KR102357108B1 - Method of calculating permeability variation of porous material using pore-scale simulation - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 공극규모 시뮬레이션을 이용한 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법을 제공한다. 본 발명의 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법은, 입자들의 배열에 의하여 다공성을 갖는, 다공성 매질 모델을 제공하는 단계; 상기 다공성 매질 모델에 대한 균열높이를 포함한 기하학적 변수를 도출하는 단계; 상기 다공성 매질 모델에 대한 유체의 입구 유속을 설정하는 단계; 및 상기 균열높이와 상기 입구 유속에 대한 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 투과도를 도출하는 단계;를 포함한다.The present invention provides a method for calculating the change in permeability of a porous medium using pore-scale simulation. The method for calculating the change in permeability of a porous medium of the present invention comprises the steps of: providing a porous medium model having porosity by an arrangement of particles; deriving geometric parameters including crack height for the porous medium model; setting an inlet flow rate of the fluid to the porous medium model; and deriving permeability by performing pore-scale simulations on the crack height and the inlet flow rate.

Description

공극규모 시뮬레이션을 이용한 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법{Method of calculating permeability variation of porous material using pore-scale simulation}Method of calculating permeability variation of porous material using pore-scale simulation

본 발명의 기술적 사상은 다공성 매질 내의 유동 해석방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 공극규모 시뮬레이션을 이용한 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a flow analysis method in a porous medium, and more particularly, to a method for calculating a change in permeability of a porous medium using a pore-scale simulation.

본 발명은 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 에너지자원융합원천기술개발사업 일련번호 제 20132510100060호 및 제 20172510102150호의 연구과제를 참조한다.The present invention refers to the research tasks of the Energy Resources Convergence Source Technology Development Project Serial Nos. 20132510100060 and 20172510102150 No.

다공질 유동은 열전달, 정제, 정압, 감압, 인공장기, 지하수, 원자력 및 지열 발전, 온실가스 저장기술 및 석유와 가스 생산 등과 같은 다양한 산업 분야에서 널리 나타나고 있다. 특히, 수압파쇄지층의 수압파쇄균열의 두께 감소와 상관된 투과도 변화의 신뢰성 있는 예측은 셰일가스와 타이트(tight) 가스 저장영역, 그리고 지열 발전 플랜트, 그리고 온실가스 저장 산업 등에 있어서 매우 중요한 인자로 알려져 있다. 예를 들어, 지속적인 유체의 생산에 따른 공극 압력의 감소는 셰일가스 저장영역의 개별 수압파쇄균열의 간극을 지속적으로 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 변화 양상은 실제 셰일가스 수압파쇄균열 뿐만 아니라, 타이트가스에서부터 전통적인 유전이나 가스전에 이르기까지 다양한 종류의 저장영역에서 발견되고 있다. 따라서 이들은 저장영역의 종류와 상관없이 최적의 석유가스 생산에 있어서 가장 핵심적인 인자임이 밝혀진 바 있다. 이에 따라 기하학적 조건의 변화에 따른 투과도 변화는, 체계적으로 분석되고 정량화되어서 신뢰성 있는 생산 예측이나 경제성 있는 광구의 관리에 필수적이다. 이러한 다공질 유동 해석에는 수치해석의 경우를 포함해서 다르시(Darcy) 방정식이나 포르츠하이머(Forchheimer) 방정식이 일반적으로 사용된다.Porous fluids are widely used in various industrial fields such as heat transfer, refining, static pressure, decompression, artificial organs, groundwater, nuclear and geothermal power generation, greenhouse gas storage technology, and oil and gas production. In particular, the reliable prediction of the change in permeability correlated with the decrease in the thickness of hydraulic fracturing cracks in the hydraulic fracturing formation is known as a very important factor in shale gas and tight gas storage areas, geothermal power plants, and the greenhouse gas storage industry. have. For example, it is known that the reduction of the pore pressure due to the continuous production of fluid continuously reduces the gap of individual hydraulic fracturing cracks in the shale gas storage area. These changes are found in various types of storage areas ranging from tight gas to traditional oil and gas fields, as well as hydraulic fracturing cracks for actual shale gas. Therefore, it has been found that these are the most important factors for optimal oil and gas production regardless of the type of storage area. Accordingly, the change in transmittance according to the change of geometrical conditions is systematically analyzed and quantified, and thus is essential for reliable production prediction or economical management of minefields. In such a porous flow analysis, Darcy's equation or Forchheimer's equation is generally used, including the case of numerical analysis.

