CN102804185B - 计算三维多孔固体的热量、质量、化学以及电输运的数值方法 - Google Patents

计算三维多孔固体的热量、质量、化学以及电输运的数值方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102804185B
CN102804185B CN200980160682.XA CN200980160682A CN102804185B CN 102804185 B CN102804185 B CN 102804185B CN 200980160682 A CN200980160682 A CN 200980160682A CN 102804185 B CN102804185 B CN 102804185B
Authority
CN
China
Prior art keywords
model
chemistry
quality
heat
saturated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN200980160682.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN102804185A (zh
Inventor
S·S·萨福诺夫
O·Y·迪纳利夫
N·V·叶夫谢耶夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prad Research and Development Ltd
Original Assignee
Prad Research and Development Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Prad Research and Development Ltd filed Critical Prad Research and Development Ltd
Publication of CN102804185A publication Critical patent/CN102804185A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102804185B publication Critical patent/CN102804185B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明涉及估计通过流体饱和或气体饱和的多孔固体的物质和场输运的过程的通量的方法。该方法包括通过但不限于X射线微断层摄影、3DNMR成像、根据岩石薄片分析的3D重建等，来获得三维多孔固体图像；通过连续应用图像滤波、分割以及多特性识别来对3D核心图像进行数字处理和形态分析，用以获得多孔固体样品的数字3D模型并且执行一组形态和几何的统计学特性分析。对于上述3D模型(多个模型)，利用数值解法在给定的边界条件下，(单独或组合地)对热量、质量、化学和电通量进行建模。利用随机场和随机几何理论来生成在统计学上等价于上述模型(多个模型)的新模型；针对所述新模型，模拟热量、质量、化学和电通量。基于以上实现，对所获得的通量进行平均以用于宏观计算。

