CN111767631B - 一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统 - Google Patents

一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统，包括获取岩心样本的三维灰度图像；根据多个灰度阈值范围对三维灰度图像中每个像素点进行分类、编号，得到每个编号对应的像素点集合；根据编号对应的像素点集合建立初始数字岩心数据库；初始数字岩心数据库包括每个像素点对应的像素点编号和像素点位置；根据初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库；对破裂后的数字岩心数据库进行可视化，得到岩心裂纹扩展过程的模拟结果。本发明提供的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统能够真实地模拟岩石裂纹扩展，能够精确、真实的评价应力对岩石类多孔介质的作用。

Description

一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统
技术领域
本发明涉及岩石裂纹扩展技术领域，特别是涉及一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统。
背景技术
岩石在应力的作用下会发生变形，当变形超过自身限度时，会出现一定程度的损伤破坏。这一现象在各类工程应用中都广泛存在。在地热以及油气开采过程中，岩石的破坏可以增加流动通道，提高产量。而在楼房、桥梁等建筑结构中，由混凝土损伤破坏产生的裂缝，会降低建筑的承重能力，存在安全隐患。如何评估应力对岩石类多孔介质的破坏程度，是各类工程问题需要考虑的关键问题。基于符合真实情况的物理模型，应用符合破坏规律的模拟方法是解决这一问题的关键。
应用CT扫描技术构建数字岩心是目前多孔介质建模的有效方法。相比于孔隙空间，骨架空间的物性参数往往很大，所以岩石各组分的差异往往被忽略，基于CT扫描图像的分割过程只是简单的分割为孔隙与骨架两相。在模拟的过程中，往往也只是简单的对整体的骨架物性参数进行定义。近场动力学作为新兴的模拟多孔介质损伤破坏的方法，在理论上解决了破坏过程中位移场不连续的问题。应用近场动力学模拟岩石的裂纹扩展往往是将岩石的整体性质赋与物理模型，将物理模型简化为参数一致的物质点，并没有考虑岩石自身的不同组分的物理性质，岩石整体的各向异性特征无法在物理模型中进行考虑。进而，不能精确的、真实的评价应力对岩石类多孔介质的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统，能够真实地模拟岩石裂纹扩展，具有精确的、真实的评价应力对岩石类多孔介质的作用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法包括：
获取岩心样本的三维灰度图像；
根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合；不同的灰度阈值范围对应不同的岩石组分，不同的灰度阈值范围对应不同的编号；
根据所有编号对应的像素点集合建立初始数字岩心数据库；所述初始数字岩心数据库包括每个像素点对应的像素点编号和像素点位置；
根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库；
对所述破裂后的数字岩心数据库进行可视化，得到岩心裂纹扩展过程的模拟结果。
可选的，所述获取岩心样本的三维灰度图像，之后还包括：
在所述三维灰度图像中提取设定像素点位置范围的表征单元体，得到提取后的三维灰度图像。
可选的，根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合，之前还包括：
根据所述三维灰度图像生成岩心样本的灰度分布图；所述灰度分布图为所述三维灰度图像中像素点处于每个灰度值的像素点个数分布图；
获取每个岩石组分对应的灰度范围；
根据所述岩心样本的灰度分布图和每个岩石组分对应的灰度范围，确定对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号的多个灰度阈值范围。
可选的，根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合，具体包括：
将所述三维灰度图像按照灰度阈值范围从小到大的顺序依次编号为0相至N相，得到0相至N相中每一相对应的像素点集合，N为大于0的整数。
可选的，所述根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库，具体包括：
获取近场动力学模型的边界条件；
将所述三维灰度图像中的像素点作为物质点，获取所有物质点的参数，所述参数包括：物质点的体积模量、物质点的剪切模量、物质点的密度、物质点的体积、物质点的位置、物质点的编号和物质点的临界断裂距离；
对于任一物质点i，获取所述物质点i在当前时间步时的加权体积；
根据所述物质点i在当前时间步时的加权体积确定所述物质点i在当前时间步时的体积膨胀率；
根据所述物质点i在当前时间步时的加权体积和所述物质点i在当前时间步时的体积胀率确定所述物质点i在当前时间步时的内力密度矢量；
