数字孔隙网络建模及优化2oric结题报告.pptx

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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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