Description

计算三维多孔固体的热量、质量、化学以及电输运的数值方法
技术领域
本发明涉及估计通过流体饱和或气体饱和的多孔固体的物质和场输运(transport)的过程的通量(flux)的方法。具体来说，本发明涉及三维多孔介质的热量、质量、化学以及电输运的计算。
背景技术
多孔介质的宏观描述是基于两个基本假设：连续介质近似，其忽略材料的微观结构并且假设物质在空间中连续分布；以及唯象(phenomenological)响应系数近似，其忽略材料的内部自由度并且假设材料作为具有特定响应系数(导热率、渗透率、导电率等)的非结构化体对外力(温度或压力梯度、电势等)作出响应。
因为宏观建模是许多工业和科学应用中的主要工具，因此微观建模常常被认为是用于估计宏观响应系数的辅助工具。
然而，大量实验数据表明宏观模型存在不足。
对于第一个示例，单相宏观流体输运模型是基于渗透系数。众所周知，大量的单相输运现象存在于渗透系数概念(热毛细、渗透的、格雷厄姆(Graham)、科林贝尔(Klinkenberg)以及其他效应)之外。
对于第二个示例，多相流体输运模型是基于相渗透系数。许多观察到的输运现象表明该方法存在不足，并且微观过程是重要的(相渗透率迟滞、交叉项效应、液体润滑效应、毛细管数影响等)。
美国专利6516080描述了估计三维多孔介质的期望的物理特性的数值方法，所述期望的物理特性选自由流体流动特性、电气特性、弹性特性、渗透率、导电率以及弹性波速组成的组。根据该方法，通过统计学手段由实验二维图像重建三维模型；使用Navier-Stokes方程的数值解法、或Lattice-Boltzmann流量模拟法、或任何有限元数值解法，来计算特性。
该专利的局限性如下：该专利致力于获取宏观特性而未验证这些特性；没有提及可能的多相和热效应；没有提及可能的流体非牛顿流变；没有提及可能的流体-流体(像气体-冷凝)以及流体-固体(像从油中析出蜡、从水溶液中析出盐)的相变；没有提及可能的表面活性剂的影响(像润湿性或界面张力的改变)；没有提及可能的地球化学的影响(像粘土渗吸)；没有提及可能的化学反应。
这些示例证明存在许多显著影响通过饱和多孔固体的输运的现象；并且无法先验地确定，在现实条件下所考虑的材料能够由某个标准宏观连续介质模型充分地描述。微观模型能够提供宏观描述以外的大量信息。它能够验证宏观模型，或显示出宏观模型的局限性，或者甚至能够显示出宏观模型的不适用性。
现代计算设施提供了直接使用多孔固体的微模型以在给定的外部条件下计算热量、质量、化学以及电通量的可能性。通过统计学手段能够归纳该数据以用于大规模的输运建模。
发明内容
本发明提供一种用于计算三维多孔介质的热量、质量、化学和电输运的方法。该方法包括通过但不限于X射线微断层摄影、3DNMR成像、根据岩石薄片分析的3D重建等，来获得三维多孔固体图像；通过连续应用图像滤波、分割以及多特性识别来对3D核心图像进行数字处理和形态分析，用以获得多孔固体样品的数字3D模型并且执行一组形态和几何的统计学特性分析；对于上述3D模型(多个模型)，利用数值解法在给定的边界条件下，(单独或组合地)对热量、质量、化学和电通量进行建模，该数值解法基于统计学多体问题方法并且考虑了系统的熵或亥姆霍兹能的函数式。该建模(单独或组合地)涵盖纯物质或多组分混合物的具有或不具有相变的单相饱和或多相饱和，具有或不具有与固体自身的化学相互作用，具有牛顿或非牛顿流变，具有或不具有表面活性剂，具有同质或异质润湿性，具有或不具有化学反应的热物理学、化学以及电磁现象；利用随机场和随机几何理论来生成在统计学上等价于上述模型(多个模型)的新模型；针对新模型，模拟热量、质量、化学和电通量；基于以上实现，对所获得的通量进行平均以用于宏观计算；可以检查现有的宏观模型对于所获得的通量的适用性，并且随后根据肯定的结果，可以估计对应的宏观系数。然而在否定结果的情况下，将直接利用通量对于边界条件的依赖性。
附图说明
图1A是多孔固体样品的3DX射线微断层摄影图像的单个2D切片的示意图。
图1B在孔空间和岩石识别之后图1A的示意性二进制索引图像视图。
图2是示出岩石(白色)和空洞(黑色)的空间分布的3D模型的示意图。
图3是示出在压力梯度等于50bar/m下，水和碳氢化合物流体的相速度作为水饱和度的函数的曲线图。
具体实施方式
本发明以下所阐述的优选实施例并非旨在限制所要保护的发明。
在本发明的实施例中，获得多孔固体样品的3DX射线微断层摄影图像(参见图1A)。随后，执行微断层摄影图像的处理，这有助于识别具有不同矿物成分的孔和颗粒(grain)。图1B中示出孔空间和岩石识别的结果。
对在先步骤中构建的3D模型的统计学特性进行分析。这能够有助于生成统计学上与初始3D模型的部分相同的3D对象(参见图2的示例)。
随后，对通过3D模型的油水混合物的输运进行模拟。可以考虑两种情况。在情况1中，两个流体均是牛顿流体。在情况2中，水是牛顿流体，而油是非牛顿流体。要强调的是，在情况2中，油的相渗透率是不存在的，因为无法定义油的粘度。
对于以下不同参数的数值进行该模拟：
流体特性：
情况1：
水具有牛顿流变，碳氢化合物流体具有牛顿流变。
水：ρw＝1000kg/m3、mw＝18kg/m3、μsw＝0.001Pa·s、μvw＝0.1Pa·s
碳氢化合物流体：ρh＝800kg/m3、mh＝100kg/m3、μsh＝0.003Pa·s、μvh＝0.1Pa·s
水-碳氢化合物流体界面的表面张力：σwh＝0.022N/m
情况2：
水具有牛顿流变，碳氢化合物流体具有非牛顿流变，即碳氢化合物流体是剪切增稠，也称作胀流性(dilatant)。在该情况下，无法定义宏观相渗透率。
水：ρw＝1000kg/m3、mw＝18kg/m3、μsw＝0.001Pa·s、μvw＝0.1Pa·s
碳氢化合物流体：ρh＝800kg/m3、mh＝100kg/m3、kh＝0.003Pa·sn、nh＝1.1
水-碳氢化合物流体界面的表面张力：σwh＝0.022N/m
其中
ρw-水质量密度；
ρh-碳氢化合物流体质量密度；
mw-水摩尔质量；
mh-碳氢化合物流体摩尔质量；
μsw，μvw-分别为水的剪切和体积粘度；
μsh，μvh-分别为碳氢化合物流体的剪切和体积粘度；
khPa·sn-碳氢化合物流体稠度指数；
nh-碳氢化合物流体稠度幂(power)；
多孔固体的特性：
岩石是均匀水湿的，接触角是25°。
边界条件：
由等于50bar/m的宏观压力梯度来驱动流体流动。
将在先步骤中获得的通量平均到所生成的3D微模型上。该结果在图3中示出。

