简化,得到孔隙网络模型,为多孔介质中微尺度渗流流动的模拟奠定了基础,有助于解决目前油气开采中遇到的问题
数字岩心的数据文件
MATLAB程序:
LKC2D或LKC3D
孔隙网络模型
居中轴线体系
提取居中轴线
计算几何参数
科创经历
科创经历——初步尝试
大一学年:
参加校团委“未来城市与新能源”兴趣团队,听讲座、参观实验室,感受到了自己对科研的兴趣
东芝前副社长作讲座
团队例会简况
科创经历——逐渐熟悉
大二学年:
清华大学学生创业人才培育计划——“启创班”,并与团队队员合作参加了清华大学“校长杯”创新挑战赛
SRT项目:在王沫然老师指导下,开展“页岩气开采中的传热传质问题”的文献调研
ASPIRE项目:前往新加坡南洋理工大学(NTU),与香港、韩国、日本的学生交流
在NTU进行展示交流
“启创班”成员合影
科创经历——更上一楼
大三学年:
中科院力学所生产实习:油水界面近壁面处的纳米流体动态观测
实验原理图
不同纳米粒子浓度+不同盐溶液浓度+不同油性环境+动态观测
科创经历——更上一楼
不同浓度的纳米流体具有不同的浸润性
硅油环境下体积分数0.02%的纳米流体,具有较好的浸润性
科创经历——更上一楼
观察到液滴铺展的“步进”现象
白油环境下纳米流体的铺展现象
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