JP2023099406A - Technique for digitalized multiphase fluid-structural coupled (fsi) penetration numerical value simulation in interior rock core experiment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、油ガス田開発分野に係わり、特に室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法に係わり、一般砂岩の油ガス鉱物に適用され、それに加えて、致密油ガス、頁岩油ガスと天然ガス水和物等の非一般油ガス鉱物にも適用され、更にCO2地質密封貯蔵技術にも適用される。 Field of the Invention The present invention relates to the field of oil and gas field development, especially to the digitalized multi-phase fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method in indoor rock core experiments, which is applied to general sandstone oil and gas minerals, In addition, it is also applied to non-general oil and gas minerals such as dense oil and gas, shale oil and gas and natural gas hydrates, and is also applied to CO2 geological sealed storage technology.
石油と天然ガスは、国民経済の高速発展を維持する為の重要なエネルギーの一つであるので、石油と天然ガスをどのように合理的に採掘し、且つ、その採取率をどのように向上するかは、長く油ガス田開発プロセス中の重要な問題である。実際に地下埋蔵地層の岩石内部穴・スロート構造が複雑であるので、実験手段でその中での流体浸透規則を明確化し難い。多くの研究者は、多孔媒体モデルを利用して、岩石内部における異なるタイプの流体の流動を模擬することによって、石油採取率の向上に役立つ方法を探す。デジタルコア(デジタル岩石コア)技術は、多孔媒体モデルの一つの分枝として、石油と天然ガス業界における地質、地震、物理検層、開発及び採取率向上等の各分野に用いることができる。デジタルコア技術は、岩石コアの微視的な物理学的特徴を保留できるので、岩石を無限回繰り返して使用するのを確保でき、重要な岩石物理実験数値シミュレーション・プラットフォームであり、岩石コア内部における各種の微視的な要素(例えば、空隙連結性と湿潤性等)による埋蔵地層に対する影響を定量的に研究でき、それに加えて、伝統的な物理実験で直接に測定できない物理的性質(例えば、油ガス水三相の相対浸透率)を計算できる。その広範な応用性に鑑みて、デジタルコアの研究は、石油と天然ガスの採取率向上に対して重要な意義を持っている。 Oil and natural gas are one of the important energies for maintaining the rapid development of the national economy. Whether to do so has long been an important issue during the oil and gas field development process. Since the structure of pits and throats inside rocks in underground deposits is actually complicated, it is difficult to clarify the rules of fluid infiltration in them by experimental means. Many researchers look for ways to help improve oil extraction rates by using porous media models to simulate the flow of different types of fluids inside rocks. Digital core (digital rock core) technology, as a branch of the porous media model, can be used in various fields such as geology, seismic, geological logging, exploitation and extraction enhancement in the oil and natural gas industry. The digital core technology can preserve the microscopic physical characteristics of the rock core, so it can ensure that the rock can be used infinitely, and is an important rock physical experiment numerical simulation platform. The effects of various microscopic factors (e.g., pore connectivity and wettability) on the reservoir can be quantitatively studied, in addition to physical properties that cannot be directly measured by traditional physical experiments (e.g., The relative permeability of the three phases of oil, gas, and water) can be calculated. In view of its wide range of applications, the research on digital cores has important implications for improving the extraction rate of oil and natural gas.
デジタルコアを応用して、各種の岩石物理実験研究を行う際に、一番基礎的な業務は、正確で、実際岩石に適合する三次元デジタルコア・モデルを構築することである。過去15年間に、実験用器具の革新と新理論の突破に伴い、国内外の研究チームは、デジタルコア・モデルの新しい構築方法を絶えず提出している。数年間の研究を経て、デジタル岩石コアの構築方法を、三つの種類、即ち、数値再建法、物理実験法と混合法に分ける。数値再建法は、少量の二次元薄片画像を基礎とし、二次元画像に含まれている情報を利用し、それに加えて、無作為シミュレーション法又は沈積岩のプロセスシミュレーション法を通して三次元デジタルコアを再建する方法である。当該方法で構築するモデルの正確度とモデリング効率が比較的低く、且つ、モデリング方法での制約条件の選択により、シミュレーション結果に偶然性があるようになる為、埋蔵地層の真実な岩石コアの特徴を再現し難い。物理実験法は、実験用器具を利用して、岩石コアサンプルを撮影したり、又は走査したりすることによって、大量な岩石コアの二次元写真を取得した後、モデリング・プログラム又はソフトウェアを通して、二次元写真を、三次元デジタルコアに重ね合わせたり、又は再構築したりすることを指す。但し、当該方法は、実験用器具(例えば、CTスキャナー)の解像度と精度によって制限されるので、構築するモデルのスケールが比較的小さく(一般にミリメートルのスケール)、モデルの代表性と工業的な応用は大きく制限される。鍾乳洞裂け目特徴を持つ岩石コアの微視的なパラメータの抽出と分析は、難しく、物理実験のコストが高く、且つ、サイクルが長い。混合法は、多種のモデリング方法を結びつけてそれぞれの長所を取り入れることによって、比較的正確な三次元モデルを構築できるが、構築するモデルのスケールは、依然として実際岩石コアと異なる。これと同時に、空隙スケールの浸透理論体系と数学モデルの不完備性によって制限される為、前記方法で構築するモデルにおけるシミュレーション結果は、実際の実験結果と、様々な程度で異なる。ここ数年来、核磁気共鳴画像法(MRI)の急速な進歩とコンピューターGPUチップの計算力(ハッシュレート)の著しい向上に伴って、室内実験における実際の岩石サンプルに相応するデジタル化された三次元岩石コアの空隙ネットワークモデルを構築し、空隙ネットワークモデル多相浸透理論、数学モデルと数値シミュレーション手法を整備し、それに加えて、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと空隙ネットワークモデル多相浸透数値シミュレーション手法を結びつけて、岩石コア浸透シミュレーション研究を実施する為に、重要な物的基礎を打ち立てた。これと同時に、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと空隙ネットワークモデル多相浸透数値シミュレーション手法という技術手法を生み出したので、石油と天然ガス関連業界の発展に対して重要な意義を持っている。 In the application of digital cores to conduct various rock physics experiments, the most basic task is to construct a three-dimensional digital core model that is accurate and suitable for actual rocks. In the past 15 years, with the innovation of experimental instruments and the breakthrough of new theories, domestic and foreign research teams have continuously put forward new construction methods of digital core models. After years of research, digital rock core construction methods are divided into three types: numerical reconstruction method, physical experiment method and mixing method. Numerical reconstruction methods are based on a small amount of 2D thin-section images, exploit the information contained in the 2D images, and additionally reconstruct a 3D digital core through random simulation methods or sedimentary rock process simulation methods. It is a way to The accuracy and modeling efficiency of the model constructed by this method are relatively low, and the selection of constraints in the modeling method causes the simulation results to be random, so the true rock core characteristics of the reserve stratum cannot be obtained. Hard to reproduce. The physical experiment method uses laboratory instruments to photograph or scan rock core samples to obtain a large number of two-dimensional photographs of rock cores, and then through modeling programs or software to obtain two-dimensional images. Refers to superimposing or reconstructing a dimensional photograph onto a three-dimensional digital core. However, the method is limited by the resolution and accuracy of the laboratory equipment (e.g., CT scanner), so the scale of the model to be constructed is relatively small (generally millimeter scale), and the representativeness of the model and its industrial application are limited. is greatly restricted. Extraction and analysis of microscopic parameters of rock cores with stalactite fracture features are difficult, costly physical experiments, and long cycles. The mixed method can build a relatively accurate three-dimensional model by combining various modeling methods and taking advantage of each, but the scale of the model to be built is still different from the actual rock core. At the same time, limited by the incompleteness of the pore-scale infiltration theory and the mathematical model, the simulation results in the model constructed by the method differ from the actual experimental results to varying degrees. In recent years, with the rapid progress of magnetic resonance imaging (MRI) and the remarkable increase in computing power (hash rate) of computer GPU chips, digitized three-dimensional rock samples corresponding to real rock samples in laboratory experiments have been developed. Build a pore network model of the rock core, develop a pore network model multiphase infiltration theory, a mathematical model and numerical simulation method, and digitize the pore network model of the rock core and the pore network model multiphase infiltration numerical value Combining the simulation methods, an important physical foundation was laid for carrying out the rock core seepage simulation study. At the same time, it has created the technical method of digitized rock core pore network model and pore network model multi-phase infiltration numerical simulation method, which has great significance for the development of oil and natural gas related industries. .
本発明の目的は、現有技術の不足点を克服することであり、具体的に言うと、室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法を提供して、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法を結びつけることによって、室内岩石コア流動実験のプロセスを模擬・再現でき、それに加えて、室内岩石コア実験における、デジタル化された単相・多相(油・水、ガス・水と油・ガス)流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション分析とテストを実現できる。 The purpose of the present invention is to overcome the shortcomings of existing technology, specifically to provide a digitized multi-phase fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method for laboratory rock core experiments. Then, by combining the digitized pore network model of the rock core with the fluid-structure interaction (FSI) seepage numerical simulation method, the process of the laboratory rock core flow experiment can be simulated and reproduced. Digitalized single-phase and multi-phase (oil-water, gas-water and oil-gas) fluid-structure interaction (FSI) seepage numerical simulation analysis and testing in core experiments can be realized.
下記の技術的解決手段で本発明の目的を実現する。 The following technical solutions achieve the objectives of the present invention.
室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法であり、下記のステップを含む。 A digitized multiphase fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method for laboratory rock core experiments, which includes the following steps.
ステップ一:まず岩石コアサンプルを選んでから、乾燥した後、岩石コアの穴・スロート長さ、空隙率と浸透率を測定し、それに加えて、岩石コアサンプルに対して真空排気を行って、飽和度について地層水又は地層原油を模擬すること、
ステップ二:岩石コアサンプルに対して核磁気共鳴MRI/T2スキャン測定を行って異なる断面における岩石コアの二次元画像を取得すること、
ステップ三:二次元画像に対して補間を行って、岩石コアMRI/T2の三次元データボリュームを取得すること、
ステップ四:三次元不規則空隙回路網モデルを構築して、MRI/T2三次元データボリュームを、三次元不規則空隙ネットワークモデルのノードに代入すること、
ステップ五:変換係数αを通じて、三次元不規則空隙ネットワークモデルにおける各隣のノードの穴・スロート半径を計算して、岩石コアのデジタル化された空隙回路網モデルの浸透率の模擬計算を行い、それに加えて、変換係数αの大きさを調整することによって、空隙ネットワークの浸透率が岩石コアの浸透率の実測値に近いことを確保し、それに加えて、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを構築することと、
ステップ六:デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法を結びつけて岩石コア流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーションを行うことという六つのステップを含むこと。
Step 1: First select the rock core sample, after drying, measure the hole/throat length, porosity and permeability of the rock core, additionally evacuate the rock core sample, simulating formation water or formation crude oil for saturation;
Step two: performing nuclear magnetic resonance MRI/T 2 scan measurements on the rock core sample to obtain two-dimensional images of the rock core at different cross-sections;
Step 3: Performing interpolation on the 2D images to obtain a 3D data volume of the rock core MRI/ T2 ,
Step 4: constructing a three-dimensional random void network model and substituting the MRI/T 2 three-dimensional data volume into the nodes of the three-dimensional random void network model;
Step 5: Calculate the hole throat radius of each neighboring node in the three-dimensional irregular pore network model through the conversion factor α, and simulate the permeability of the digitized pore network model of the rock core; In addition, by adjusting the magnitude of the conversion factor α, we ensured that the permeability of the pore network was close to the measured permeability of the rock core, and in addition, the pore network of the digitized rock core building a model;
Step 6: Combining the digitized rock core pore network model with the unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration numerical simulation method to perform the rock core fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation. Contain six steps.