Claims (6)

1.一种用于计算通过饱和多孔介质的热量、质量、化学和电通量的数值方法，包括：
获得所述饱和多孔介质的多孔固体样品的三维图像；
对所述三维图像进行数字处理和形态分析；
获得所述样品的数字三维模型并且执行一组形态和几何的统计学特性分析；
对于所述三维模型，在给定的边界条件下，单独或组合地对热量、质量、化学和电通量进行建模，其中，利用数值解法进行所述建模，该数值解法基于统计学多体问题方法并且考虑了熵或亥姆霍兹能的函数式；
利用随机场和随机几何理论生成在统计学上等价于所述样品的所述三维模型的新模型；以及
针对所述新模型，模拟热量、质量、化学和电通量。
2.根据权利要求1所述的数值方法，其中，通过连续应用图像滤波、分割以及多特性识别来对所述三维图像进行数字处理和形态分析。
3.根据权利要求1所述的数值方法，其中，通过X射线微断层摄影来获得三维图像。
4.根据权利要求1所述的数值方法，其中，通过三维NMR成像来获得三维图像。
5.根据权利要求1所述的数值方法，其中，通过根据岩石薄片分析的三维重建来获得三维多孔固体图像。
6.根据权利要求1所述的数值方法，其中，所述热量、质量、化学和电通量建模涵盖纯物质或多组分混合物的具有或不具有相变的单相饱和或多相饱和，具有或不具有与固体自身的化学相互作用，具有牛顿或非牛顿流变，具有或不具有表面活性剂，具有同质或异质润湿性，具有或不具有化学反应的热物理学、化学以及电磁现象。
CN200980160682.XA 2009-06-30 2009-06-30 计算三维多孔固体的热量、质量、化学以及电输运的数值方法 Active CN102804185B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2009/000322 WO2011002327A1 (en) 2009-06-30 2009-06-30 Numerical method of calculating heat, mass, chemical and electric transport for three-dimensional porous solid

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102804185A CN102804185A (zh) 2012-11-28
CN102804185B true CN102804185B (zh) 2016-07-06

