CN110136249A - 一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法 - Google Patents
一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，包括通过在非受力状态下对岩石试样进行三维CT扫描获得岩样模型数据，通过对扫描数据的处理和3D打印技术进行岩样模型的3D打印；分别对岩石试样和岩样模型进行受力状态下的力学渗流物理实验和实时CT扫描，并在建立3D数模的基础上进行渗流数值模拟；综合力学渗流物理实验的结果和实时CT扫描后气体渗流数值模拟的结果，分析其差异，并通过力学渗流物理实验结果反推数值模拟软件中最适用的气体流动方程。本发明的有益效果是，适用范围广；具有可视化和真实化，既可在勘探阶段进行储层优选，又可指导施工方案的制定，还可以降低灾害发生几率，促进安全开发，为探寻高效方法提供基础数据。
Description
技术领域
本发明属于储层岩石孔裂隙模拟技术，具体是一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法。
背景技术
储层岩石孔裂隙三维可视化是研究储层岩石孔裂隙结构的一个重要方法。储层岩石的三维可视化是指借助高倍光学显微镜、扫描电镜或CT等高精度仪器获取岩石的二维图像，通过对二维图像的处理进行三维重建，从而实现可视化的目标。用以实现储层岩石三维可视化的实验方法主要有序列成像法、聚焦扫描法和CT扫描法。
序列成像法是将用于实验的岩石样本打磨抛光得到平整的岩样面，用高倍光学显微镜拍摄其抛光面获取岩石结构图像，然后从平行于抛光面角度切除一层岩样薄片，将此薄片做抛光处理并用高倍光学显微镜进行拍摄，不断重复切割、抛光、拍摄，然后将所有二维图像按拍摄顺序组合便可以得到一个三维模型。聚焦扫描法是通过使用染色剂浸渍岩石样品的孔隙，借助聚焦扫描仪器对样品进行逐点扫描并记录染色剂对光的吸收与反射信号，并将其组合起来完成三维重建。CT法是指借助CT对岩样进行拍摄扫描得到一系列二维图像，然后通过软件或者自己编制的算法进行三维重构。具有精度高、不破坏样品、可扫描样品整体等优点。
以上所研究的储层岩石三维可视化方法虽然在一定程度上推动了储层岩石孔裂隙直观真实观测的发展，但仍存在一些不足：1)虽然序列成像法得到的二维图像具有很高的分辨率，但是其样品在抛光、切割后可能存在不可消除的误差，而且耗费时间较多。2)相比于序列成像法，聚焦扫描法所耗费的时间大大减少，但是其只能对一定厚度的切片进行扫描，存在一定的局限性。3)CT研究方法中多数所采用的试样尺寸较小，导致实验所获得的岩石孔裂隙分布和强度指标不具有可比性。4)CT研究方法中有些采用CT数来间接推测孔裂隙结构，可能导致结果不够真实准确。5)CT研究方法有些仅对二维图像进行分析，未建立相应的模型，无法开展下一步的模拟及3D打印。为此，需要对现有储层岩石三维可视化模拟方法进行进一步改进。
发明内容
本发明的目的就是针对技术中储层岩石孔裂隙模拟技术的不足，提供一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动模拟方法，用于不同种类、不同尺寸和不同应力条件的储层岩石孔裂隙三维可视化和储层气体流动的模拟。实现数字岩心的可视化和真实化，使得储层岩石孔裂隙结构以三维模型和实物方式再现。并利用孔裂隙的演化与开采的安全和效率密切相关的特性，使可视化模拟气体流动既可以在勘探阶段进行储层的优选，又可以指导开发阶段设计施工方案的制定，还可以降低一些灾害发生的几率，甚至避免其发生。以期促进油气资源的安全开发，为开发探寻高效方法提供基础数据。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。
一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，包括以下步骤：
S1，岩石试样原始状态扫描和岩样模型打印：通过在非受力状态下对岩石试样进行三维CT扫描获得岩样模型数据，通过对扫描数据的处理和3D打印技术进行岩样模型的3D打印；