前記ステップ二が、具体的に下記の内容を含む。1、核磁気共鳴装置を利用して、真空排気・飽和度数値シミュレーション後の岩石コアサンプルに対して、核磁気共鳴スキャンを行い、それに加えて、SIRT逆転アルゴリズムを利用してT2分布を生成することと、2、岩石コアの各位置に対して切片処理を行い、それに加えて、核磁気共鳴装置のスキャン精度によって、核磁気共鳴装置の処理可能な範囲内において、適切な切片位置と断面数を選んで岩石コアに対して核磁気共鳴スキャンを行って岩石コアの異なる切片位置における岩石コア核磁気共鳴MRI二次元画像を取得した後、切片位置座標と二次元画像のピクセルデータを、二次元画像TXTテキストに保存することという二つの内容を含むこと。 The second step specifically includes the following contents. 1. Using a nuclear magnetic resonance apparatus, perform a nuclear magnetic resonance scan on the rock core sample after the evacuation and saturation numerical simulation, and additionally generate a T2 distribution using the SIRT inversion algorithm. 2. Section processing is performed for each position of the rock core. After selecting a number of nuclear magnetic resonance scans for the rock core to acquire rock core nuclear magnetic resonance MRI two-dimensional images at different section positions of the rock core, the section position coordinates and the pixel data of the two-dimensional images are divided into two Containing two contents of saving in dimensional image TXT text.
前記ステップ三が、具体的に下記の内容を含む。補間アルゴリズムを利用し、それに加えて、ステップ二で取得した二次元画像TXTテキスト及びステップ一における岩石コア穴・スロート長さに結びついて、核磁気共鳴画像法におけるデータボリューム、即ち、岩石コアの核磁気共鳴MRI二次元画像に対して補間処理を行うことによって、データボリューム規模が、反応岩石の微視的な穴・スロートの特徴面の要件に適合するようにし、これで、岩石コアMRI/T2の三次元テンソルデータボリュームを取得することを含むこと。 The third step specifically includes the following contents. Using an interpolation algorithm and additionally combining the 2D image TXT text acquired in step 2 and the rock core hole/throat length in step 1, the data volume in nuclear magnetic resonance imaging, i.e. the nucleus of the rock core Interpolation is performed on the magnetic resonance MRI 2D images so that the data volume size is adapted to the requirements of the microscopic hole and throat features of the reaction rock, which is then used for rock core MRI/T. Including obtaining two 3D tensor data volumes.
前記ステップ四が具体的に下記のサブステップを含む。 The step 4 specifically includes the following substeps.
S401:岩石コアのスケールによって、モデルの大きさ、リガンド数と平均穴・スロート長さを設置すること、
S402:コンピュータープログラミング言語とマトリックス・コンピューティングライブラリEigen構造の三次元規則的な立方体ネットワーク構造を採用して、一つのX×Y×Z三次元規則的な立方体回路網を生成すること、
S403:立方体回路網の総ノード数が(X-1×(Y-1)×(Z-1)であり、各ノードがそれぞれ一つの空隙を表し、ノードとノードとの間に、スロートを通じて繋がり、その他の部分が岩石の骨組であるように設置すること、
S404:1、構築した立方体ネットワークモデルにおいて、空隙を表す各ノードの周辺に、六つのスロートが互いに繋がり、スロート長さが岩石平均穴・スロート長さ<l>であり、立方体ネットワークモデルのx、y、z方向の辺長がそれぞれLx=(X-1)<l>、Ly=(Y-1)<l>とLz =(Z-1)<l>であるようにし、立方体ネットワークモデルにおけるすべてのグリッド・ノードの間に、丸管を通じて完全接続を実現し、且つ、空隙とスロートとの半径比を1にすることと、2、LyとLzを、実際岩石コア径に設定し、且つ、各層のyoz平面における、中心点からの距離がLyを上回る点を全部取り外すことによって、立方体ネットワークモデルが、実際岩石コア形状に一致するプランジャー状モデルになるようにすること及び
S405:1、核磁気共鳴MRI/T2の三次元テンソルデータボリュームにおける数値を、三次元規則的な立方体ネットワークモデルにおける各ノードに代入すること(二つのノードの間の連結線値が穴・スロートの半径Rである)、2、ネットワークにおけるすべての穴・スロートの半径Rについて、隣の二つのノードにおけるMRI/T2値の平均値を取ること、3、モデルにおける各ノードの座標を、球面内のスペース内において無作為に移動することによって、不規則ネットワーク・スペース構造を生成し、且つ、穴・スロート長さの無作為な変化を生じることと4、ネットワーク構造から、一部分の接続を無作為に取り除くことによって、異なる連結性の特徴を持つ空隙ネットワークモデルを取得すること。
S401: Set the size of the model, the number of ligands and the average hole/throat length according to the scale of the rock core,
S402: Adopting the three-dimensional regular cubic network structure of the computer programming language and matrix computing library Eigen structure to generate an X×Y×Z three-dimensional regular cubic network;
S403: The total number of nodes in the cubic network is (X - 1 x (Y - 1) x (Z - 1), each node represents one gap, and the nodes are connected through the throat , installed so that the other part is a rock framework,
S404: 1, in the constructed cubic network model, six throats are connected to each other around each node representing the void, the throat length is the rock average hole-throat length <l>, x of the cubic network model, Let the side lengths in the y and z directions be L x =(X-1)<l>, Ly =(Y-1)<l> and L z =(Z-1)<l>, respectively, and the cube Between all grid nodes in the network model, realization of perfect connections through round tubes, and the ratio of the radii of the voids to the throats of 1; and removing all points in the yoz plane of each layer whose distance from the center point is greater than Ly , so that the cube network model becomes a plunger-like model that actually matches the rock core shape things and
S405: 1, Substituting the numerical values in the three-dimensional tensor data volume of nuclear magnetic resonance MRI/ T2 to each node in the three-dimensional regular cubic network model (the connecting line value between two nodes is the hole/throat ), 2. For every hole/throat radius R in the network, take the mean of the MRI/ T binaries at the two neighboring nodes; 3. Coordinate each node in the model to the spherical surface by randomly moving within the inner space, creating an irregular network space structure and causing random variations in the hole/throat length;4; Obtaining pore network models with different connectivity features by randomly removing them.
前記ステップ五が具体的に下記のステップ、即ち、1、変換係数の初期値がαであると仮定して、ステップ四の方法に基づき、且つ、変換係数αを通して穴・スロート半径Riを計算することによって、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを取得した後、単相安定浸透空隙ネットワークシミュレーション・アルゴリズムを採用して、構築した岩石コアのデジタル化された空隙ネットワークモデルにおける浸透率を計算した後、シミュレーションで得た浸透率が、岩石コアの浸透率の測定値に一致しているか検証することと、2、一致していない場合、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルにおける浸透率が、岩石コアの浸透率の実際測定値に基本的に一致するようになるまで、変換係数αを調整しながら、空隙ネットワークの穴・スロート半径Riを改めて計算し、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを改めて構築し、且つ、その浸透率の値を計算することによって、実際岩石コアのサンプルに相応するデジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを得ることという二つのステップを含む。 Step 5 is specifically the following steps: 1. Assuming that the initial value of the conversion factor is α, calculate the hole-throat radius R i according to the method of step 4 and through the conversion factor α. After obtaining the digitized pore network model of the rock core by and then verifying that the simulated permeability agrees with the measured permeability of the rock core; recalculate the hole-throat radius R i of the pore network, adjusting the conversion factor α, until it essentially agrees with the actual measured permeability of the rock core, and the digitized rock core and obtaining a digitized rock core pore network model corresponding to the actual rock core sample by calculating its permeability value.
前記ステップ六が具体的に下記のサブステップを含む。 Said step 6 specifically includes the following substeps.
S601:岩石コアサイズの空隙ネットワーク結合非定常流動モデルに基づいて穴・スロートチャンネルにおける流体の非定常流動を分析して、円形管束における流体軸方向速度vr分布を分析すること、
S602:単相液体浸透プロセスが適合すべき仮設条件に基づいて、有限体積法とルノー輸送方程式を採用して、非定常単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを構築すること、
S603:単相ガス浸透プロセスにおけるガス密度ρgとガス圧縮率因子Cgに基づき、且つ、ルノー輸送方程式に結びついて、低圧と高圧条件に同時に適合する非定常単相ガス流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを構築すること、
S604:非定常単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルと非定常単相ガス流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを利用し、且つ、空隙回路網モデルにおける混合流体の特性パラメータに結びついて、非混合排除のプロセス下での流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデルを構築することと、
S605:デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法を結びつけて岩石コア流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーションを行うことという五つのステップを含むこと。
S601: Analyzing the unsteady flow of fluid in the hole-throat channel based on the rock core-sized pore network coupled unsteady flow model to analyze the fluid axial velocity v r distribution in the circular tube bundle;
S602: Constructing a non-stationary single-phase liquid fluid-structure interaction (FSI) infiltration mathematical model employing the finite volume method and the Renault transport equation, based on the hypothetical conditions to which the single-phase liquid infiltration process should fit;
S603: Unsteady single- phase gas-fluid- structure interaction ( FSI) building a mathematical model of penetration,
S604: Utilizing unsteady single-phase liquid fluid-structure interaction (FSI) seepage mathematical model and unsteady single-phase gas fluid-structure interaction (FSI) seepage mathematical model, and characterizing mixed fluid in void network model Constructing a fluid-structure interaction (FSI) multiphase seepage mathematical model under a process of unmixed exclusion, binding parameters;
S605: Combining the digitized rock core pore network model with the unsteady fluid-structure interaction (FSI) multi-phase infiltration numerical simulation method to perform the rock core fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation. including one step.
具体的に、前記非定常単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルが次の式、即ち、
具体的に、前記非定常単相ガス流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルが次の式、即ち、
前記流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルが具体的に次の式、即ち、
前記非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法が具体的に下記のステップを含む。 The unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase seepage numerical simulation method specifically includes the following steps.