根据所述近场动力学中的物质点i的参数和所述物质点i在当前时间步时的力密度矢量确定物质点i在当前时间步时的位置；
获取所述物质点i与相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量；
判断所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量是否大于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，得到第一判断结果；
当所述第一判断结果表示所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量大于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离时，构建新的物质点，所述新的物质点位于所述物质点i与所述相邻物质点j的中间位置；
将所述新的物质点编号设置为0；
将所述物质点i与所述新的物质点之间的相互作用键初始化，将所述物质点j与所述新的物质点之间的相互作用键初始化；根据所述物质点i与所述新的物质点之间的相互作用键初始化和所述物质点j与所述新的物质点之间的相互作用键初始化建立初始数字岩心库；
当第一判断结果表示所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量小于或等于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离时，则更新当前时间步，并跳转至所述获取所述物质点i在当前时间步时的加权体积的步骤；
根据所有新的物质点的位置和所述新的物质点的编号以及所述初始数字岩心库建立破裂后的数字岩心数据库。
可选的，利用公式
Figure BDA0002153579840000041
计算所述物质点i在当前时间步的加权体积，
Figure BDA0002153579840000042
为所述物质点i在当前时间步的加权体积，
Figure BDA0002153579840000043
为所述物质点i在上一时间步的加权体积，ω为高斯影响函数，
Figure BDA0002153579840000044
δ为近场范围，ξ为所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相对位置矢量；Vj物质点j的体积；
利用公式
Figure BDA0002153579840000045
计算所述物质点i在当前时间步的体积膨胀率，
Figure BDA0002153579840000046
为物质点i在当前时间步的体积膨胀率，
Figure BDA0002153579840000047
为所述物质点i在上一时间步的体积膨胀率，e为物质点i对相互作用键的伸长状态，e＝|ξ-η|-|ξ|，η为所述物质点i与所述相邻物质点j相对位移矢量；
利用公式
Figure BDA0002153579840000048
计算所述物质点的i在当前时间步的内力密度矢量，fi n+1为所述物质点的i在当前时间步的内力密度矢量，fi n为所述物质点的i在上一时间步的内力密度矢量，t为所述物质点i在当前时间步的标量力状态，
Figure BDA0002153579840000049
k所述物质点i体积模量，μ为所述物质点i的剪切模量，e d为所述物质点i和所述相邻物质点j之间相互作用键的伸长状态的偏张量，
Figure BDA00021535798400000410
M为所述物质点i与所述相邻物质点j单位向量，
Figure BDA00021535798400000411
可选的，所述获取所述物质点i与相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量，具体包括：
利用公式
Figure BDA00021535798400000412
计算所述物质点i在时间步n+1时的位置，
Figure BDA00021535798400000413
为所述物质点i在时间步n+1时的位置矢量，
Figure BDA00021535798400000414
为物质点i在当前时间步时位移矢量，
Figure BDA0002153579840000051
为所述物质点i在当前时间步与上一时间步的中间时间步的速度，
Figure BDA0002153579840000052
Figure BDA0002153579840000053
为所述物质点i在当前时间步的速度，Δt为时间步长，ρi为所述物质点i的密度；
利用公式
Figure BDA0002153579840000054
计算所述物质点i和物质点j之间相互作用键在当前时间步时的伸长量，Sn+1为所述物质点i和物质点j之间相互作用键在当前时间步时的伸长量，ξn+1为在当前时间步时所述物质点i和所述相邻物质点j相对位置矢量，ηn+1为在当前时间步时的所述物质点i和所述相邻物质点j相对位移矢量。
可选的，所述获取所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，之前还包括：
利用公式
Figure BDA0002153579840000055