그러나, 이러한 방정식들은 유량과 압력 강화에 단순한 관계를 제공하여 다르시 유동 영역에 대한 투과도 또는 다르시 유동 영역과 비다르시 유동 영역에 대한 투과도를 각각 제공할 뿐이며, 상세한 투과도 변화의 상관관계, 기하하적 변화로부터 출발되는 상세한 투과도 변화에 대한 상관관계를 제시하지는 못하는 한계가 있다. 따라서 실제 코어(core)시편을 활용한 많은 실험들이나, 실제 현장에서의 생산 로깅(logging) 실험이 투과도 변화를 예측하기 위해서는, 모든 예측되는 기하학적인 변화 조건에 대하여 시행되어야만 하며, 이에 따라 비용과 시간과 막대한 수고를 요구하게 된다. 더 나아가, 이들은 실험적으로 또는 이론적으로 투과도 변화를 예측하는 데 있어서 상당한 한계를 가진다.However, these equations provide a simple relationship to the flow rate and pressure intensification, providing only the permeability to the Darcy flow region or the permeability to the Darcy flow region and the non-Darcy flow region, respectively, and the detailed correlation of the permeability change, the geometric change There is a limitation in not being able to present a correlation for the detailed transmittance change starting from . Therefore, in order to predict the change in transmittance, many experiments using actual core specimens or production logging experiments in the field must be conducted for all predicted geometrical change conditions, and thus cost and time and require great effort. Furthermore, they have significant limitations in predicting changes in transmittance experimentally or theoretically.

첫째, 자연상태의 어떠한 암석도 동일한 공극 구조를 가지지 않는다. 실제 동일한 지층으로부터 추출된 암석들이 동일한 암석 물성을 가지고 있는 경우에도, 예를 들어 동일한 공극률과 비표면적, 및 입자의 크기와 형상, 암석물성들이 동일한 경우에도, 실제 내부 입자의 크기와 형상, 종류들이 완전하게 동일하여 각 공극 내부의 경로와 구조가 동일하지 않다. 따라서 이와 같은 동일한 종류의 가족 암석코어 시편들을 대상으로 한 투과도 값들도 동일하지 않다. 물론 이는 최초의 공극 구조가 개별 암석들에서 다르기 때문이다. 이러한 한계는 기하학적인 조건들이 변화하는 경우에는 훨씬 더 심해진다. 이들은 사실상 측정 기구의 민감도와 방법 또는 실험과정 중에서 발생될 수 있는 시편의 파손이라든지 변형 오염 등과 같은 손상에 의해서 더욱더 문제될 수도 있다. 이상적으로, 이들을 모두 엄밀히 측정하기 위해서는 수백 개의 동일한 시험용 암석코어시편들이 필요하다. 그 이유는 다양한 응력조건, 압력 조건, 유체성분들에 대한 일련의 실험이 필요하기 때문이다. 그러나 이것들은 현실적으로 불가능하다.First, no rock in nature has the same pore structure. Even when rocks extracted from the same strata have the same rock properties, for example, the same porosity, specific surface area, and particle size, shape, and rock properties are the same, the actual size, shape, and types of internal particles are They are completely identical so that the paths and structures inside each pore are not identical. Therefore, the transmittance values for these same types of family rock core specimens are not the same. Of course, this is because the original pore structure is different in the individual rocks. This limitation becomes even more severe when geometric conditions change. In fact, they may be more problematic due to the sensitivity of the measuring instrument, the method, or damage such as breakage of the specimen or deformation contamination that may occur during the course of the experiment. Ideally, hundreds of identical test rock core specimens would be needed to measure all of them rigorously. The reason is that a series of experiments are required for various stress conditions, pressure conditions, and fluid components. However, these are practically impossible.