S701:まず、流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデルにおける非線形毛管圧力項に対して線形化処理を行うことによって、
S703:ステップ7023公式における異なる時刻の流動状態について分離と合併を行うことによって、
S704:空隙ネットワークモデルにおけるすべてのネットワーク・ノードを走査した後、空隙ネットワークモデルにおけるすべての制御ボリュームが、皆現在の時刻と次の時刻の流動状態を、ステップS703の公式に代入して整理してから、下記のマトリックス、即ち、 [A]t+Δt[X]t+Δt=[B]tを形成した後(式の中で、[A]t+Δtが、N×Nサイズの流体水力伝導率関連スパースマトリックスであり、Nが、空隙ネットワークモデルのノード数であり、[X]t+Δtと[B]tが、長さがNである二つのベクトルであり、[X]t+Δtが次の時刻の圧力場ベクトルであり、[B]tが前の時刻の圧力場と境界条件関連ベクトルである)、GPU代数多重グリッド一般化最小残差アルゴリズムを利用して、以上のマトリックスの解を求めることによって、現在時刻の空隙ネットワークモデルにおける流体圧力場分布を得ること、
S705:非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーションのプロセス中において、固定時間ステップ又は可変時間ステップの方式を採用することによって、当該ステップ幅内の流体界面に変位を発生させ、各時間ステップの下で、界面移動後の新しい流体界面位置を計算し、且つ、全体的な空隙ネットワークモデルにおけるすべての穴・スロートチャンネルの水力伝導率とモデルにおける各相流体の飽和度をアップデートした後、全体的な空隙ネットワーク・スペースに浸入流体がいっぱいになるか、又はある飽和度数値に達するまで、流体圧力場分布の解を求めることという五つのステップを含むこと。
S701: First, by linearizing the nonlinear capillary pressure term in the fluid-structure interaction (FSI) multiphase seepage mathematical model,
S703: By separating and merging the flow states at different times in the step 7023 formula,
S704: After scanning all the network nodes in the pore network model, all the control volumes in the pore network model are arranged by substituting the current and next flow states into the formula of step S703. , after forming the following matrix: [A] t+Δt [X] t+Δt =[B] t (where [A] t+Δt is the N×N size fluid hydraulic is the conductivity-related sparse matrix, where N is the number of nodes in the void network model, [X] t + Δt and [B] t are two vectors of length N, and [X] t + where Δt is the pressure field vector at the next time and [B] t is the pressure field and boundary condition related vector at the previous time), we utilize the GPU algebraic multigrid generalized minimum residual algorithm to obtain the above matrix Obtaining the fluid pressure field distribution in the void network model at the current time by solving for
S705: During the process of unsteady fluid-structure interaction (FSI) multi-phase infiltration numerical simulation, by adopting the method of fixed time step or variable time step to generate displacement at the fluid interface within the step width, Under each time step, we calculated the new fluid interface position after interface movement and updated the hydraulic conductivity of all holes and throat channels in the global void network model and the saturation of each phase fluid in the model. Then, including five steps of solving the fluid pressure field distribution until the entire void network space is filled with the infiltrating fluid or some saturation value is reached.
本発明は、核磁気共鳴MRI/T2に基づく、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと非定常流体-構造連成(FSI)浸透数学モデル・シミュレーション手法に係わるので、本発明で提供された方法の詳細な実現プロセスは、具体的に下記の二つのフローが分けられている。 The present invention relates to a digitized rock core pore network model and unsteady fluid-structure interaction (FSI) infiltration mathematical model simulation method based on nuclear magnetic resonance MRI/ T2 , and thus provided in the present invention. The detailed realization process of the method is specifically divided into the following two flows.
1、核磁気共鳴MRI/T2に基づいて、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを構築すること。 1. To construct a pore network model of the digitized rock core based on nuclear magnetic resonance MRI/ T2 .
(1)岩石コアサンプルを選んでから、乾燥した後、岩石コアサンプルの長さ、直径、空隙率と浸透率を測定する。当該岩石コアサンプルに対して真空排気を行って、飽和度について地層水又は地層原油を模擬する。核磁気共鳴スキャンを行って相応な岩石コアサンプルの核磁気共鳴画像法MRIデータと核磁気共鳴T2スペクトルのデータを取得する(スキャンプロセスについて、核磁気共鳴画像学を参照して実現できる(俎棟林、『核磁気共鳴画像学』、2004、高等教育出版社)。岩石コアの異なる位置に対してMRI測定を行って、相応位置における岩石コアのMRI二次元画像を取得する。実験用器具のスキャン精度によって、実験用器具の処理可能な範囲内において、適切な切片位置と断面数を選んで岩石コアの異なる切片位置における核磁気共鳴MRI二次元画像を取得する。切片位置座標とピクセルデータを、TXTテキストに保存する。 (1) After selecting a rock core sample and drying it, measure the length, diameter, porosity and permeability of the rock core sample. A vacuum is applied to the rock core sample to simulate formation water or formation oil for saturation. Carry out nuclear magnetic resonance scanning to obtain nuclear magnetic resonance imaging MRI data and nuclear magnetic resonance T2 spectrum data of corresponding rock core samples (for the scanning process, it can be realized by referring to nuclear magnetic resonance imaging , "Nuclear Magnetic Resonance Imaging", 2004, Higher Education Publishing House).Perform MRI measurements on different positions of the rock core and acquire MRI two-dimensional images of the rock core at the corresponding positions.Scanning of experimental instruments Depending on the accuracy and within the processing range of the experimental equipment, select the appropriate section position and number of sections to acquire nuclear magnetic resonance MRI two-dimensional images at different section positions of the rock core.The section position coordinates and pixel data are Save to TXT text.
(2)岩石コアの核磁気共鳴MRI/T2の三次元テンソルデータボリュームを取得する。ステップ(1)で取得した二次元画像TXTテキスト及び岩石コア穴・スロート長さの大まかな範囲によって、核磁気共鳴画像法におけるデータボリュームに対して補間を行うことによって、データボリューム規模が、反応岩石の微視的な穴・スロートの特徴面の要件に適合するようにする。補間アルゴリズムは、トリリニア補間とクリギング補間等のアルゴリズムを採用できる。補間の基本的なパラメータは、岩石コアの実際長さ、直径と二次元画像切片のスペース位置によって決まる。補間を通してMRI/T2三次元テンソルデータボリュームを取得する。 (2) Acquire a three-dimensional tensor data volume of nuclear magnetic resonance MRI/ T2 of the rock core. By interpolating the data volume in nuclear magnetic resonance imaging with the two-dimensional image TXT text and the rough range of the rock core hole and throat lengths acquired in step (1), the data volume scale is determined by the reaction rock meet the microscopic hole and throat feature requirements of Algorithms such as trilinear interpolation and Kriging interpolation can be used as the interpolation algorithm. The basic parameters of the interpolation are determined by the actual length, diameter and spatial position of the two-dimensional image slices of the rock core. Acquire the MRI/T 2 three-dimensional tensor data volume through interpolation.
(3)スペース不規則空隙ネットワークモデルを構築する。岩石コアのスケールによって、モデルの大きさ、リガンド数と平均穴・スロート長さを設置する。まずC++言語とマトリックス・コンピューティングライブラリEigen構造の規則的な立方体ネットワーク構造を採用して、一つのX×Y×Z三次元規則的な立方体回路網を生成する(X、YとZの値が、ステップで得るMRI/T2三次元テンソルデータボリュームの規模によって決まる)。ネットワークモデルの総ノード数が(X-1×(Y-1)×(Z-1)であると設定し、各ノードがそれぞれ一つの空隙を表し、ノードとノードとの間に、スロートチャンネル(丸管)を通じて繋がり、その他の部分が岩石の骨組であるように設定する。構築したネットワークモデルにおいて、空隙を表す各ノードの周辺に、六つのスロートが互いに繋がり、スロート長さが岩石平均穴・スロート長さ<l>であり、モデルのx、y、z方向の辺長がそれぞれLx=(X-1)<l>、Ly=(Y-1)<l>とLz=(Z-1)<l>であるようにする。モデルにおけるすべてのグリッド・ノードの間に、丸管を通じて完全接続を実現し(この時、任意ノードリガンド数z=6)、且つ、空隙とスロートとの半径比を1にする。LyとLzを、実際岩石コア径に設定し、且つ、各層のyoz平面における、中心点からの距離がLyを上回る点を全部取り外すことによって、モデルが、実際岩石コア形状に一致するプランジャー状モデルになるようにする。核磁気共鳴MRI/T2の三次元テンソルデータボリュームにおける数値を、三次元規則的な立方体ネットワークモデルにおけるノードに代入する(二つのノードの間の連結線値が穴・スロートの半径Rである)。ネットワークにおけるすべての穴・スロートの半径Rについて、隣の二つのノードにおけるMRI/T2値の平均値を取る。ネットワークにおける各ノードの座標を、球面内のスペース内において無作為に移動することによって、不規則ネットワーク・スペース構造を生成し、且つ、穴・スロート長さの無作為な変化を生じる。ネットワーク構造から、一部分の接続を無作為に取り除くことによって、異なる連結性(リガンド数)の特徴を持つ空隙ネットワークモデルを取得する。 (3) Build a space irregular void network model. Set the size of the model, the number of ligands and the average hole/throat length according to the scale of the rock core. First, adopt the regular cube network structure of C++ language and matrix computing library Eigen structure to generate an X×Y×Z three-dimensional regular cube network (the values of X, Y and Z are , determined by the scale of the MRI/T2 three-dimensional tensor data volume obtained in the step). We set the total number of nodes in the network model to be (X-1×(Y-1)×(Z-1), each node represents one gap, and there is a throat channel ( In the constructed network model, six throats are connected to each other around each node representing a void, and the length of the throat is set to the average hole length of the rock. The throat length <l>, and the x-, y-, and z-direction side lengths of the model are L x =(X-1)<l>, Ly =(Y-1)<l>, and L z =( Z-1) <l> Realize complete connections through round tubes between all grid nodes in the model (at this time, the number of arbitrary node ligands z = 6), and make gaps and throats by setting L y and L z to the actual rock core diameters, and removing all points in the yoz plane of each layer whose distance from the center point is greater than L y . is a plunger-like model that matches the actual rock core geometry.Substitute the numerical values in the three-dimensional tensor data volume of nuclear magnetic resonance MRI/ T2 into the nodes in the three-dimensional regular cubic network model ( The connecting line value between two nodes is the hole/throat radius R.) For every hole/throat radius R in the network, take the average of the MRI/T binaries of the two adjacent nodes in the network. By randomly moving the coordinates of each node in the space within the sphere, an irregular network-space structure is generated, and random variations in hole-throat length occur.From the network structure, By randomly removing some connections, we obtain void network models with different connectivity (number of ligands) features.
(4)デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデル。岩石コアサンプルの核磁気共鳴MRI/T2のデータボリュームにより反映されるものは、岩石内部空隙スペースの相対的なサイズ値であり、岩石の穴・スロート半径のサイズを反映しない。従って、ここで試行錯誤法を採用して、岩石の穴・スロート半径Riと相応なMRI/T2データ振幅Aiとの間の変換係数(Ri=αAi)を見積もることによって、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを構築することができる。変換係数の初期値を仮定して、ステップ(3)の方法に基づき、且つ、変換係数αを通して穴・スロート半径Riを計算することによって、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを取得してから、単相安定浸透空隙ネットワークシミュレーション・アルゴリズムを採用して、構築した岩石コアのデジタル化された空隙ネットワークモデルにおける浸透率を計算した後、シミュレーションで得た浸透率が、岩石コアの浸透率の測定値に一致しているか検証する。一致していない場合、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルにおける浸透率が、岩石コアの浸透率の実際測定値に基本的に一致するようになるまで、変換係数αを調整しながら、空隙ネットワークの穴・スロート半径Riを改めて計算し、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを改めて構築し、且つ、その浸透率の値を計算する。これで、実際岩石コアのサンプルに相応するデジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを得る。 (4) Digitized rock core pore network model. What is reflected by the nuclear magnetic resonance MRI/ T2 data volume of rock core samples is the relative size value of the inter-rock pore space and does not reflect the size of the rock hole/throat radius. Therefore, a trial-and-error method is employed here to estimate the conversion factor (R i =αA i ) between the rock hole-throat radius R i and the corresponding MRI/ T2 data amplitude A i , thereby obtaining the digital A pore network model of the refined rock core can be constructed. Obtain the pore network model of the digitized rock core by calculating the hole-throat radius R i based on the method of step (3) and through the conversion factor α, assuming the initial values of the conversion factors. Then, a single-phase stable seepage pore network simulation algorithm is adopted to calculate the permeability in the digitized pore network model of the constructed rock core. Verify that it matches the measured value of If not, the pore volume is adjusted by adjusting the conversion factor α until the permeability in the digitized rock core pore network model essentially matches the actual measured rock core permeability. Re-calculate the network hole/throat radius R i , re-build the pore network model of the digitized rock core, and calculate its permeability value. This yields a digitized rock core pore network model that corresponds to the actual rock core sample.