Family

ID=43411224

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980160682.XA Active CN102804185B (zh) 2009-06-30 2009-06-30 计算三维多孔固体的热量、质量、化学以及电输运的数值方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8965740B2 (zh)
CN (1) CN102804185B (zh)
AU (1) AU2009349013B2 (zh)
BR (1) BRPI0924623A2 (zh)
CA (1) CA2767077C (zh)
WO (1) WO2011002327A1 (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013009512A2 (en) * 2011-07-12 2013-01-17 Ingrain, Inc. Method for simulating fractional multi-phase/multi-component flow through porous media
DE102011111240A1 (de) 2011-08-22 2013-02-28 Eads Deutschland Gmbh Parameterisationsverfahren, Modellierungsverfahren sowie Simulationsver-fahren sowie Vorrichtung zur Durchführung
CN104614654B (zh) * 2013-11-04 2017-09-19 华东师范大学 一种半导体多电学参数的自动化测试系统
WO2015102508A1 (en) * 2013-12-30 2015-07-09 Schlumberger Holdings Limited Method for estimating petrophysical properties of a hydrocarbon reservoir
CN105823706B (zh) * 2015-01-05 2018-09-04 中国石油天然气股份有限公司 气润湿性测试方法
CN106574981B (zh) 2015-08-17 2019-03-08 数岩科技（厦门）股份有限公司 针对多孔介质的核磁共振分析系统和方法
CN105957003B (zh) * 2016-04-25 2019-03-01 四川大学 基于学习的多孔介质超维重建方法
US10867085B2 (en) * 2017-03-10 2020-12-15 General Electric Company Systems and methods for overlaying and integrating computer aided design (CAD) drawings with fluid models
EP3682376A1 (en) 2017-09-15 2020-07-22 Saudi Arabian Oil Company Inferring petrophysical properties of hydrocarbon reservoirs using a neural network
CN108229011B (zh) * 2017-12-29 2021-03-30 中国地质大学（武汉） 一种页岩岩相发育主控因素判断方法、设备及存储设备
US10983237B2 (en) 2018-04-13 2021-04-20 Saudi Arabian Oil Company Enhancing seismic images
US10891462B2 (en) * 2018-06-29 2021-01-12 Saudi Arabian Oil Company Identifying geometrical properties of rock structure through digital imaging
CN112326524B (zh) * 2020-10-22 2022-07-19 中国石油大学(华东) 一种基于ct扫描图像的岩石孔渗测量方法
US11668847B2 (en) 2021-01-04 2023-06-06 Saudi Arabian Oil Company Generating synthetic geological formation images based on rock fragment images

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6516080B1 (en) * 2000-04-05 2003-02-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Numerical method of estimating physical properties of three-dimensional porous media
CN1570602A (zh) * 2003-03-26 2005-01-26 法国石油研究所 评价采自地下库藏的岩石切割物的物理参数的方法及装置
CN101040184A (zh) * 2004-09-07 2007-09-19 彼得罗模型公司 用于尺寸、外形和棱角性分析以及用于矿石和岩石颗粒的成分分析的设备和方法
US7284448B2 (en) * 2004-11-16 2007-10-23 University Of Florida Research Foundation, Inc. Device and method for passively measuring fluid and target chemical mass fluxes in natural and constructed non-porous fluid flow system

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1467475A1 (ru) * 1986-05-26 1989-03-23 Симферопольский государственный университет им.М.В.Фрунзе Способ регистрации спектров ЯМР магнитоупор доченных веществ
US6826520B1 (en) * 1999-06-24 2004-11-30 Exxonmobil Upstream Research Company Method of upscaling permeability for unstructured grids
RU2242025C1 (ru) * 2003-09-11 2004-12-10 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ Сцинтиллятор для визуализации рентгеновского излучения
AU2008330068B8 (en) * 2007-11-27 2013-11-21 Exxonmobil Upstream Research Company Method for determining the properties of hydrocarbon reservoirs from geophysical data
US8044350B2 (en) * 2007-11-29 2011-10-25 Washington University Miniaturized ultrafine particle sizer and monitor
US8725477B2 (en) * 2008-04-10 2014-05-13 Schlumberger Technology Corporation Method to generate numerical pseudocores using borehole images, digital rock samples, and multi-point statistics
US8630831B2 (en) * 2008-06-16 2014-01-14 Schlumberger Technology Corporation Streamline flow simulation of a model that provides a representation of fracture corridors
US20110004447A1 (en) * 2009-07-01 2011-01-06 Schlumberger Technology Corporation Method to build 3D digital models of porous media using transmitted laser scanning confocal mircoscopy and multi-point statistics