计算所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，S0所述物质点i与所述相邻物质点j临界断裂距离，Go为断裂相互键在单位面积上所需要的功，δ为近场范围。
一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统，所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统包括：
三维灰度图像获取模块，用于获取岩心样本的三维灰度图像；
编号模块，用于根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合；不同的灰度阈值范围对应不同的岩石组分，不同的灰度阈值范围对应不同的编号；
初始数字岩心数据库建立模块，用于根据所有编号对应的像素点集合建立初始数字岩心数据库；所述初始数字岩心数据库包括每个像素点对应的像素点编号和像素点位置；
破裂后的数字岩心数据库建立模块，用于根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库；
可视化模块，用于对所述破裂后的数字岩心数据库进行可视化，得到岩心裂纹扩展过程的模拟结果。
可选的，所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统还包括：
灰度分布图生成模块，用于根据所述三维灰度图像生成岩心样本的灰度分布图；所述灰度分布图为每个灰度值对应所述三维灰度图像中像素点个数；
岩石组分对应的灰度范围获取模块，用于获取每个岩石组分对应的灰度范围；
灰度阈值范围确定模块，用于根据所述岩心样本的灰度分布图和每个岩石组分对应的灰度范围，确定对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号的多个灰度阈值范围。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统，通过将对岩心样本的三维灰度图像进行多相分割，建立符合岩石真实情况的数字岩心数据库，并通过建立数字岩心数据库像素点与近场动力学理论的物质点之间的联系，进行近场动力学损伤破坏模拟，评估应力对岩石类多孔介质的作用，将岩石自身的不同组分的物理性质以及岩石整体的各向异性特征在真实的物理模型中模拟岩石裂纹扩展，真实的展现岩石类多孔介质的损伤破坏过程，本发明提供的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统具有精确的、真实的评价应力对岩石类多孔介质的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法流程示意图；
图2为本发明实施例岩心样本的灰度分布图；
图3为不同时间步下可视化后的岩石裂纹扩展结果；其中，(a)部分为上一时间步可视化后的岩石裂纹扩展结果，(b)部分为当前时间步可视化后的岩石裂纹扩展结果，(c)部分为下一时间步可视化后的岩石裂纹扩展结果；
图4为本发明实施例一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统结构示意图；
附图标记：1-三维灰度图像获取模块，2-编号模块，3-初始数字岩心数据库建立模块，4-破裂后的数字岩心数据库建立模块，5-可视化模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法及系统，能够真实地模拟岩石裂纹扩展，具有精确的、真实的评价应力对岩石类多孔介质的作用。
图1为本发明实施例一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法流程示意图，如图1所示，所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法包括：
S100，获取岩心样本的三维灰度图像。
S101，根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合；不同的灰度阈值范围对应不同的岩石组分，不同的灰度阈值范围对应不同的编号。
S102，根据所有编号对应的像素点集合建立初始数字岩心数据库；所述初始数字岩心数据库包括每个像素点对应的像素点编号和像素点位置。
S103，根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库。
S104，对所述破裂后的数字岩心数据库进行可视化，得到岩心裂纹扩展过程的模拟结果。
在S100中，根据CT扫描设备对所述岩心样本进行扫描，得到设定扫描分辨率的所述岩心样本的三维灰度图像。
为了提高计算效率，在所述三维灰度图像中提取设定像素点位置范围的表征单元体，得到提取后的三维灰度图像。
所述表征单元体设定为400*400*400像素。
并且，为了保证分析图像的准确性，对三维灰度图像进行平滑处理。
具体的，所述根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合，之前还包括：
根据所述三维灰度图像生成岩心样本的灰度分布图；如图2本发明实施例岩心样本的灰度分布图所示，所述灰度分布图为所述三维灰度图像中像素点处于每个灰度值的像素点个数分布图。
获取每个岩石组分对应的灰度范围。