直径が2.5cmであり、長さが5cmである円筒状の岩石コアサンプルについて、それ相応の岩石コアのデジタル化された空隙ネットワークモデルにおけるノードが100万を上回る。この場合、一般CPUスパースマトリックス方程の求解アルゴリズムでこのような問題を解決することが難しいので、GPUアルゴリズムで計算と求解を行わなければならない。 For a cylindrical rock core sample that is 2.5 cm in diameter and 5 cm in length, there are over 1 million nodes in the corresponding digitized pore network model of the rock core. In this case, it is difficult to solve such a problem with the general CPU sparse matrix equation solving algorithm, so we have to perform the calculation and solving with the GPU algorithm.
前記方法で構築されたデジタル化された岩石コアのネットワークモデルは、微視的な浸透メカニズムを、岩石コアスケールの孔隙率ネットワークに応用して数値シミュレーション研究を行うことができ、且つ、室内岩石コア実験で得られた巨視的な実験結果と対照検証を行うことができ、更に室内岩石コア分析の基盤の上により大きい規模のスケールアップ分析を行うことができるので、室内岩石コア分析と巨視的なスケールの油ガス鉱物数値シミュレーションの重要な補充であり、室内岩石コア分析と巨視的な油ガス鉱物数値シミュレーションとの間に、一つの橋を架ける。 The digitized rock core network model constructed by the above method can apply the microscopic infiltration mechanism to the rock core scale porosity network to conduct numerical simulation studies, and It is possible to carry out comparative verification with the macroscopic experimental results obtained in the experiment, and to perform a larger-scale scale-up analysis on the basis of the laboratory rock core analysis, so that the laboratory rock core analysis and the macroscopic analysis can be performed. It is an important complement to scale oil and gas mineral numerical simulations, and builds a bridge between laboratory rock core analysis and macroscopic oil and gas mineral numerical simulations.
2、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルに適用される非定常流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルと数値シミュレーション手法を運用すること。 2. To implement the unsteady fluid-structure interaction (FSI) infiltration mathematical model and numerical simulation method applied to the pore network model of the digitized rock core.
構築した岩石コアのデジタル化された空隙ネットワークモデルの基盤の上に、多相流体移動プロセス及び流体-岩石骨組の相互作用関係を正しく説明する為に、流体力学のレイノルズ応力輸送方程式、有限体積法と流体-構造連成(FSI)浸透メカニズムを通して、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルに適用される非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデルを導き出し、且つ、相応な陰的数値シミュレーション手法を提出して、核磁気共鳴MRI/T2に基づくデジタル化された岩石コアのモデリングと非定常流体-構造連成(FSI)浸透シミュレーションの一揃いの手法を形成する。 On the basis of the constructed digitized pore network model of the rock core, the Reynolds stress-transport equation of fluid mechanics, the finite volume method, to correctly explain the multiphase fluid transfer process and the interaction relationship between the fluid and the rock framework. and the fluid-structure interaction (FSI) infiltration mechanism, derive the unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration mathematical model applied to the pore network model of the digitized rock core, and A numerical simulation method is presented to form a suite of nuclear magnetic resonance MRI/ T2 -based digitized rock core modeling and unsteady fluid-structure interaction (FSI) infiltration simulations.
(1)穴・スロートチャンネルにおける流体の非定常流動
孔隙スケールの非定常流動モデルは、圧力降下が慣性と流体粘度によるものであるという仮説に基づく。流動が層流状態であると仮定すると、Navier-Stokes方程式を簡素化することによって、円形管束内における流体の軸方向速度vrが、下記の通り、即ち、
NguyenとChoi(Nguyen, Q.H., & Choi, S.B., A new approach for an analytical solution of unsteady laminar flow in dispensing processes. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2010, 224(6), 1231-1243.)の研究によって、円形管束内における流体の軸方向速度vrの分布が、下記の通り、即ち、
式の中で、Rが円形管束の半径であり、Δpが管束両端の圧力差であり、lが管束長さであり、μが流体粘度であり、tが流動時間であり、ρが流体密度である。式2を採用して、管束半径R=1ミクロンと10ミクロンである時に、それぞれニュートン流体(水、密度ρ=1000kg/m3、粘度μ=1mPa・s)の流動時の速度を計算すると、次の事項、即ち、時間tがそれぞれ7e-7秒と5e-5秒に達する時に、流体の速度断面が、安定流動時の放物線分布に達することを発見できる。式2によって、微視的な穴・スロートチャンネルにおいて、流体の流動がより速く安定状態に達することを発見できるので、ポアズイユの式を、多孔質媒体中における流体の非定常流動に相変わらず運用できることを表す。(NguyenとChoiは、式2でマイクロナノメートル級の穴・スロートチャンネルにおける流体の流動を分析しなかった)
(1) Unsteady flow of fluid in hole-throat channel The unsteady flow model of the pore scale is based on the hypothesis that the pressure drop is due to inertia and fluid viscosity. Assuming that the flow is laminar, by simplifying the Navier-Stokes equations, the axial velocity v r of the fluid in the circular tube bundle is given by:
Nguyen and Choi (Nguyen, QH, & Choi, SB, A new approach for an analytical solution of unsteady laminar flow in dispensing processes. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2010, 224(6 ), 1231-1243.), the distribution of the axial velocity v r of the fluid in a circular tube bundle is as follows:
In the formula, R is the radius of the circular tube bundle, Δp is the pressure difference across the tube bundle, l is the tube bundle length, μ is the fluid viscosity, t is the flow time, and ρ is the fluid density is. Adopting Equation 2 to calculate the velocity during flow of a Newtonian fluid (water, density ρ=1000 kg/m 3 , viscosity μ=1 mPa s) when the tube bundle radii are R=1 and 10 microns respectively, It can be found that the velocity cross-section of the fluid reaches a parabolic distribution in stable flow when the time t reaches 7e-7 s and 5e-5 s respectively. 2 allows us to discover that the fluid flow reaches a steady state faster in the microscopic hole-throat channel, so we show that Poiseuille's equation can still be applied to the unsteady flow of fluids in porous media. show. (Nguyen and Choi did not analyze fluid flow in micronanometer-scale hole-throat channels in Equation 2.)
(2)非定常単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデル
有限体積法を採用して結論を導き出す。まず、空隙ネットワークにおける制御ボリュームが、空隙ネットワークにおける任意のノードを中心として、これに繋がるすべての管束の二分の一箇所を境界とする条件の下で含まれるすべての空隙スペースを指し、即ち、空隙ネットワークの総ノード数がNであると、制御ボリュームがN個ある。単相液体浸透プロセスは、下記仮説を満たす。1)流体が空隙ネットワークの管束境界を通り抜けて、管束外に達することができないこと、2)流体が連続相であり、且つ、ニュートン流体であること、3)流体の質量とエネルギーとの間の変換を無視することと4)液体と岩石骨組が、一定の圧縮性を有すること。実際浸透プロセスにおいて、岩石と流体が、微小な圧縮性を有するので、流動プロセス中において圧力伝播が不安定になり、圧力波の伝播を生じるようになる。以下は、非定常単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルの導き出しプロセスである。
(2) Unsteady single-phase liquid fluid-structure interaction (FSI) seepage mathematical model A finite volume method is adopted to draw conclusions. First, the control volume in the pore network refers to all the pore space contained under the condition that any node in the pore network is centered and bounded by the half point of all the tube bundles connected to it, i.e., the pore space If the total number of nodes in the network is N, there are N control volumes. A single-phase liquid infiltration process satisfies the following hypotheses. 1) the fluid cannot pass through the tube bundle boundary of the void network and reach outside the tube bundle, 2) the fluid is a continuous-phase and Newtonian fluid, and 3) the fluid mass-energy Neglecting transformations and 4) liquid and rock frameworks have constant compressibility. In fact, rocks and fluids have micro-compressibility in the seepage process, which makes the pressure propagation unstable and causes pressure wave propagation during the flow process. The following is the derivation process of the unsteady single-phase liquid fluid-structure interaction (FSI) seepage mathematical model.
圧力変化に伴う流体密度と岩石空隙スペース体積の変化は、下記の式を満たす(圧力変化による穴・スロート長さ変化を無視する)。
空隙ネットワークにおいて、任意の制御ボリューム内における流動の質量保存の法則を、 レイノルズ応力輸送方程式で表す。
式の中で、4aと4bによって、
In the equation, by 4a and 4b,
CpとCρが皆十分小さい数であるので、式7bの中の高次項を無視すると、下記を得る。
制御ボリュームの中で任意の方向における穴・スロートチャンネル内の流体の流出入正味流量を下記の通り表す。
(3)非定常単相ガス流体-構造連成(FSI)浸透数学モデル
実在ガスに対して、ガス密度ρgとガス圧縮率因子Cgの計算式は下記の通りである。
前記と同じように、Cpと比べて、CpCρが十分小さい数であり、当該項を無視した後、式14によって下記を得る。
制約条件非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデル
ここでの多相は、油-水両相、ガス-水両相と油-ガス両相を指す。これから油-水両相の排除プロセスを例として説明する。水による油排除プロセスは、下記の仮設を満たす。1)任意の穴・スロートにおける異なる流体の間に、最大に一つの流体界面があること、2)流動プロセスにおいて、混相,プロセス中において、混合相が発生しないこと、3)穴・スロートにおいて、ピストン式排除が発生することと4)重力の影響を無視すること。
Constraint Unsteady Fluid-Structure Interaction (FSI) Multiphase Infiltration Mathematical Model Multiphase here refers to both oil-water, gas-water and oil-gas phases. An oil-water phase elimination process will now be described as an example. The water-based oil removal process satisfies the following assumptions. 1) There is at most one fluid interface between different fluids in any hole or throat, 2) In the flow process, mixed phases and mixed phases do not occur in the process, 3) In holes and throats, 4) ignoring the effects of gravity;
排除プロセス中において、任意の隣のノードiとjとの間の穴・スロートチャンネル内において、混合流体の密度計算式は下記の通りである。
式23は、油-水、ガス-水と油-ガスの二相浸透に適用される。多相浸透プロセス中において、ある相の流体がガスである時に、ガスの圧縮率因子Cgを、式13で計算する。ガスが理想気体であると仮定すると、ガス圧縮率因子Cg=1/pとなる。 Equation 23 applies to oil-water, gas-water and oil-gas two-phase infiltration. During a multiphase infiltration process, when one phase fluid is gas, the gas compressibility factor C g is calculated by Equation 13. Assuming the gas to be an ideal gas, the gas compressibility factor C g =1/p.