둘째, 이들이 가능하다고 하더라도 공극규모(pore-scale) 즉 공극 수준의 마이크로 미터 수준의 공극 내부의 유동특성들, 즉 실제 공급 유동 경로의 유속 구조 등을 직접적으로 측정하는 것도 불가능하다. 이는 극도로 복잡한 공극 구조와 천문학적인 숫자의 개별 입자들 사이를 형성한 공극들은 사실상으로 완벽하게 규명된다는 것은 불가능하기 때문이다.Second, even if these are possible, it is also impossible to directly measure the flow characteristics within the pore at the pore-scale, that is, the micrometer level of the pore level, that is, the flow velocity structure of the actual supply flow path. This is because it is virtually impossible to fully characterize the extremely complex pore structure and the voids that form between the astronomical number of individual particles.

결과적으로 비틀림도 라고 하는 실제 공극 유로는 이와 같은 실험적인 방법 또는 생산시험 등을 통해서는 결코 특성화되거나 규명될 수 없다. 더 나아가 이런 공극구조들은 매우 작을 뿐만 아니라, 실제로는 암석들에 의해서 둘러싸여져 있기 때문에 일반적으로 우리가 사용할 있는 레이저라든지 핫 와이어와 같은 장치들로서는 실질적인 측정이 불가능하다.As a result, the actual pore flow path, called torsion degree, can never be characterized or elucidated through such experimental methods or production tests. Furthermore, these pore structures are not only very small, but because they are actually surrounded by rocks, it is generally impossible to measure practically with devices such as lasers and hot wires that we use.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 공극규모 시뮬레이션을 이용한 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a method for calculating the change in permeability of a porous medium using a pore-scale simulation.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법은, 입자들의 배열에 의하여 다공성을 갖는, 다공성 매질 모델을 제공하는 단계; 상기 다공성 매질 모델에 대한 균열높이를 포함한 기하학적 변수를 도출하는 단계; 상기 다공성 매질 모델에 대한 유체의 입구 유속을 설정하는 단계; 및 상기 균열높이와 상기 입구 유속에 대한 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 투과도를 도출하는 단계;를 포함한다.According to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem, a method for calculating a change in permeability of a porous medium includes: providing a porous medium model, having porosity by an arrangement of particles; deriving geometric parameters including crack height for the porous medium model; setting an inlet flow rate of the fluid to the porous medium model; and deriving permeability by performing pore-scale simulations on the crack height and the inlet flow rate.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도를 공극률 및 전체 부피와 상관되는 방정식으로부터 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, comparing the transmittance with the transmittance calculated from the equation correlated with the porosity and the total volume; may further include.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도를 하기의 식에서 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, comparing the transmittance with the transmittance calculated by the following formula; may further include.

Figure 112020013925714-pat00001
Figure 112020013925714-pat00001

여기에서, k는 투과도이고, Vf는 상기 매질의 전체 부피, Φ는 공극율, m은 지수계수이다.Here, k is the transmittance, V f is the total volume of the medium, Φ is the porosity, and m is the exponential coefficient.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 지수계수(m)는 1.5 내지 1.9 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the exponential coefficient (m) may be in the range of 1.5 to 1.9.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 지수계수(m)는 3.6 내지 4.0 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the index coefficient (m) may be in the range of 3.6 to 4.0.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도를 비표면적 및 전체 부피와 상관되는 방정식으로부터 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, comparing the transmittance with the transmittance calculated from the equation correlated with the specific surface area and the total volume; may further include.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도를 하기의 식에서 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, comparing the transmittance with the transmittance calculated by the following formula; may further include.