S2，力学渗流物理实验和实时CT扫描后模拟：分别对岩石试样和岩样模型进行受力状态下的力学渗流物理实验和实时CT扫描，并在建立3D数模的基础上进行渗流数值模拟；
S3，对比分析并确定最佳渗流方程：综合力学渗流物理实验的结果和实时CT扫描后气体渗流数值模拟的结果，分析其差异，并通过力学渗流物理实验结果反推数值模拟软件中最适用的气体流动方程。
采用前述技术方案的本发明，通过CT扫描和模型构建软件进行模拟模型构建，并利用3D打印技术获得模型实物，再通过力学渗流物理实验对岩石试样和模拟模型进行对比实验，并进行分析比较，从而获得最适用的气体流动方程。本方法可用于不同种类、不同尺寸和不同应力条件的储层岩石孔裂隙三维可视化和储层气体流动的模拟。实现数字岩心的可视化和真实化，使得储层岩石孔裂隙结构以三维模型和实物方式再现。并利用孔裂隙的演化与开采的安全和效率密切相关的特性，使可视化模拟气体流动既可以在勘探阶段进行储层的优选，又可以指导开发阶段设计施工方案的制定，还可以降低一些灾害发生的几率，甚至避免其发生。以期促进油气资源的安全开发，为开发探寻高效方法提供基础数据。
优选的，所述岩石试样原始状态扫描和岩样模型打印步骤包括，
S11，岩石样品扫描：对岩石样品进行初始状态的CT扫描实验；
S12，扫描图像处理：对初始状态CT扫描得到的二维图像进行降噪、二值化和分割处理；
S13，建立3D模型：对处理后的图像通过设定算法或软件建立岩石样品3D数模；
S14，裂隙处理：将岩石样品孔裂隙作为实体结构，并利用分水岭算法将孔裂隙模型单独提取；
S15，定量分析孔裂隙结构特性、平滑处理并打印3D模型：
所述定量分析孔裂隙结构特性包括，借助最大球算法以孔裂隙模型为基础建立拓扑孔喉网络模型；根据孔喉模型定量计算孔隙体积、表面积、半径、孔隙率及裂隙长度和角度；
所述平滑处理并打印3D模型包括对初始状态的孔裂隙模型进行平滑处理，并将3D数模输出格式设定为.st1；以及将输出为.st1格式的孔裂隙模型导入到3D打印机中，并选取与岩样性质相近的透明材料进行3D打印，以获得透明的3D数模。
以确保所打印的3D模型基本与岩石试样相同。
进一步优选的，在S13的建立3D模型步骤中，所述设定算法包括LBM算法；所述软件包括Avizo、Mimics、Simpleware。以充分利用现有技术手段进行模型构建。
优选的，所述力学渗流物理实验和实时CT扫描后模拟包括，
S21，对不同应力条件下CT扫描得到的所有二维图像进行降噪、二值化、分割等处理；
S22，对处理后的图像通过设定算法或软件建立岩石样品3D数模；
S23，将不同应力条件下岩石样品的孔裂隙定义为实体结构，利用分水岭算法等将孔裂隙模型单独提取；
S24，定量分析孔裂隙结构特性和气体流动模拟：
所述定量分析孔裂隙结构特性包括，借助最大球算法以孔裂隙模型为基础建立拓扑孔喉网络模型；根据孔喉模型定量计算孔隙体积、表面积、半径、孔隙率及裂隙长度和角度；
所述气体流动模拟包括：
S24a，对不同应力条件下的孔裂隙模型进行平滑处理；
S24b，将平滑后的孔裂隙模型输出按设定格式输出，并导入数值模拟软件；
S24c，按照模型的大小，对导入到数值模拟软件中的孔裂隙模型选取合适的尺寸，进行网格的划分；
S24d，在数值模拟软件中，设置符合实际的边界条件；
S24e，根据储层气体的性质选取或添加恰当的模拟方程；
S24f，依据模拟方程进行不同应力条件下储层气体的流动模拟。
以获得不同应力条件下气体流动的模拟结果，为对比分析提供可靠依据，提高模拟方法的可行性。
进一步优选的，在S24b步骤中，所述设定格式包括.st1和.ans格式中的一种；所述数值模拟软件包括Comsol Multiphysics和Ansys Fluent中的一种。以充分利用现有技术手段进行模型构建。
进一步优选的，在S24d步骤中，所述边界条件包括入口压力、出口压力、弹性模量、孔隙率和动力粘度。以更加贴近岩石开采实际场景，进一步提高模拟方法的可行性。
本发明具有以下有益效果：
1、本方法CT扫描可对不同种类岩样、不同尺寸岩样、不同应力条件的储层岩石孔裂隙进行三维可视化，并模拟储层气体流动过程。