(5)非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法
流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデル(式23)は、非定常単相浸透数学モデル(式11と19)の更なる押し広めと見なしても良い。ここで、式23を例として数値シミュレーション手法を説明する。まず、式23における非線形毛管圧力項に対して線形化処理を行う。
(5) Unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration numerical simulation method The fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration mathematical model (Eq. ) can be viewed as a further push. Here, the numerical simulation method will be described using Equation 23 as an example. First, the nonlinear capillary pressure term in Equation 23 is linearized.
空隙ネットワークモデルにおけるすべてのネットワーク・ノードを走査した後、空隙ネットワークモデルにおけるすべての制御ボリュームが、皆現在の時刻と次の時刻の流動状態を、式26bに代入することによって、式26bと類似するN個の方程式から構成される連立方程式を得ることができる。連立方程式の下付き文字によって、連立方程式を、マトリックス形式[A]t+Δt[X]t+Δt=[B]tに整理することができる。 After scanning all network nodes in the pore network model, all control volumes in the pore network model are similar to Eq. A system of equations consisting of N equations can be obtained. The system of equations subscripts allow the system of equations to be reduced to matrix form [A] t+Δt [X] t+Δt =[B] t .
流動プロセス中において、二相の界面が時間に連れて推進されるので、一つの時間ステップを選定することによって、当該時間ステップ内における流体界面に皆適量の変位Δx=Δt(qij/Aij)(Aijが穴・スロートチャンネルの断面積である)が発生するようにしなければならない。ここでの「適量」は、精度を保証する前提の下で、運算回数をできるだけ削減しなければならないことを指す。ここで、固定時間ステップを採用できる。固定時間ステップは、浸透過渡状態を、長さの等しい時間間隔Δtk(k=1,2,…)に分けることを指す。Δtkが十分小さい時に、隣の時間ステップの圧力場変化が安定性と線形性を持つと考えても良い。この時に、単相流と部分的に同じ手法で、圧力場の解を求めることができる。 During the flow process, the interface between the two phases is driven with time, so by choosing a time step, all the appropriate displacements Δx=Δt(q ij /A ij ), where A ij is the cross-sectional area of the hole/throat channel. "Appropriate amount" here means that the number of operations must be reduced as much as possible under the premise of guaranteeing accuracy. Here, a fixed time step can be employed. A fixed time step refers to dividing the seepage transient into equal length time intervals Δt k (k=1, 2, . . . ). When Δt k is small enough, it can be considered that the pressure field change in the next time step has stability and linearity. At this time, the pressure field can be solved in partly the same way as for single-phase flow.
シミュレーションプロセスにおいて、可変時間ステップ手法を採用して、数値シミュレーション計算速度を速めることができる。排除プロセスを、下記の状態になるまで行う。各時間ステップの下で、界面移動後の新しい流体界面位置を計算し、且つ、全体的な空隙ネットワーク・スペースに浸入流体がいっぱいになるか、又はある飽和度数値に達する時に、停止型におけるすべての穴・スロートチャンネルの水力伝導率とモデルにおける各相流体の飽和度をアップデートした後、圧力場の解を求める。シミュレーションプロセス中において、流体界面移動発生後、水力伝導率をアップデートする必要があり、且つ、ひどい場合、流体界面が「ロック」されるので、求解プロセス中において、一つの酷い病態のあるマトリックス(式27)が発生して、計算難度が大きく増加する可能性がある。シミュレーションプロセス中において、AMGCLアルゴリズム・ライブラリの中のGPU代数多重グリッド一般化最小残差アルゴリズム(AMG-GMRES)を使用して、以上のマトリックスの解を求める。全体的なシミュレーションプロセス中において、流量Qが変わらない。 In the simulation process, a variable time-step approach can be employed to speed up the numerical simulation calculations. The elimination process is carried out until the following conditions are met. Under each time step, we compute the new fluid interface position after the interface movement and, when the entire void network space is filled with the invading fluid or reaches some saturation value, all in the stop type After updating the hydraulic conductivity of the hole and throat channels and the saturation of each phase fluid in the model, the pressure field is solved. During the simulation process, it is necessary to update the hydraulic conductivity after fluid interface migration occurs, and in the worst case, the fluid interface is "locked", so during the solution process, one severely pathological matrix (Eq. 27) may occur, greatly increasing the computational difficulty. During the simulation process, the above matrix is solved using the GPU Algebraic Multigrid Generalized Minimum Residual Algorithm (AMG-GMRES) in the AMGCL algorithm library. The flow rate Q remains unchanged during the entire simulation process.
本発明は、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法を結びつけることによって、室内岩石コア流動実験のプロセスを模擬・再現でき、それに加えて、室内岩石コア実験における、デジタル化された単相・多相(油・水、ガス・水と油・ガス)流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション分析とテストを実現できる。本発明で提出された流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法と、CTスキャンに基づくデジタル化された岩石コアのネットワークモデル等の関連手法を結びつけることによって、多相浸透シミュレーションと分析を行うことができる。 By combining the digitized rock core pore network model with the fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method, the present invention can simulate and reproduce the process of laboratory rock core flow experiments. Digitalized single-phase and multi-phase (oil-water, gas-water and oil-gas) fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation analysis and testing in rock core experiments can be realized. Multiphase infiltration simulation and analysis by combining the fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method presented in this invention with related methods such as the digitized rock core network model based on CT scans be able to.
本発明で提出されたシミュレーション技術において、陰的方法で空隙ネットワークモデルにおける、現在時刻の圧力場分布を計算した後、二相の流体界面移動を明示的に計算する。本発明で提出された、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデル構築と多相浸透シミュレーション手法において、GPU計算加速技術を通してモデルスケール、精度と計算効率を向上させることによって、同じ浸透数学モデルに基づく、空隙ネットワーク、室内岩石コアと物理モデル実験から、シャフト-単油井の油鉱物モデルスケールのマルチスケールの飛躍を実現することができる。 In the simulation technique proposed in the present invention, the two-phase fluid interfacial movement is calculated explicitly after calculating the pressure field distribution at the current time in the void network model by an implicit method. In the digitized rock core pore network model construction and multiphase infiltration simulation method presented in this invention, by improving the model scale, accuracy and computational efficiency through GPU computational acceleration technology, based on the same infiltration mathematical model From pore network, indoor rock core and physical model experiments, a multi-scale leap of the shaft-single-well oil mineral model scale can be realized.
本発明は、下記の有益効果を有することになった。 The invention has had the following beneficial effects.
1、高精度核磁気共鳴画像法におけるMRIとT2スペクトルのデータを採用して、補間アルゴリズムと無作為不規則空隙ネットワークモデルを結びつけることによって、室内実験における、デジタル化された岩石コアサンプルの空隙ネットワークモデルを構築したこと、更に当モデルは、早期のデジタル岩石コアのスケールが小さいので、多相浸透分析の実施に不利である問題を克服して、スケールが大きく、精度が高く、且つ、実際岩石サンプルの大きさ及び特徴に直接に相応する利点を有して、岩石の微視的な穴・スロートの非均質性と巨視的な非均質性による浸透プロセスに対する影響を一層全面的に分析することによって、石油と天然ガスの採取率ソリューション研究力を補助的に向上させることができること、
2、単一の微視的な円形チャンネルにおける流体の非定常流動特徴と分析することによって、ポアズイユの式と放物線形態の速度断面が相変わらず空隙スケールの非定常浸透プロセスに適用されるのを証明したことと、
3、単相液体浸透モデルにおいて、液体と岩石骨組の微小な圧縮性特徴とこれらの連成作用関係を分析することによって、単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを得たこと、更に、単相ガス浸透モデルにおいて、岩石骨組の微小な圧縮性及びガスの比較に強い圧縮性を同時に考え、且つ、ガス圧縮と固体岩石骨組形状変化との連成作用関係に基づいて、単相ガス流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを得ることによって、空隙スケール流体-構造連成(FSI)浸透理論と方法を更に整備したこと、
4、空隙ネットワークモデルにおいて、単相ガス非定常浸透と単相液体非定常浸透が、類似する数学的な表現様式を有するので、多相(油-水、ガス-水と油-ガス)浸透数学モデルをさらに導き出すことができること、更に、空隙ネットワーク多相浸透数学モデルに、流体-構造連成(FSI)を導入することによって(液体と岩石骨組の微小な圧縮性とガスの圧縮性を考えた)、非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデルを構築し、且つ、数学モデルに相応する陰的数値シミュレーション手法を導きだすことによって、空隙スケール流体-構造連成(FSI)多相浸透理論と数値シミュレーション手法を更に整備したこと、
5、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法を結びつけることによって、室内実験における岩石コア流動(排除と自己吸収等)の実際実験プロセスと結果を模擬・再現でき、それに加えて、数値シミュレーションと岩石コア流動実験の磁気共鳴MRI画像の分析結果を直接比べて分析することによって、シミュレーション結果の真実性と信頼性を確保すること、
6、GPUアルゴリズムを通して、モデルの構築速度と多相浸透シミュレーション速度を大幅に向上させることができるので、同じ岩石サンプルで、異なる排除速度(又は圧力)の下での浸透シミュレーション研究を実施でき、室内岩石コア実験と比べて、短いサイクル、速い速度、便利な操作と正確な結果等の優位性を有して、室内岩石コア流動実験の重要な補充であること、
7、一部分の室内岩石コア流動実験分析について、高温高圧の下で実施しなければならず、且つ、操作が比較に複雑である状況と比べて、本発明で提出されたモデリングとシミュレーション手法を採用すると、温度と圧力に基づいて、岩石骨組と流体関連パラメータを調整するだけで、高温高圧の下での多相浸透シミュレーション研究と分析を実現でき、且つ、岩石コア流動分析結果を便利に、速く得ることができることと、
8、同じように、本発明で提出された非定常流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法と、CTスキャンに基づくデジタル化された岩石コア/空隙ネットワークモデル等の関連方法を結びづけることによって、多相浸透シミュレーションと分析を行うことができること。
1. The pore network of digitized rock core samples in laboratory experiments by adopting the data of MRI and T2 spectra in high-precision nuclear magnetic resonance imaging and combining the interpolation algorithm and the random irregular pore network model. By constructing the model, the model overcomes the problem that the scale of early digital rock cores is small, which is disadvantageous to the implementation of multiphase infiltration analysis. To more fully analyze the impact of rock microscopic pore/throat inhomogeneity and macroscopic inhomogeneity on infiltration processes, with the advantage of being directly proportional to the size and characteristics of the sample. can help improve the research capacity of oil and natural gas extraction rate solutions,
2. By analyzing the unsteady flow characteristics of fluids in a single microscopic circular channel, we prove that the Poiseuille equation and the parabolic velocity profile still apply to the pore-scale unsteady seepage process. and
3. Obtained a single-phase liquid-fluid-structure interaction (FSI) infiltration mathematical model by analyzing the micro-compressibility features of the liquid and rock framework and their interaction relationships in the single-phase liquid infiltration model. Furthermore, in the single-phase gas infiltration model, the micro-compressibility of the rock framework and the strong compressibility of the gas are simultaneously considered, and based on the coupled action relationship between gas compression and solid rock framework shape change, single-phase gas infiltration model further refine the pore-scale fluid-structure interaction (FSI) infiltration theory and method by obtaining a phase gas-fluid-structure interaction (FSI) infiltration mathematical model;
4. In the pore network model, the multiphase (oil-water, gas-water and oil-gas) infiltration mathematics is Furthermore, by introducing fluid-structure interaction (FSI) into the pore network multiphase infiltration mathematical model (considering the micro-compressibility of liquid and rock framework and the compressibility of gas ), by constructing an unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase seepage mathematical model and deriving a corresponding implicit numerical simulation method for the mathematical model, the pore-scale fluid-structure interaction (FSI) multi-phase Further improvement of phase infiltration theory and numerical simulation method,
5. By combining the digitized rock core pore network model with the unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration numerical simulation method, actual experiments of rock core flow (exclusion, self-absorption, etc.) in laboratory experiments The process and results can be simulated and reproduced, and in addition, the veracity and reliability of the simulation results are ensured by directly comparing and analyzing the analysis results of magnetic resonance MRI images of numerical simulations and rock core flow experiments.