根据所述岩心样本的灰度分布图和每个岩石组分对应的灰度范围，确定对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号的多个灰度阈值范围。
所述根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合，具体包括：
将所述三维灰度图像按照灰度阈值范围从小到大的顺序依次编号为0相至N相，得到0相至N相中每一相对应的像素点集合，N为大于0的整数。
所述根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库，具体包括：
获取近场动力学模型的边界条件。
将所述三维灰度图像中的像素点作为物质点，获取所有物质点的参数，所述参数包括：物质点的体积模量、物质点的剪切模量、物质点的密度、物质点的体积、物质点的位置、物质点的编号和物质点的临界断裂距离。
对于任一物质点i，获取所述物质点i在当前时间步时的加权体积。
根据所述物质点i在当前时间步时的加权体积确定所述物质点i在当前时间步时的体积膨胀率。
根据所述物质点i在当前时间步时的加权体积和所述物质点i在当前时间步时的体积胀率确定所述物质点i在当前时间步时的内力密度矢量。
根据所述近场动力学中的物质点i的参数和所述物质点i在当前时间步时的力密度矢量确定物质点i在当前时间步时的位置。
获取所述物质点i与相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量。
当物质点i和物质点j之间的相对位置矢量小于或等于所述近场范围时，物质点i和物质点j共用一个相互作用键。
获取所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离。
判断所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量是否大于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，得到第一判断结果。
当所述第一判断结果表示所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量大于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离时，将所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离更新为∞，构建新的物质点，所述新的物质点位于所述物质点i与所述相邻物质点j的中间位置。
将所述新的物质点编号设置为0。
将所述物质点i与所述新的物质点之间的相互作用键初始化，将所述物质点j与所述新的物质点之间的相互作用键初始化；根据所述物质点i与所述新的物质点之间的相互作用键初始化和所述物质点j与所述新的物质点之间的相互作用键初始化建立初始数字岩心库。
当第一判断结果表示所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量小于或等于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离时，则更新当前时间步，并跳转至所述获取所述物质点i在当前时间步时的加权体积的步骤。
根据所有新的物质点的位置和所述新的物质点的编号以及所述初始数字岩心库建立破裂后的数字岩心数据库。
具体的，利用公式
Figure BDA0002153579840000101
计算所述物质点i在当前时间步的加权体积，
Figure BDA0002153579840000102
为所述物质点i在当前时间步的加权体积，
Figure BDA0002153579840000103
为所述物质点i在上一时间步的加权体积，ω为高斯影响函数，
Figure BDA0002153579840000104
δ为近场范围，δ为所述设定扫描分辨率的3倍，ξ为所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相对位置矢量；Vj物质点j的体积。
当n＝0时，物质点i加权体积初始值
Figure BDA0002153579840000105
利用公式
Figure BDA0002153579840000106
计算所述物质点i在当前时间步的体积膨胀率，
Figure BDA0002153579840000107
为物质点i在当前时间步的体积膨胀率，
Figure BDA0002153579840000108
为所述物质点i在上一时间步的体积膨胀率，e为物质点i对相互作用键的伸长状态，e＝|ξ-η|-|ξ|，η为所述物质点i与所述相邻物质点j相对位移矢量。
当n＝0时，物质点i体积膨胀率初始值
Figure BDA0002153579840000109
利用公式
Figure BDA00021535798400001010
计算所述物质点的i在当前时间步的内力密度矢量，fi n+1为所述物质点的i在当前时间步的内力密度矢量，fi n为所述物质点的i在上一时间步的内力密度矢量，t为所述物质点i在当前时间步的标量力状态，
Figure BDA00021535798400001011
k所述物质点i体积模量，μ为所述物质点i的剪切模量，e d为所述物质点i和所述相邻物质点j之间相互作用键的伸长状态的偏张量，
