基于真实岩芯的多孔介质细观表征及数值计算

论文摘要

本文利用细观渗流的思想和研究手段,从细观尺度即孔隙层次上对多孔介质的孔隙结构和渗流特性进行了研究。通过同步辐射实验得到真实岩芯样品三维结构图,根据孔隙网络模型的基本概念提出了一种新的基于孔隙体和喉道搜索的建模方法并提取相关的模型参数。使用LBM方法计算数字岩芯的绝对渗透率并分析各个模型参数与渗透率之间的关系。最后结合逾渗理论计算了几种网络模型的渗透率。将多孔介质内部的孔隙空间划分为“孔隙体”和“喉道”,其中孔隙体用球形来代替,代表相对宽阔的孔隙空间,喉道用圆柱体来等效代替,代表狭长的孔隙空间。首先在孔隙空间内按半径从大到小的顺序搜索离散的球形孔隙体,各个孔隙体之间互不相交,然后通过在各个球形孔隙体之间搜索连通区域的方法来构造喉道。将多孔介质的三维结构图转化为0-1矩阵形式的数字岩芯,利用多点地质统计学的方法对数字岩芯进行重构从而生成多组类似孔隙结构特征的数字岩芯。使用LBM方法计算这些数字岩芯的绝对渗透率,再结合孔隙网络模型的模型参数,分析模型参数和渗透率之间的关系。最后根据网络模型的结构参数即孔隙体和喉道半径分布,随机模拟生成二维规则网格,并结合逾渗理论确定网络连线的传导率,计算了二维规则网络模型的绝对渗透率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 细观（微观）物理模拟
• 1.2.2 细观（微观）数值模拟
• 1.3 主要研究内容与研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 本文结构安排
• 1.5 本章小节
• 第2章 细观渗流研究内容与基本方法
• 2.1 二维及三维物理模拟
• 2.1.1 二维物理模拟
• 2.2 岩芯CT 实验
• 2.2.1 同步辐射实验原理与装置
• 2.2.2 图像处理
• 2.3 格子模型
• 2.3.1 格子Boltzman方法基本原理
• 2.3.2 本文中用到的格子模型
• 2.4 孔隙网络模型
• 2.4.1 孔隙网络模型的基本概念
• 2.4.2 几种二维网络
• 2.4.3 几种三维网络
• 2.5 宏观与微观相结合的研究方法
• 2.5.1 增大岩芯样品尺寸
• 2.6 细观条件下的渗流特性
• 2.6.1 准静态过程和动态过程
• 2.6.2 润湿性的影响
• 2.7 本章小节
• 第3章 孔隙网络建模
• 3.1 数字岩芯的构建
• 3.1.1 天然岩芯同步辐射实验
• 3.1.2 图像重建和后期处理
• 3.2 孔隙空间的描述
• 3.2.1 孔隙空间的连通性
• 3.2.2 多孔介质的分形特性
• 3.2.3 多孔介质的渗透性
• 3.3 孔隙体的划分
• 3.4 喉道的识别与划分
• 3.5 数字岩芯样品重构结果
• 3.5.1 12个岩芯样品的球形孔隙体重构结果
• 3.5.2 12个数字岩芯喉道重构结果
• 3.6 模型参数的计算
• 3.6.1 喉道半径分布
• 3.6.2 孔吼比的计算
• 3.6.3 平均配位数的计算
• 3.7 本章小节
• 第4章 细观孔隙结构对渗透率的影响
• 4.1 绝对渗透率的计算
• 4.1.1 LBM模型
• 4.2 数字岩芯MPS重构
• 4.2.1 多点地质统计学基本概述
• 4.2.2 多点地质统计学基本概念
• 4.2.3 SNESIM算法
• 4.2.4 使用SNESIM法重构数字岩芯
• 4.3 渗透率与各模型参数的关系
• 4.3.1 样品渗透率与孔隙度之间的关系
• 4.3.2 渗透率与孔隙体半径之间关系
• 4.3.3 渗透率与喉道半径分布的关系
• 4.3.4 渗透率与配位数之间的关系
• 4.4 膨胀腐蚀法模拟地层孔隙度变化
• 4.4.1 图像的膨胀和腐蚀
• 4.4.2 模拟地层孔隙度变化
• 4.5 本章小节
• 第5章 利用网络模型模拟渗流过程
• 5.1 网络模型的渗透率计算
• 5.1.1 几种网络模型
• 5.1.2 基于网络模型的渗透率计算主要步骤
• 5.2 单相流的计算
• 5.2.1 利用形状因子的方法确定传导率
• 5.2.2 哈根-泊肖叶模型（Hagen-Poiseuille）
• 5.3 网络模型中的逾渗理论
• 5.3.1 逾渗理论基本概念
• 5.3.2 油水两相流的情况
• 5.4 基于逾渗理论的二维网络模型数值计算
• 5.4.1 二维规则随机网络
• 5.4.2 传导率的确定
• 5.4.3 计算结果
• 5.5 本章小节
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 创新点
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文