[发明专利]基于一种高精度数字岩心重构模型三维有限元仿真方法

说明书

本发明属于数字岩心技术领域，涉及基于一种高精度数字岩心重构模型三维有限元仿真方法。该方法首先通过电子显微镜对岩样表面进行观测、标注感兴趣的目标区域，进行聚集离子束扫描电镜(FIB‑SEM)扫描实验，采用网格映射法将处理好的数字图像转化为计算网格单元。通过电子显微技术配合纳米压痕测试方法获取页岩各组分力学参数和其相应的统计分布特征。最后，基于分割阈值确定的灰度区间，为每个灰度区间的单元网格赋予对应的物理力学参数。本发明所建立的数字岩心将岩石内部不同矿物材料与微观缺陷的空间分布和结构真实定量地纳入数值模型，精度达到5～10nm，实现了几何、边界/界面以及材料非均质性的真实表征。

技术领域

本发明属于数字岩心技术领域，涉及基于一种高精度数字岩心重构模型三维有限元仿真方法。

背景技术

储层页岩一种分布广泛的细粒沉积岩，埋藏在世界各地的非常规储集岩被认为是化石燃料的源岩，作为烃源岩和密封岩对碳氢化合物的生产特别有意义。储层页岩是由有机质、伊利石、石英、方解石、长石等多种矿物以及隙、裂纹等缺陷组成的天然复合材料，具有极强的非均质性。在这个多相体系中，这些组分的空间分布是页岩沉积演化过程中形成自身的特性。页岩内部复杂的微观结构对其宏观力学行为和裂纹萌生、扩展等压裂特征有重要的影响。因此，研究储层页岩的力学特性和裂纹扩展过程时，必须考虑微观结构的影响。从微观的角度研究页岩中的矿物组分、缺陷的空间分布对介质的力学行为、微裂缝的扩展和破坏模式的影响，对于油气储层开采设计具有重要的理论意义。

储层岩石均具有较强的致密性，尤其是储层致密页岩。现有的方法，很难直接通过物理实验对压裂机理进行研究。随着计算机技术的发展,数值方法成为一种有效的选择,被广泛应用于岩石的力学行为和破坏过程的研究，有助于揭示解释裂纹扩展的规律。数值方法不仅可以重复实验过程，而且可以捕获裂纹的演化过程。非均质性对岩石力学响应影响显著，为了使构建的数值模型更加真实反映岩石材料的非均匀特点，人们将非均质性引入到数值模型中，假设岩石材料的力学性质服从统计分布特征。然而，由于简化了岩石复杂的空间结构，且引入的随机参数是不确定的、主观的，高度依赖于统计分布参数，材料力学参数赋值分布是随机的，导致裂纹扩展路径也可能是随机的。这意味着这些数值模型降低了数值模拟结果的准确性，很难准确重复岩石物理实验结果，实验结果可能无法提供研究人员在设计试验时所期望的现象和实验效果。

可见，数值模拟的正确性及适应性在在很大程度上取决于所建立微观模型和模型物理力学参数，只有模型的矿物、孔隙等结构空间分布能够反映岩样真实结构特征时，以及相应的力学参数赋予有足够的科学依据，而不是仅凭借主观臆想时，模拟结果才具有理论及应用价值。由于其岩石基质矿物具有高度不均匀的微观结构以及复杂的力学性质，使岩石微观力学特性、微观结构表征和理论建模受到限制。“参数给不准”与“模型给不准”，是岩石力学数值模拟的两大技术瓶颈。