Figure BDA00021535798400001012
e为物质点i对相互作用键的伸长状态，e＝|ξ-η|-|ξ|，η为所述物质点i与所述相邻物质点j相对位移矢量，M为所述物质点i与所述相邻物质点j单位向量，
Figure BDA00021535798400001013
当n＝0时，物质点i力密度矢量初始值fi n＝0＝0。
所述获取所述物质点i与相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量，具体包括：
利用公式
Figure BDA0002153579840000111
计算所述物质点i在时间步n+1时的位置，
Figure BDA0002153579840000112
为所述物质点i在时间步n+1时的位置，
Figure BDA0002153579840000113
为物质点i在当前时间步时位移矢量，
Figure BDA0002153579840000114
为所述物质点i在当前时间步与上一时间步的中间时间步的速度，
Figure BDA0002153579840000115
Figure BDA0002153579840000116
为所述物质点i在当前时间步的速度，Δt为时间步长，ρi为所述物质点i的密度。
利用公式
Figure BDA0002153579840000117
计算所述物质点i和物质点j之间相互作用键在当前时间步时的伸长量，Sn+1为所述物质点i和物质点j之间相互作用键在当前时间步时的伸长量，ξn+1为在当前时间步时所述物质点i和所述相邻物质点j相对位置矢量，ηn+1为在当前时间步时的所述物质点i和所述相邻物质点j相对位移矢量。
所述获取所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，之前还包括：
利用公式
Figure BDA0002153579840000118
计算所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，S0所述物质点i与所述相邻物质点j临界断裂距离，Go为断裂相互键在单位面积上所需要的功，δ为近场范围。
具体的，设置物质点i的位置为(x,y,z)i，物质点j的位置为(x,y,z)j，
Figure BDA0002153579840000119
图3为不同时间步下可视化后的岩石裂纹扩展结果，(a)部分为上一时间步可视化后的岩石裂纹扩展结果，(b)部分为当前时间步可视化后的岩石裂纹扩展结果，(c)部分为下一时间步可视化后的岩石裂纹扩展结果，通过不同时间步下可视化后的岩石裂纹扩展结果，本发明真实地模拟岩石裂纹扩展并真实的展现岩石类多孔介质的损伤破坏过程。
图4为本发明实施例一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统结构示意图，如图4所示，本发明提供的实施例一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统包括三维灰度图像获取模块1、编号模块2、初始数字岩心数据库建立模块3、破裂后的数字岩心数据库建立模块4和可视化模块5。
其中，三维灰度图像获取模块1用于获取岩心样本的三维灰度图像。
编号模块2用于根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合；不同的灰度阈值范围对应不同的岩石组分，不同的灰度阈值对应不同的编号。
初始数字岩心数据库建立模块3用于根据所有编号对应的像素点集合建立初始数字岩心数据库；所述初始数字岩心数据库包括每个编号对应的像素点和像素点位置。
破裂后的数字岩心数据库建立模块4用于根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库。
可视化模块5用于对所述破裂后的数字岩心数据库进行可视化，得到岩心裂纹扩展过程的模拟结果。
所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统还包括灰度分布图生成模块、岩石组分对应的灰度范围获取模块和灰度阈值范围确定模块，
灰度分布图生成模块用于根据所述三维灰度图像生成岩心样本的灰度分布图；所述灰度分布图为每个灰度值对应所述三维灰度图像中像素点个数。
岩石组分对应的灰度范围获取模块用于获取每个岩石组分对应的灰度范围。
灰度阈值范围确定模块用于根据所述岩心样本的灰度分布图和每个岩石组分对应的灰度范围，确定对所述三维灰度图像中每个像素点进行编号的多个灰度阈值范围。
本发明提供的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法即系统，通过CT扫描技术可以建立真实多孔介质的数字岩心，相比于传统的各种简化建模的方法，更具真实性和代表性。基于CT扫描图像的多相分割方法可以将岩石骨架的不同组分加以区分，更符合岩石的多向异性特征。数字岩心技术是将多孔介质进行数字化建模，便于进行各种模拟过程。同时由于真实多孔介质的数字化，可以人为加入各种形态的储集空间(裂缝、孔洞等)，可以针对不同储集空间进行模拟。
近场动力学理论是通过将连续介质离散化为相互作用的、含有初始信息的物质点，进行损伤破坏模拟，由于并没有预设破坏方向，模拟的是自发破坏过程，相较于有限元、有限差分等方法更为真实。