6. Through GPU algorithms, the model building speed and multiphase infiltration simulation speed can be greatly improved, so that infiltration simulation studies can be conducted on the same rock sample under different displacement velocities (or pressures), and indoor Compared with rock core experiments, it has advantages such as short cycle, fast speed, convenient operation and accurate results, and is an important supplement for indoor rock core flow experiments.
7. Adopting the modeling and simulation method proposed in this invention for some indoor rock core flow experiment analysis, which must be carried out under high temperature and high pressure, and the operation is relatively complicated. Then, based on temperature and pressure, only by adjusting the rock framework and fluid related parameters, it is possible to realize multi-phase infiltration simulation research and analysis under high temperature and high pressure, and to obtain rock core flow analysis results conveniently and quickly. what you can get and
8. Similarly, combine the unsteady fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method presented in this invention with related methods such as the digitized rock core/void network model based on CT scans. to be able to perform multiphase infiltration simulations and analyses.
本発明の技術的特徴、目的と有益効果を、一層明らかに理解する為に、現在本発明の技術的解決手段を、下記の通り説明する。説明している実施形態が明らかに本発明の一部分の実施形態だけであり、全部の実施形態ではなく、且つ、本発明の実施可能な範囲に対する制限と見なしてはいけない。本発明の実施形態に基づき、本分野の普通の技術者が、創造性労働を実施していない前提の下で取得するすべてのその他の実施形態は、皆本発明の保護範囲に属する。 In order to understand the technical features, objects and beneficial effects of the present invention more clearly, the technical solutions of the present invention are now described as follows. The described embodiments are clearly only some embodiments of the present invention, not all of them, and should not be taken as limitations on the possible scope of the present invention. Based on the embodiments of the present invention, all other embodiments obtained by ordinary technicians in the field under the premise of not performing creative work are all within the protection scope of the present invention.
当該実施形態において、図1で示すように、室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法であり、技術フローは、下記を含む。まず岩石コアサンプルを選んでから、乾燥した後、岩石コアの穴・スロート長さ、空隙率と浸透率を測定し、それに加えて、岩石コアサンプルに対して真空排気を行って、飽和度について地層水又は地層原油を模擬すること、岩石コアサンプルに対して核磁気共鳴MRI/T2スキャン測定を行って異なる断面における岩石コアの二次元画像を取得すること、二次元画像に対して補間を行って、岩石コアMRI/T2の三次元データボリュームを取得すること、三次元不規則空隙回路網モデルを構築して、MRI/T2三次元データボリュームを、三次元不規則空隙ネットワークモデルのノードに代入すること、変換係数αを通して、三次元不規則空隙ネットワークモデルにおける各隣のノードの穴・スロート半径を計算して、岩石コアのデジタル化された空隙ネットワークモデルの浸透率の模擬計算を行い、それに加えて、変換係数αの大きさを調整することによって、空隙ネットワークの浸透率が岩石コアの浸透率の実測値に近いことを確保し、それに加えて、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを構築することと、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法を結びつけて岩石コア流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーションを行うことという六つのステップを含むこと。 In this embodiment, as shown in Fig. 1, it is a digitized multi-phase fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method in an indoor rock core experiment, and the technical flow includes: After the rock core sample is first selected and dried, the hole/throat length, porosity and permeability of the rock core are measured.In addition, the rock core sample is evacuated to measure the saturation simulating formation water or formation crude oil; performing nuclear magnetic resonance MRI/T 2- scan measurements on rock core samples to obtain two-dimensional images of the rock core at different cross-sections; to obtain the three-dimensional data volume of the rock core MRI/ T2 , build a three-dimensional irregular pore network model, and convert the MRI/ T2 three-dimensional data volume into the three-dimensional irregular pore network model. By substituting into the node, through the conversion factor α, calculate the hole-throat radius of each neighboring node in the three-dimensional irregular pore network model, and simulate the permeability of the digitized pore network model of the rock core. and additionally adjusting the magnitude of the conversion factor α to ensure that the permeability of the pore network is close to the measured permeability of the rock core; Building a pore network model and combining the digitized pore network model of the rock core with the unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase seepage numerical simulation method for rock core fluid-structure interaction (FSI) seepage Including six steps of performing numerical simulations.
本実施形態において、方法の具体的な実現プロセスは、下記の通りである。 In this embodiment, the specific implementation process of the method is as follows.
1、核磁気共鳴MRI/T2に基づく、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデル
(1)核磁気共鳴MRI/T2データによって、岩石コアの二次元画像を取得する。
本発明における核磁気共鳴測定は、MesoMR23-60H-I型核磁気共鳴装置を採用し、且つ、逆パルス配列とCarr-Purcell-Meiboom-Gillパルス配列を採用して、核磁気共鳴信号を測定する。SIRT(同時繰り返し再構築技術)逆転アルゴリズムを利用してT2分布を生成する。磁場強度が0.5tである低い磁場の核磁気共鳴岩石コア分析システム(MesoMR-060H-HTHP-I)を採用して測定する。主なテストパラメータが、主導周波数(21.326MHz)、エコー間隔(TE=0.2ms)、極化時間ステップ(TW=3000ms)とエコー数(NECH=8000)を含む。岩石コアのスキャンプロセスにおいて、長さが5cmであり、直径が2.5cmである標準岩石コアを、定常磁場内に置き、且つ、x、y、zという三つの方向で皆勾配磁場を施すことによって、勾配磁場強度=勾配磁場両端の磁場強度差/勾配磁場の長さにする。サンプルを採取する時に、最初に層内の共鳴を一致させて、磁場に対して位相コード勾配を施してから、位相コード勾配を撤去した後、周波数コード勾配を施してボクセル毎に一つの記号を表記する。このプロセスは、コーディング又はスペース位置決めを称する。ある層に対して、ラジオ周波数パルスを施した後、当該層のMR信号を受信する。これから、ディコーディングを行うことによって、当該層における各ボクセルMR信号の大きさを得た後、層における各ボクセルのコードとの対応関係によって、ボクセル信号のサイズを、スクリーンの相応のピクセルに表示する。核磁気共鳴画像法の具体的なスキャン・フローチャートは図2で示す通りである。信号の大きさは、異なるグレースケール等級で表示されて、信号が大きければ大きいほど、ピクセル輝度が大きくなるが、信号が小さければ小さいほど、ピクセル輝度が小さくなる。岩石コアの異なる位置に対して切片処理を行うことによって、異なる位置における岩石コアMRI二次元画像を取得することができる。実験用器具のスキャン精度によって、実験用器具の処理可能な範囲内において、適切な切片位置と断面数(例えば断面数6、図3)を選んで図4で示すように、岩石コアの異なる切片位置における核磁気共鳴MRI二次元画像を取得する。切片位置座標とピクセルデータを、TXTテキストに保存する。単枚の二次元写真内のピクセル点間隔と二枚の二次元写真の間の間隔は、スキャナーの解像度によって決まる。
1. Digitized pore network model of rock core based on nuclear magnetic resonance MRI/T 2 (1) Two-dimensional images of rock core are acquired by nuclear magnetic resonance MRI/T 2 data.
The nuclear magnetic resonance measurement in the present invention adopts a MesoMR23-60H-I type nuclear magnetic resonance apparatus, and adopts a reverse pulse sequence and a Carr-Purcell-Meiboom-Gill pulse sequence to measure nuclear magnetic resonance signals. . A SIRT (simultaneous iterative reconstruction technique) inversion algorithm is used to generate the T2 distribution. A low magnetic field nuclear magnetic resonance rock core analysis system (MesoMR-060H-HTHP-I) with a magnetic field strength of 0.5t is adopted for measurement. Main test parameters include main frequency (21.326MHz), echo interval (TE=0.2ms), polarization time step (TW=3000ms) and number of echoes (NECH=8000). In the rock core scanning process, by placing a standard rock core with a length of 5 cm and a diameter of 2.5 cm in a steady magnetic field and applying gradient magnetic fields in all three directions of x, y, and z, , gradient magnetic field strength=magnetic field strength difference at both ends of gradient magnetic field/length of gradient magnetic field. When the sample is taken, we first match the resonances in the layer and apply a phase code gradient to the magnetic field, then remove the phase code gradient and then apply a frequency code gradient to generate one symbol per voxel. write. This process is called coding or space positioning. After applying a radio frequency pulse to a layer, the MR signal of that layer is received. From this, after obtaining the size of each voxel MR signal in the layer by decoding, according to the correspondence with the code of each voxel in the layer, the size of the voxel signal is displayed in the corresponding pixel of the screen. . A specific scanning flow chart for nuclear magnetic resonance imaging is shown in FIG. The magnitude of the signal is displayed in different grayscale grades, with the greater the signal the greater the pixel brightness, while the smaller the signal the less pixel brightness. Two-dimensional rock core MRI images at different positions can be acquired by performing section processing on different positions of the rock core. Depending on the scanning accuracy of the experimental instrument, an appropriate section position and number of sections (e.g., 6 sections, Fig. 3) can be selected within the processing range of the experimental instrument to obtain different sections of the rock core, as shown in Fig. 4. Acquire nuclear magnetic resonance MRI two-dimensional images at the location. Save slice position coordinates and pixel data in TXT text. The pixel point spacing within a single two-dimensional photograph and the spacing between two two-dimensional photographs are determined by the resolution of the scanner.