2、本方法结合孔裂隙结构模型、3D打印技术对岩样进行研究分析，使得孔裂隙结构可视化、实物化，真实观测孔裂隙结构变化规律；且可消除样品离散性，对相同孔裂隙结构试样进行不同应力条件下的力学特性和渗流特性实验。
3、本方法结合孔裂隙结构模型、气体模拟方程、3D打印技术对岩样进行研究分析使得气体流动过程可视化，比较气体流动实验和气体流动模拟的差异，探寻渗流规律。
4、本方法可比较气体流动实验和气体流动模拟的差异，修正适用于实际渗流特性的方程。
综上，本方法可用于不同种类、不同尺寸和不同应力条件的储层岩石孔裂隙三维可视化和储层气体流动的模拟。实现数字岩心的可视化和真实化，使得储层岩石孔裂隙结构以三维模型和实物方式再现。并利用孔裂隙的演化与开采的安全和效率密切相关的特性，使可视化模拟气体流动既可以在勘探阶段进行储层的优选，又可以指导开发阶段设计施工方案的制定，还可以降低一些灾害发生的几率，甚至避免其发生。以期促进油气资源的安全开发，为开发探寻高效方法提供基础数据。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明型作进一步的说明，实施例是示例性的，仅用于揭示和解释本发明型，以便充分理解本发明型，但并不因此将本发明型限制在所述的实施例范围之内。
参见图1，一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，包括以下步骤：
S1，岩石试样原始状态扫描和岩样模型打印：通过在非受力状态下对岩石试样进行三维CT扫描获得岩样模型数据，通过对扫描数据的处理和3D打印技术进行岩样模型的3D打印；
S2，力学渗流物理实验和实时CT扫描后模拟：分别对岩石试样和岩样模型进行受力状态下的力学渗流物理实验和实时CT扫描，并在建立3D数模的基础上进行渗流数值模拟；
S3，对比分析并确定最佳渗流方程：综合力学渗流物理实验的结果和实时CT扫描后气体渗流数值模拟的结果，分析其差异，并通过力学渗流物理实验结果反推数值模拟软件中最适用的气体流动方程。
其中，所述岩石试样原始状态扫描和岩样模型打印步骤包括，
S11，岩石样品扫描：对岩石样品进行初始状态的CT扫描实验；
S12，扫描图像处理：对初始状态CT扫描得到的二维图像进行降噪、二值化和分割处理；
S13，建立3D模型：对处理后的图像通过包括LBM等算法的设定算法，或包括Avizo、Mimics、Simpleware等软件的设定软件建立岩石样品3D数模；
S14，裂隙处理：将岩石样品孔裂隙作为实体结构，并利用分水岭算法将孔裂隙模型单独提取；
S15，定量分析孔裂隙结构特性、平滑处理并打印3D模型：
所述定量分析孔裂隙结构特性包括，借助最大球算法以孔裂隙模型为基础建立拓扑孔喉网络模型；根据孔喉模型定量计算孔隙体积、表面积、半径、孔隙率及裂隙长度和角度；
所述平滑处理并打印3D模型包括对初始状态的孔裂隙模型进行平滑处理，并将3D数模输出格式设定为.st1；以及将输出为.st1格式的孔裂隙模型导入到3D打印机中，并选取与岩样性质相近的透明材料进行3D打印，以获得透明的3D数模。
所述力学渗流物理实验和实时CT扫描后模拟包括，
S21，对不同应力条件下CT扫描得到的所有二维图像进行降噪、二值化、分割等处理；
S22，对处理后的图像通过设定算法或软件建立岩石样品3D数模；
S23，将不同应力条件下岩石样品的孔裂隙定义为实体结构，利用分水岭算法等将孔裂隙模型单独提取；
S24，定量分析孔裂隙结构特性和气体流动模拟：
所述定量分析孔裂隙结构特性包括，借助最大球算法以孔裂隙模型为基础建立拓扑孔喉网络模型；根据孔喉模型定量计算孔隙体积、表面积、半径、孔隙率及裂隙长度和角度；
所述气体流动模拟包括：
S24a，对不同应力条件下的孔裂隙模型进行平滑处理；
S24b，将平滑后的孔裂隙模型输出按包括.st1和.ans格式中任一种的设定格式输出，并导入数值模拟软件；
S24c，按照模型的大小，对导入到数值模拟软件中的孔裂隙模型选取合适的尺寸，进行网格的划分；
S24d，在包括Comsol Multiphysics和Ansys Fluent中任一种的数值模拟软件中，设置符合实际的包括入口压力、出口压力、弹性模量、孔隙率和动力粘度等边界条件；
S24e，根据储层气体的性质选取或添加恰当的模拟方程；