数字岩心是根据真实多孔介质像素点的不同类型进行数字化建模。近场动力学方法是将连续介质离散为物质点，并赋予物质点类型、位置、速度、密度等进行建模。像素点与物质点本质上是相通的，将数字岩心技术与近场动力学理论相结合，用于模拟真实多孔介质裂纹扩展的损伤破坏过程，精度更高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法包括：
获取岩心样本的三维灰度图像；
根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合；不同的灰度阈值范围对应不同的岩石组分，不同的灰度阈值范围对应不同的编号；
根据所有编号对应的像素点集合建立初始数字岩心数据库；所述初始数字岩心数据库包括每个像素点对应的像素点编号和像素点位置；
根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库；
对所述破裂后的数字岩心数据库进行可视化，得到岩心裂纹扩展过程的模拟结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，所述获取岩心样本的三维灰度图像，之后还包括：
在所述三维灰度图像中提取设定像素点位置范围的表征单元体，得到提取后的三维灰度图像。
3.根据权利要求1所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合，之前还包括：
根据所述三维灰度图像生成岩心样本的灰度分布图；所述灰度分布图为所述三维灰度图像中像素点处于每个灰度值的像素点个数分布图；
获取每个岩石组分对应的灰度范围；
根据所述岩心样本的灰度分布图和每个岩石组分对应的灰度范围，确定对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号的多个灰度阈值范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合，具体包括：
将所述三维灰度图像按照灰度阈值范围从小到大的顺序依次编号为0相至N相，得到0相至N相中每一相对应的像素点集合，N为大于0的整数。
5.根据权利要求1所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，所述根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库，具体包括：
获取近场动力学模型的边界条件；
将所述三维灰度图像中的像素点作为物质点，获取所有物质点的参数，所述参数包括：物质点的体积模量、物质点的剪切模量、物质点的密度、物质点的体积、物质点的位置、物质点的编号和物质点的临界断裂距离；
对于任一物质点i，获取所述物质点i在当前时间步时的加权体积；
根据所述物质点i在当前时间步时的加权体积确定所述物质点i在当前时间步时的体积膨胀率；
根据所述物质点i在当前时间步时的加权体积和所述物质点i在当前时间步时的体积胀率确定所述物质点i在当前时间步时的内力密度矢量；
根据所述近场动力学中的物质点i的参数和所述物质点i在当前时间步时的力密度矢量确定物质点i在当前时间步时的位置；
获取所述物质点i与相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量；
判断所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量是否大于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，得到第一判断结果；
当所述第一判断结果表示所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量大于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离时，构建新的物质点，所述新的物质点位于所述物质点i与所述相邻物质点j的中间位置；
将所述新的物质点编号设置为0；
将所述物质点i与所述新的物质点之间的相互作用键初始化，将所述物质点j与所述新的物质点之间的相互作用键初始化；根据所述物质点i与所述新的物质点之间的相互作用键初始化和所述物质点j与所述新的物质点之间的相互作用键初始化建立初始数字岩心库；
当第一判断结果表示所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量小于或等于所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离时，则更新当前时间步，并跳转至所述获取所述物质点i在当前时间步时的加权体积的步骤；
根据所有新的物质点的位置和所述新的物质点的编号以及所述初始数字岩心库建立破裂后的数字岩心数据库。
6.根据权利要求5所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，
利用公式
Figure FDA0002153579830000031
计算所述物质点i在当前时间步的加权体积，
Figure FDA0002153579830000032
为所述物质点i在当前时间步的加权体积，
Figure FDA0002153579830000033