(2)岩石コアの核磁気共鳴MRI/T2の三次元テンソルデータボリュームの取得
通常の状況の下で、実際埋蔵地層における岩石穴・スロート長さ/変化範囲が50~300ミクロンであり、平均穴・スロート長さ/約100~150ミクロンである(Bernabe, Y., Li, M., Tang, Y. B., & Evans, B., Pore space connectivity and the transport properties of rocks. Oil & Gas Science and Technology, 2016, 71(4), 50)。岩石コア穴・スロート長さの大まかな範囲によって、磁気共鳴画像法におけるデータボリュームに対して補間を行うことによって、データボリューム規模が、反応岩石の微視的な穴・スロートの特徴面の要件に適合するようにする。補間アルゴリズムは、トリリニア補間とクリギング補間等のアルゴリズムを採用できる。補間の基本的なパラメータは、岩石コアの実際長さと二次元画像切片のスペース位置によって決まる。補間後取得するMRI/T2三次元テンソルデータボリュームは、デジタル化された岩石空隙ネットワークモデルの構築為のデータ規模を基本的に満たす(図14で示すように)。
(2) Acquisition of nuclear magnetic resonance MRI/T2 three-dimensional tensor data volume of rock core Under normal conditions, the rock pit and throat length/variation range in actual deposits is 50-300 microns, and the average pore・Throat length/about 100-150 microns (Bernabe, Y., Li, M., Tang, YB, & Evans, B., Pore space connectivity and the transport properties of rocks. Oil & Gas Science and Technology, 2016, 71(4), 50). By interpolating the data volume in magnetic resonance imaging by the rough range of the rock core hole and throat lengths, the data volume size is matched to the requirements of the microscopic hole and throat features of the reaction rock. make it fit. Algorithms such as trilinear interpolation and Kriging interpolation can be used as the interpolation algorithm. The basic parameters of the interpolation are determined by the actual length of the rock core and the spatial position of the 2D image slices. The MRI/T 2 3D tensor data volume acquired after interpolation essentially satisfies the data scale for building a digitized rock pore network model (as shown in Figure 14).
(3)スペース不規則構造空隙ネットワークモデルの構築
岩石コアのスケールによって、モデルの大きさ、リガンド数と平均穴・スロート長さを設置する。まずC++言語とマトリックス・コンピューティングライブラリEigen構造の規則的な立方体ネットワーク構造を採用して、一つのX×Y×Z三次元規則的な立方体回路網を生成する。これから、ネットワークモデルの総ノード数が(X-1×(Y-1)×(Z-1)であると設定し、各ノードがそれぞれ一つの空隙を表し、ノードとノードとの間に、スロート(均一な円形パイプ)を通じて繋がり(モデル二次元断面が図6で示すように)、その他の部分が、固体粒子状物質で満ちる。ここで構築されるネットワークにおいて、空隙を表す各ノードの周辺に、六つのスロートが互いに繋がり、スロート長さが、常数l=150μmであると設定し、スロート半径が、単位1であると設定し、且つ、モデルのx、y、z方向の辺長がそれぞれLx=(X-1)×l、Ly=(Y-1)×lとLz=(Z-1)×lであるようにする。ネットワークモデルにおける各ノードの座標を記録する。モデルにおけるすべてのグリッド・ノードの間に、丸管を通じて完全接続を実現し(この時、任意ノードリガンド数z=6)、且つ、空隙とスロートとの半径比を1にする。LyとLzを設定し、且つ、各層のyoz平面における、中心点からの距離が0.5Lyを上回る点を全部取り外すことによって、モデルが、実際岩石コア形状に一致するプランジャー状モデルになるように設定する。核磁気共鳴MRI/T2の三次元テンソルデータボリュームにおける数値を、三次元規則的な立方体ネットワークモデルにおけるノードに代入する(二つのノードの間の連結線値が穴・スロートの半径Rである)。ネットワークにおけるすべての穴・スロートの半径値について、隣の二つのノードにおける数値の平均値を取る。これから、ネットワークにおける各ノードの座標を、球面内のスペース内において無作為に移動することによって、不規則ネットワーク・スペース構造を生成する。図5で示すように、ネットワーク構造から、一部分の接続を無作為に取り除くことによって、異なる連結性(リガンド数)の特徴を持つ空隙ネットワークモデルを取得する。
(3) Construction of space irregular structure pore network model Based on the scale of the rock core, set the size of the model, the number of ligands, and the average hole/throat length. First, adopting the C++ language and the regular cubic network structure of the matrix computing library Eigen structure to generate an X×Y×Z three-dimensional regular cubic network. From this, we set the total number of nodes in the network model to be (X-1*(Y-1)*(Z-1), each node representing one gap, and the throat between nodes. (a uniform circular pipe) connected through (a model two-dimensional cross section is shown in Figure 6) and the other part is filled with solid particulate matter.In the network constructed here, around each node representing a void, , the six throats are connected to each other, the throat length is set to be a constant l=150 μm, the throat radius is set to be unit 1, and the side lengths in the x, y, and z directions of the model are respectively Let L x = (X-1) x l, Ly = (Y-1) x l and L z = (Z-1) x l Record the coordinates of each node in the network model. Realize perfect connections through round tubes between all grid nodes in (at this time, the number of arbitrary node ligands z=6), and set the radius ratio of the gap to the throat to 1. Ly and L z and remove all points in the yoz plane of each layer whose distance from the center point is greater than 0.5L y , so that the model is a plunger-like model that matches the actual rock core shape Substitute the numerical values in the three-dimensional tensor data volume of nuclear magnetic resonance MRI/ T2 into the nodes in the three-dimensional regular cubic network model (the connecting line value between two nodes is the hole/throat radius R ).For every hole/throat radius value in the network, take the average value of the numerical values at the two neighboring nodes.From this, the coordinates of each node in the network are randomly moved in space within the sphere by , generate an irregular network space structure.As shown in Fig. 5, by randomly removing some connections from the network structure, we obtain a void network model with different connectivity (number of ligands) features .
(4)デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデル
以上の方法で、核磁気共鳴MRI/T2に基づく、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデル(図6)を得ることができる。岩石コアサンプルのMRIのデータボリュームにより反映されるものは、岩石内部空隙スペースの相対的なサイズ値であり、岩石の穴・スロート半径のサイズを直接に反映しない。従って、ここで試行錯誤法を採用して、岩石の実際穴・スロート半径とMRIデータボリュームとの間の変換係数を得ることによって、 岩石の穴・スロート半径値を見積もり、且つ、空隙ネットワークモデルの構築に用いることができる。変換係数の初期値を仮定して、変換係数を通して穴・スロート半径Riを計算することによって、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを取得してから、単相安定浸透空隙ネットワークシミュレーション・アルゴリズムを採用して、構築した岩石コアのデジタル化された空隙ネットワークモデルにおける浸透率を計算した後、シミュレーションで得た浸透率が、岩石コアの浸透率の測定値に一致しているか検証する。一致していない場合、空隙ネットワークモデルにおける浸透率が、岩石コアの浸透率の実際測定値に基本的に一致するようになるまで、変換係数αを調整しながら、空隙ネットワークの穴・スロート半径Riを改めて計算し、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを改めて構築し、且つ、その浸透率の値を計算することによって、実際岩石コアのサンプルに相応するデジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを得る。
(4) Digitized pore network model of rock core With the above method, a digitized pore network model of rock core (Fig. 6) based on nuclear magnetic resonance MRI/T 2 can be obtained. What is reflected by the MRI data volume of rock core samples is the relative size value of the inter-rock pore space and does not directly reflect the size of the rock hole/throat radius. Therefore, a trial-and-error method is employed here to estimate the rock hole/throat radius value and to estimate the rock hole/throat radius value by obtaining the conversion factor between the rock's actual hole/throat radius and the MRI data volume, and the pore network model. Can be used for construction. Obtaining the pore network model of the digitized rock core by assuming initial values of the transformation coefficients and calculating the hole-throat radius R i through the transformation coefficients, and then applying the single-phase stable infiltration pore network simulation algorithm is employed to calculate the permeability in the constructed digitized pore network model of the rock core, and then the simulated permeability is verified to match the measured permeability of the rock core. If not, the hole-throat radius R By recalculating i , rebuilding the digitized rock core pore network model, and calculating its permeability value, the digitized rock core pore space corresponding to the actual rock core sample Get the network model.
空隙ネットワークモデルにおける浸透率の計算方法(Tang, Y. B., Li, M., Bernabe, Y., & Zhao, J. Z., Viscous fingering and preferential flow paths in heterogeneous porous media. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2020, 125(3), e2019JB019306):キルヒホッフの法則によって、ノード内流体の流出入の流量総和がゼロである。流体が空隙ネットワークにおいて移動する時に、ラプラス方程式:
2、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルに基づく流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション
シミュレーションのプロセス中において、デジタル化された岩石コアのネットワークモデルでの飽和油について、水を定常速度Qで、岩石コアの左端面中心の入口箇所から、モデルに注入して、モデル中の油を排除する。モデル右端出口端の圧力が、大気圧0.1MPaであると設定してから、前記条件を、式27に代入した後、本発明で提出された非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデルと数値シミュレーション手法を採用して、岩石コアにおける、水による油排除シミュレーション分析を行う。図7~図11は、本発明で構築されたデジタル化された岩石コアモデルにおける二相排除プロセスの例示図であり、t1~t5という異なる時刻において、注入水が侵入して、穴・スロートスペースを占拠する画像を示す。その中で、赤色が排除相流体の侵入により占拠されるパイプであり、被排除相流体が表示されていない。
2. Fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation based on the digitized rock core network model. At Q, the oil is injected into the model from the center entry point on the left edge of the rock core and the oil in the model is eliminated. After setting the pressure at the outlet end of the right end of the model to be atmospheric pressure 0.1 MPa, and then substituting the above condition into Equation 27, the unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration proposed in the present invention A mathematical model and numerical simulation method are adopted to carry out simulation analysis of water-induced oil rejection in rock cores. Figures 7-11 are illustrative diagrams of the two-phase exclusion process in the digitized rock core model constructed by the present invention. shows an image that occupies the Among them, the red color is the pipe occupied by the invasion of the excluded phase fluid, and the excluded phase fluid is not displayed.
以上内容は、本発明の基本原理、主な特徴と本発明の利点を表示して説明した。本業界の技術者は、下記の内容即ち、本発明が、前記の実施形態により制限されず、前記の実施形態と明細書に記述されているものが、本発明の原理であり、且つ、本発明の宗旨と範囲に背かない前提の下で、本発明に対して各種の変化と改善を行うことができ、これらの変化と改善を、皆保護が要求される本発明の範囲内に取り込む。保護が要求される本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及び等価な文書によって定義される。 The foregoing has illustrated and described the basic principles, main features and advantages of the present invention. Those skilled in the art will appreciate the following: the present invention is not limited by the foregoing embodiments, and what is described in the foregoing embodiments and specification is the principle of the invention, and the Various changes and improvements may be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention, and all such changes and improvements shall be included within the scope of the present invention for which protection is sought. The scope of the invention for which protection is sought is defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (10)
ステップ一:まず岩石コアサンプルを選んでから、乾燥した後、岩石コアの穴・スロート長さ、空隙率と浸透率を測定し、それに加えて、岩石コアサンプルに対して真空排気を行って、飽和度について地層水又は地層原油を模擬すること、
ステップ二:岩石コアサンプルに対して核磁気共鳴MRI/T2スキャン測定を行って異なる断面における岩石コアの二次元画像を取得すること、
ステップ三:二次元画像に対して補間を行って、岩石コアMRI/T2の三次元データボリュームを取得すること、
ステップ四:三次元不規則空隙ネットワークモデルを構築して、MRI/T2三次元データボリュームを、三次元不規則空隙ネットワークモデルのノードに代入すること、
ステップ五:変換係数αを通じて、三次元不規則空隙ネットワークモデルにおける各隣のノードの穴・スロート半径を計算して、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルの浸透率の模擬計算を行い、それに加えて、変換係数αの大きさを調整することによって、空隙ネットワークの浸透率が岩石コアの浸透率の実測値に近いことを確保し、それに加えて、デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルを構築することと、
ステップ六:デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法を結びつけて岩石コア流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーションを行うことという六つのステップが含まれていることを特徴とする室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法。 as follows, i.e.