S24f，依据模拟方程进行不同应力条件下储层气体的流动模拟。
以上详细描述了本发明型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，岩石试样原始状态扫描和岩样模型打印：通过在非受力状态下对岩石试样进行三维CT扫描获得岩样模型数据，通过对扫描数据的处理和3D打印技术进行岩样模型的3D打印；
S2，力学渗流物理实验和实时CT扫描后模拟：分别对岩石试样和岩样模型进行受力状态下的力学渗流物理实验和实时CT扫描，并在建立3D数模的基础上进行渗流数值模拟；
S3，对比分析并确定最佳渗流方程：综合力学渗流物理实验的结果和实时CT扫描后气体渗流数值模拟的结果，分析其差异，并通过力学渗流物理实验结果反推数值模拟软件中最适用的气体流动方程。
2.根据权利要求1所述的储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，其特征在于，所述岩石试样原始状态扫描和岩样模型打印步骤包括，
S11，岩石样品扫描：对岩石样品进行初始状态的CT扫描实验；
S12，扫描图像处理：对初始状态CT扫描得到的二维图像进行降噪、二值化和分割处理；
S13，建立3D模型：对处理后的图像通过设定算法或软件建立岩石样品3D数模；
S14，裂隙处理：将岩石样品孔裂隙作为实体结构，并利用分水岭算法将孔裂隙模型单独提取；
S15，定量分析孔裂隙结构特性、平滑处理并打印3D模型：
所述定量分析孔裂隙结构特性包括，借助最大球算法以孔裂隙模型为基础建立拓扑孔喉网络模型；根据孔喉模型定量计算孔隙体积、表面积、半径、孔隙率及裂隙长度和角度；
所述平滑处理并打印3D模型包括对初始状态的孔裂隙模型进行平滑处理，并将3D数模输出格式设定为.st1；以及将输出为.st1格式的孔裂隙模型导入到3D打印机中，并选取与岩样性质相近的透明材料进行3D打印，以获得透明的3D数模。
3.根据权利要求2所述的储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，其特征在于，在S13的建立3D模型步骤中，所述设定算法包括LBM算法；所述软件包括Avizo、Mimics、Simpleware。
4.根据权利要求1所述的储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，其特征在于，所述力学渗流物理实验和实时CT扫描后模拟包括，
S21，对不同应力条件下CT扫描得到的所有二维图像进行降噪、二值化、分割等处理；
S22，对处理后的图像通过设定算法或软件建立岩石样品3D数模；
S23，将不同应力条件下岩石样品的孔裂隙定义为实体结构，利用分水岭算法等将孔裂隙模型单独提取；
S24，定量分析孔裂隙结构特性和气体流动模拟：
所述定量分析孔裂隙结构特性包括，借助最大球算法以孔裂隙模型为基础建立拓扑孔喉网络模型；根据孔喉模型定量计算孔隙体积、表面积、半径、孔隙率及裂隙长度和角度；
所述气体流动模拟包括：
S24a，对不同应力条件下的孔裂隙模型进行平滑处理；
S24b，将平滑后的孔裂隙模型输出按设定格式输出，并导入数值模拟软件；
S24c，按照模型的大小，对导入到数值模拟软件中的孔裂隙模型选取合适的尺寸，进行网格的划分；
S24d.在数值模拟软件中，设置符合实际的边界条件；
S24e，根据储层气体的性质选取或添加恰当的模拟方程；
S24f，依据模拟方程进行不同应力条件下储层气体的流动模拟。
5.根据权利要求4所述的储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，其特征在于，在S24b步骤中，所述设定格式包括.st1和.ans格式中的一种；所述数值模拟软件包括Comsol Multiphysics和Ansys Fluent中的一种。
6.根据权利要求4所述的储层岩石孔裂隙三维可视化和气体流动的模拟方法，其特征在于，在S24d步骤中，所述边界条件包括入口压力、出口压力、弹性模量、孔隙率和动力粘度。
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