为所述物质点i在上一时间步的加权体积，ω为高斯影响函数，
Figure FDA0002153579830000034
δ为近场范围，ξ为所述物质点i与所述相邻物质点j之间的相对位置矢量；Vj物质点j的体积；
利用公式
Figure FDA0002153579830000035
计算所述物质点i在当前时间步的体积膨胀率，
Figure FDA0002153579830000036
为物质点i在当前时间步的体积膨胀率，
Figure FDA0002153579830000037
为所述物质点i在上一时间步的体积膨胀率，e为物质点i对相互作用键的伸长状态，e＝|ξ-η|-|ξ|，η为所述物质点i与所述相邻物质点j相对位移矢量；
利用公式fi n+1＝fi n+tMV j计算所述物质点的i在当前时间步的内力密度矢量，fi n+1为所述物质点的i在当前时间步的内力密度矢量，fi n为所述物质点的i在上一时间步的内力密度矢量，t为所述物质点i在当前时间步的标量力状态，
Figure FDA0002153579830000041
k所述物质点i体积模量，μ为所述物质点i的剪切模量，e d为所述物质点i和所述相邻物质点j之间相互作用键的伸长状态的偏张量，
Figure FDA0002153579830000042
M为所述物质点i与所述相邻物质点j单位向量，
Figure FDA0002153579830000043
7.根据权利要求6所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，所述获取所述物质点i与相邻物质点j之间的相互作用键在当前时间步时的伸长量，具体包括：
利用公式
Figure FDA0002153579830000044
计算所述物质点i在时间步n+1时的位置，
Figure FDA0002153579830000045
为所述物质点i在时间步n+1时的位置矢量，
Figure FDA0002153579830000046
为物质点i在当前时间步时位移矢量，
Figure FDA0002153579830000047
为所述物质点i在当前时间步与上一时间步的中间时间步的速度，
Figure FDA0002153579830000048
Figure FDA0002153579830000049
为所述物质点i在当前时间步的速度，Δt为时间步长，ρi为所述物质点i的密度；
利用公式
Figure FDA00021535798300000410
计算所述物质点i和物质点j之间相互作用键在当前时间步时的伸长量，Sn+1为所述物质点i和物质点j之间相互作用键在当前时间步时的伸长量，ξn+1为在当前时间步时所述物质点i和所述相邻物质点j相对位置矢量，ηn+1为在当前时间步时的所述物质点i和所述相邻物质点j相对位移矢量。
8.根据权利要求5所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的方法，其特征在于，所述获取所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，之前还包括：
利用公式
Figure FDA00021535798300000411
计算所述物质点i与所述相邻物质点j之间的临界断裂距离，S0所述物质点i与所述相邻物质点j临界断裂距离，Go为断裂相互键在单位面积上所需要的功，δ为近场范围。
9.一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统，其特征在于，所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统包括：
三维灰度图像获取模块，用于获取岩心样本的三维灰度图像；
编号模块，用于根据多个灰度阈值范围对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号，得到每个编号对应的像素点集合；不同的灰度阈值范围对应不同的岩石组分，不同的灰度阈值范围对应不同的编号；
初始数字岩心数据库建立模块，用于根据所有编号对应的像素点集合建立初始数字岩心数据库；所述初始数字岩心数据库包括每个像素点对应的像素点编号和像素点位置；
破裂后的数字岩心数据库建立模块，用于根据所述初始数字岩心数据库，采用近场动力学模型进行岩心裂纹扩展模拟，建立破裂后的数字岩心数据库；
可视化模块，用于对所述破裂后的数字岩心数据库进行可视化，得到岩心裂纹扩展过程的模拟结果。
10.根据权利要求9所述的一种基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统，其特征在于，所述基于多相数字岩心模拟岩石裂纹扩展的系统还包括：
灰度分布图生成模块，用于根据所述三维灰度图像生成岩心样本的灰度分布图；所述灰度分布图为每个灰度值对应所述三维灰度图像中像素点个数；
岩石组分对应的灰度范围获取模块，用于获取每个岩石组分对应的灰度范围；
灰度阈值范围确定模块，用于根据所述岩心样本的灰度分布图和每个岩石组分对应的灰度范围，确定对所述三维灰度图像中每个像素点进行分类，并将分类后的像素点进行编号的多个灰度阈值范围。
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