Step 1: First select the rock core sample, after drying, measure the hole/throat length, porosity and permeability of the rock core, additionally evacuate the rock core sample, simulating formation water or formation crude oil for saturation;
Step two: performing nuclear magnetic resonance MRI/T 2 scan measurements on the rock core sample to obtain two-dimensional images of the rock core at different cross-sections;
Step 3: Performing interpolation on the 2D image to obtain a 3D data volume of the rock core MRI/ T2 ,
Step 4: constructing a three-dimensional random void network model and substituting the MRI/T 2 three-dimensional data volume into the nodes of the three-dimensional random void network model;
Step 5: Calculate the hole and throat radius of each neighboring node in the three-dimensional irregular pore network model through the conversion coefficient α, simulate the permeability of the digitized rock core pore network model, and In addition, by adjusting the magnitude of the conversion factor α, we ensure that the permeability of the pore network is close to the measured permeability of the rock core, and in addition, the digitized rock core pore network model and constructing
Step 6: Combining the digitized rock core pore network model with the unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration numerical simulation method to perform the rock core fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation. A digitized multiphase fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method for laboratory rock core experiments characterized by six steps.
S401:岩石コアのスケールによって、モデルの大きさ、リガンド数と平均穴・スロート長さを設置すること、
S402:コンピュータープログラミング言語とマトリックス・コンピューティングライブラリEigen構造の三次元規則的な立方体ネットワーク構造を採用して、一つのX×Y×Z三次元規則的な立方体ネットワークを生成すること、
S403:立方体ネットワークの総ノード数が(X-1×(Y-1)×(Z-1)であり、各ノードがそれぞれ一つの空隙を表し、ノードとノードとの間に、スロートを通じて繋がり、その他の部分が岩石の骨組であるように設置すること、
S404:1、構築した立方体ネットワークモデルにおいて、空隙を表す各ノードの周辺に、六つのスロートが互いに繋がり、スロート長さが岩石平均穴・スロート長さ<l>であり、立方体ネットワークモデルのx、y、z方向の辺長がそれぞれLx=(X-1)<l>、Ly=(Y-1)<l>とLz =(Z-1)<l>であるようにし、立方体ネットワークモデルにおけるすべてのグリッド・ノードの間に、丸管を通じて完全接続を実現し、且つ、空隙とスロートとの半径比を1にすることと、2、LyとLzを、実際岩石コア径に設定し、且つ、各層のyoz平面における、中心点からの距離がLyを上回る点を全部取り外すことによって、立方体ネットワークモデルが、実際岩石コア形状に一致するプランジャー状モデルになるようにすること及び
S405:1、核磁気共鳴MRI/T2の三次元テンソルデータボリュームにおける数値を、三次元規則的な立方体ネットワークモデルにおける各ノードに代入すること(二つのノードの間の連結線値が穴・スロートの半径Rである)、2、ネットワークにおけるすべての穴・スロートの半径Rについて、隣の二つのノードにおけるMRI/T2値の平均値を取ること、3、モデルにおける各ノードの座標を、球面内のスペース内において無作為に移動することによって、不規則ネットワーク・スペース構造を生成し、且つ、穴・スロート長さの無作為な変化を生じることと4、ネットワーク構造から、一部分の接続を無作為に取り除くことによって、異なる連結性の特徴を持つ空隙ネットワークモデルを取得することという四つのステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法。 wherein said step specifically includes the following substeps:
S401: Set the size of the model, the number of ligands and the average hole/throat length according to the scale of the rock core,
S402: Adopting the three-dimensional regular cubic network structure of the computer programming language and matrix computing library Eigen structure to generate an X×Y×Z three-dimensional regular cubic network;
S403: The total number of nodes in the cubic network is (X - 1 x (Y - 1) x (Z - 1), each node represents one gap, and the nodes are connected through the throat, be installed so that the other part is a rock framework;
S404: 1, in the constructed cubic network model, six throats are connected to each other around each node representing the void, the throat length is the rock average hole-throat length <l>, x of the cubic network model, Let the side lengths in the y and z directions be L x =(X-1)<l>, Ly =(Y-1)<l> and L z =(Z-1)<l> respectively, and the cube Between all grid nodes in the network model, realization of perfect connections through round tubes, and the ratio of the radii of the voids to the throats of 1; and removing all points in the yoz plane of each layer whose distance from the center point is greater than Ly , so that the cube network model becomes a plunger-like model that actually matches the rock core shape things and
S405: 1, Substituting the numerical values in the three-dimensional tensor data volume of nuclear magnetic resonance MRI/ T2 to each node in the three-dimensional regular cubic network model (the connecting line value between two nodes is the hole/throat ), 2. For every hole/throat radius R in the network, take the mean of the MRI/ T binaries at the two neighboring nodes; 3. Coordinate each node in the model to the spherical surface by randomly moving within the inner space, creating an irregular network space structure and causing random variations in the hole/throat length;4; Digitized multiphase fluid in laboratory rock core experiments according to claim 1, characterized in that it comprises four steps of obtaining pore network models with different connectivity features by randomly removing - Structural interaction (FSI) infiltration numerical simulation method.
S601:岩石コアサイズの空隙ネットワーク結合非定常流動モデルに基づいて穴・スロートチャンネルにおける流体の非定常流動を分析して、円形管束における流体軸方向速度vr分布を分析すること、
S602:単相液体浸透プロセスが適合すべき仮設条件に基づいて、有限体積法とルノー輸送方程式を採用して、非定常単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを構築すること、
S603:単相ガス浸透プロセスにおけるガス密度ρgとガス圧縮率因子Cgに基づき、且つ、 ルノー輸送方程式に結びついて、低圧と高圧条件に同時に適合する非定常単相ガス流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを構築すること、
S604:非定常単相液体流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルと非定常単相ガス流体-構造連成(FSI)浸透数学モデルを利用し、且つ、空隙ネットワークモデルにおける混合流体の特性パラメータに結びついて、非混合排除のプロセス下での流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデルを構築することと、
S605:デジタル化された岩石コアの空隙ネットワークモデルと非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーション手法を結びつけて岩石コア流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーションを行うことという五つのステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法。 Step 6 specifically includes the following substeps:
S601: Analyzing the unsteady flow of the fluid in the hole-throat channel based on the rock core-sized pore network coupled unsteady flow model to analyze the fluid axial velocity v r distribution in the circular tube bundle;
S602: Constructing a non-stationary single-phase liquid fluid-structure interaction (FSI) infiltration mathematical model employing the finite volume method and the Renault transport equation, based on the hypothetical conditions to which the single-phase liquid infiltration process should fit;
S603: Unsteady single- phase gas-fluid- structure interaction ( FSI) building a mathematical model of penetration,
S604: Utilizing unsteady single-phase liquid fluid-structure interaction (FSI) seepage mathematical model and unsteady single-phase gas fluid-structure interaction (FSI) seepage mathematical model, and mixing fluid characteristic parameters in pore network model constructing a fluid-structure interaction (FSI) multiphase seepage mathematical model under the process of unmixed exclusion, in conjunction with
S605: Combining a digitized rock core pore network model with an unsteady fluid-structure interaction (FSI) multiphase infiltration numerical simulation method to perform a rock core fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation. A digitized multi-phase fluid-structure interaction (FSI) seepage numerical simulation method for laboratory rock core experiments according to claim 1, characterized in that it comprises three steps.
S701:まず、流体-構造連成(FSI)多相浸透数学モデルにおける非線形毛管圧力項に対して線形化処理を行うことによって、
S703:ステップ7023公式における異なる時刻の流動状態について分離と合併を行うことによって、
S704:空隙ネットワークモデルにおけるすべてのネットワーク・ノードを走査した後、空隙ネットワークモデルにおけるすべての制御ボリュームが、皆現在の時刻と次の時刻の流動状態を、ステップS703の公式に代入して整理してから、下記のマトリックス、即ち、
[A]t+Δt[X]t+Δt=[B]tを形成した後
(式の中で、[A]t+Δtが、N×Nサイズの流体水力伝導率関連スパースマトリックスであり、Nが、空隙ネットワークモデルのノード数であり、[X]t+Δtと[B]tが、長さがNである二つのベクトルであり、[X]t+Δtが次の時刻の圧力場ベクトルであり、[B]tが前の時刻の圧力場と境界条件関連ベクトルである)、GPU代数多重グリッド一般化最小残差アルゴリズムを利用して、以上のマトリックスの解を求めることによって、現在時刻の空隙ネットワークモデルにおける流体圧力場分布を得ること、
S705:非定常流体-構造連成(FSI)多相浸透数値シミュレーションのプロセス中において、固定時間ステップ又は可変時間ステップの方式を採用することによって、当該ステップ幅内の流体界面に変位を発生させ、各時間ステップの下で、界面移動後の新しい流体界面位置を計算し、且つ、全体的な空隙ネットワークモデルにおけるすべての穴・スロートチャンネルの水力伝導率とモデルにおける各相流体の飽和度をアップデートした後、全体的な空隙ネットワーク・スペースに浸入流体がいっぱいになるか、又はある飽和度数値に達するまで、流体圧力場分布の解を求めることという五つのステップを含むことを特徴とする請求項6に記載の室内岩石コア実験における、デジタル化された多相流体-構造連成(FSI)浸透数値シミュレーション手法。 The unsteady fluid-structure interaction (FSI) multi-phase infiltration numerical simulation method specifically includes the following steps:
S701: First, by linearizing the nonlinear capillary pressure term in the fluid-structure interaction (FSI) multiphase seepage mathematical model,
S703: By separating and merging the flow states at different times in the step 7023 formula,
S704: After scanning all the network nodes in the pore network model, all the control volumes in the pore network model are arranged by substituting the current and next flow states into the formula of step S703. from the following matrix:
After forming [A] t + Δt [X] t + Δt = [B] t (where [A] t + Δt is a fluid hydraulic conductivity-related sparse matrix of size N × N, where N is the number of nodes in the void network model, [X] t+Δt and [B] t are two vectors of length N, and [X] t+Δt is the pressure field at the next time vector, where [B] t is the pressure field and boundary condition related vector at the previous time), by solving the above matrix using the GPU algebraic multigrid generalized minimum residual algorithm, the current Obtaining the fluid pressure field distribution in the pore network model of time,
S705: During the process of unsteady fluid-structure interaction (FSI) multi-phase infiltration numerical simulation, by adopting the method of fixed time step or variable time step to generate displacement at the fluid interface within the step width, Under each time step, we calculated the new fluid interface position after interface movement and updated the hydraulic conductivity of all holes and throat channels in the global void network model and the saturation of each phase fluid in the model. 6. After solving the fluid pressure field distribution until the entire void network space is filled with the infiltrating fluid or reaches a certain saturation value. A digitized multiphase fluid-structure interaction (FSI) infiltration numerical simulation method for the laboratory rock core experiment described in .
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