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6516080B1 (en) * 2000-04-05 2003-02-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Numerical method of estimating physical properties of three-dimensional porous media
CN1570602A (zh) * 2003-03-26 2005-01-26 法国石油研究所 评价采自地下库藏的岩石切割物的物理参数的方法及装置
CN101040184A (zh) * 2004-09-07 2007-09-19 彼得罗模型公司 用于尺寸、外形和棱角性分析以及用于矿石和岩石颗粒的成分分析的设备和方法
US7284448B2 (en) * 2004-11-16 2007-10-23 University Of Florida Research Foundation, Inc. Device and method for passively measuring fluid and target chemical mass fluxes in natural and constructed non-porous fluid flow system

Also Published As

Publication number Publication date
US20120150510A1 (en) 2012-06-14
AU2009349013A2 (en) 2012-03-01
US8965740B2 (en) 2015-02-24
CN102804185A (zh) 2012-11-28
CA2767077C (en) 2017-02-28
BRPI0924623A2 (pt) 2016-03-01
AU2009349013B2 (en) 2015-12-10
WO2011002327A1 (en) 2011-01-06
AU2009349013A1 (en) 2012-02-16
CA2767077A1 (en) 2011-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102804185B (zh) 计算三维多孔固体的热量、质量、化学以及电输运的数值方法
CN110210103B (zh) 一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法
Song et al. A new method to reconstruct structured mesh model from micro-computed tomography images of porous media and its application
Bodla et al. 3D reconstruction and design of porous media from thin sections
Guo et al. Accurate modeling and reconstruction of three-dimensional percolating filamentary microstructures from two-dimensional micrographs via dilation-erosion method
Dyck et al. A new approach to digital generation of spherical void phase porous media microstructures
Shehzad Magnetohydrodynamic Jeffrey nanoliquid flow with thermally radiative Newtonian heat and mass species
Fagbemi et al. Numerical modeling of strongly coupled microscale multiphase flow and solid deformation
Liu et al. Improvement of predictions of petrophysical transport behavior using three-dimensional finite volume element model with micro-CT images
Hejri et al. Cooling of an electronic processor based on numerical analysis on natural convection and entropy production over a dissipating fin equipped with copper oxide/water nanofluid with Koo-Kleinstreuer-Li model
Khan et al. Computational analysis of the dynamics of generalized-viscoelastic-fluid-based nanofluids subject to exothermic-reaction in shear-flow
Jino et al. Cu-water nanofluid MHD quadratic natural convection on square porous cavity
Namdari et al. Numerical solution for transient heat transfer in longitudinal fins
Lee et al. A review on direct two-phase, phase change flow simulation methods and their applications
Srinivasacharya et al. Magnetic effect on free convection in a non-darcy porous medium saturated with doubly stratified power-law fluid
Aghbari et al. Soret-Dufour effect on mixed convection past a vertical plate in non-Darcy porous medium saturated with Buongiorno nanofluid in the presence of thermal dispersion
Bisht et al. Computation of Darcy‐Forchheimer flow of Sisko nanofluid over a stretching cylinder
Tawerghi et al. A computational study on the effective properties of heterogeneous random media containing particulate inclusions
Alizadeh et al. A generalized local grid refinement approach for modeling of multi-physicochemical transports by lattice Boltzmann method
Fuchs et al. Mesh resolution consideration for the viability prediction of lost salt cores in the high pressure die casting process
Souby et al. Hydrothermal characteristics and irreversibility behavior of microchannel heat sink operated with hybrid nanofluids: A critical assessment
Wei et al. Infiltration behavior of copper melt into porous graphite and saturation improvement by WC particles doping
Raizah Natural convection from cross blade inside a nanofluid-filled cavity using ISPH method
Schiaffino et al. Computational Study of High Temperature Liquid Metal Infusion
Zhou et al. A New Theory on Transfer and Dissipation of Viscous Energy in Compressible, Viscous Fluid Flow

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant