[发明专利]一种考虑颗粒大小分布和孔隙度的致密数字岩心生成方法

说明书

本发明属于工程热物理、化学和石油工程等领域，公开了一种考虑颗粒大小分布和孔隙度的致密数字岩心生成方法，根据实际岩石的孔隙结构物性参数，通过随机生长膨胀收缩策略得到球体颗粒堆，针对球体的颗粒实现球体颗粒生长膨胀和移动过程的模拟，模拟膨胀过程中颗粒的半径不断增大，如果颗粒之间出现覆盖的情况，则通过移动颗粒消除覆盖现象。当通过移动颗粒位置无法消除颗粒间的覆盖时，收缩颗粒半径。该方法为生成具有表征致密岩心孔隙结构提供了更简洁的方法，为模拟多孔介质内多相多组分流动运移孔隙结构建模提供便利，为加深孔隙结构和流体流动耦合的理解提供基础，推动揭示微观孔隙流动规律研究的发展。

技术领域

本发明属于工程热物理、化学和石油工程等领域，尤其是涉及一种以多孔介质孔隙结构为基础的实现微观多相多组分流动、流-固耦合等孔隙尺度数值模拟的数字岩心生成的方法。

背景技术

在工程热物理、化学和石油工程等领域中，随机的球形颗粒填砂岩芯或者由圆形颗粒组成的微观模型作为一个研究工具，在微观多相多组分流动、流-固耦合等研究中具有非常重要的作用。其中，填充岩芯的孔隙度，填充配位数和填充颗粒尺寸分布是颗粒随机填充的三个主要表征参数。孔隙度是填砂岩芯中被孔隙空间占据总体积的比例，配位数是某一颗粒周围相邻的颗粒数，颗粒尺寸分布是填砂岩芯中各种存在的颗粒大小(通常是颗粒直径)的相对数量。许多颗粒状的物质，例如几种类型的土壤和真实的粉末，可以用具有对数正态尺寸分布的随机填充球形颗粒来表示。

随机填充岩心可以通过实验、理论和计算机模拟进行建模。使用计算机模拟方法的优势在于，已知具有不同尺寸大小的球体的配位数，可以使用配位数来计算所生成多孔介质的其他几何特性。已经开发了许多计算机模拟算法来生成球形颗粒的虚拟随机填砂岩芯。传统的计算机球形颗粒填充方法包括顺序增加(或者球体沉降)算法、随机放置算法、生长算法和动态仿真模型等。在顺序增加方法中每个新增加颗粒的向下运动导致垂直方向的各向异性较弱，因为垂直方向的作用不同于水平方向，所以通常情况下，如果没有额外的压制或致密化程序，这种填充不是很致密。在随机放置算法中，如果新引入的颗粒与之前放置的颗粒发生重叠，通过丢弃该新引入的颗粒来消除重叠，由于可能必须丢弃一些颗粒，所以填充球的尺寸分布将与预期的初始分布有所不同；此外，该方法填充致密程度取决于颗粒添加的顺序，例如先添加较大的颗粒球体，与先放置较小的颗粒球体相比，最终填充密度往往会更高。在生长算法中，如果没有进一步的颗粒位置重新排列，则该算法通常不会导致致密的填充。如果采用颗粒位置重新排列，例如通过允许粒子绕其初始位置移动，和/或通过使其收缩或扩展，可以生成更致密的填充岩芯，但也无法精确控制最终填充中的尺寸分布，同时如果进行重排，该方法也可能非常耗时。另外还有动态仿真模型(例如离散元方法)，除了可能面临与其他传统填充算法相同的数学和实现困难之外，与专用填充算法相比，它们往往对计算的要求更高，因为它们还必须正确模拟填充过程的动力学，而不仅仅是最终结果，所以需要的计算时间长，同时随着颗粒复杂度的增加，这也会导致仿真速度下降。

原理上，以上方法不能同时满足：具有大颗粒优先填充，能移动、收缩和扩展颗粒尺寸的特点，使其能生成更致密的多孔介质；在满足致密的前提下能控制填充颗粒的尺寸大小分布；较低的计算时间。在实现方法上，前人采用的溶胀球算法只考虑了考虑颗粒大小分布作为输入参数，未考虑孔隙度的限制，但对于较致密的多孔介质，限制填充岩芯的孔隙度是不可忽略的控制致密的因素。

发明内容

本发明的目的是为了同时满足具有大颗粒优先填充、能移动、收缩和扩展颗粒尺寸大小的特点，能生成更致密的多孔介质；在满足致密的前提下能控制填充颗粒的尺寸分布；在计算过程有较低的计算时间。本发明是一种同时考虑孔隙度和颗粒大小分布这两种孔隙结构参数的致密数字岩心生成方法。这对于研究孔隙尺度下致密多孔介质内多相多组分流动更加方便，能加深孔隙结构和流体流动耦合的理解。具有生成数字岩心的孔隙结构更简洁、高效，孔隙结构建模更便利等优点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：