Figure 112020013925714-pat00002
Figure 112020013925714-pat00002

여기에서, k는 투과도이고, Vf는 상기 매질의 전체 부피, SS는 비표면적, m은 지수계수이다.Here, k is the transmittance, V f is the total volume of the medium, S S is the specific surface area, and m is the exponential coefficient.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 지수계수(m)는 1.3 내지 1.7 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the exponential coefficient (m) may be in the range of 1.3 to 1.7.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 지수계수(m)는 1.1 내지 1.5 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the exponential coefficient (m) may be in the range of 1.1 to 1.5.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 모델은 동일한 크기의 입자들이 배열된 단순한 정규 다공성 매질 모델로 구성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the porous medium model may be composed of a simple regular porous medium model in which particles of the same size are arranged.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 입자들은 45 μm 내지 55 μm 범위의 반경을 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the particles may have a radius in the range of 45 μm to 55 μm.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 모델은, 0.4 mm 내지 0.5 mm 범위의 상기 균열높이를 가지고, 35.9% 내지 45.2% 범위의 공극률을 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the porous medium model may have a crack height in a range of 0.4 mm to 0.5 mm, and a porosity in a range of 35.9% to 45.2%.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 입구 유속은 0.00001 m/s 내지 0.75 m/s 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the inlet flow velocity may range from 0.00001 m/s to 0.75 m/s.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 모델은 다른 크기의 입자들이 배열된 복잡한 정규 다공성 매질 모델로 구성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the porous medium model may be composed of a complex regular porous medium model in which particles of different sizes are arranged.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다른 크기의 입자들은 서로 엇갈리게 배열될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the particles of different sizes may be staggered from each other.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 입자들은 30 μm 내지 55 μm 범위의 반경을 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the particles may have a radius in the range of 30 μm to 55 μm.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 모델은, 0.4 mm 내지 0.5 mm 범위의 균열높이를 가지고, 13.3% 내지 21.8% 범위의 공극률을 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the porous medium model may have a crack height in the range of 0.4 mm to 0.5 mm, and a porosity in the range of 13.3% to 21.8%.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 입구 유속은 1 μm/s에서 0.1 m/s 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the inlet flow rate may range from 1 μm/s to 0.1 m/s.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기하학적 변수는 균열높이, 공극 부피, 고상표면적, 비표면적, 공극률, 코즈니 수력 직경, 및 총 격자수 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the geometrical parameter may include at least one of crack height, pore volume, solid surface area, specific surface area, porosity, Kozny hydraulic diameter, and total number of grids.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 입자들은 매끈한 표면과 등온성을 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the particles may have a smooth surface and isothermal properties.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 모델은, 상기 균열높이가 증가됨에 따라 공극률이 증가될 수 있다.In some embodiments of the present invention, in the porous medium model, the porosity may increase as the crack height increases.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 유체는 물을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the fluid may include water.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하는 단계에서, 총 격자수는 6200만개 내지 1억1300만개 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, in the step of performing the pore-scale simulation, the total number of grids may be in the range of 62 million to 113 million.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하는 단계에서, 균질하게 분포된 10 만개 내지 25 만개의 유선 점들을 기반하여 수행함으로써 상기 유체의 유선분포를 도출할 수 있다.In some embodiments of the present invention, in the step of performing the pore-scale simulation, the streamline distribution of the fluid may be derived by performing it based on 100,000 to 250,000 streamline points uniformly distributed.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 유체의 입구 유속이 증가함에 따라, 상기 유체의 상기 유선분포는 다르시 유동 영역으로부터 비다르시 유동 영역으로 변화할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, as the inlet flow velocity of the fluid increases, the streamline distribution of the fluid may change from a Darcy flow region to a non-Darcy flow region.

기하학적 조건의 변화에 따른 지층의 투과도 변화는 다양한 산업 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 그러나 실용적이고 신뢰할 수 있는 투과도 산정방법은, 다공성 매질의 매우 복잡한 입자 형상과 마이크로 미터 스케일이 공극 경로에 대한 신뢰할 수 있는 실험 기구와 방법 들이 미비함에 따라, 아직까지도 제시되고 있다. 이에 따라, 본 발명의 기술적 사상에 의하며, 핵심 기하변수들의 상관관계 규명에 초점을 두고, 기하 조건의 변화에 따른 투과도 변화 양상을 조사하기 위하여, 공극규모 시뮬레이션 기법을 도입하였다. 두 종류의 공극규모 시뮬레이션 모델들로서, 다섯 종류의 단순구조 모델과 네 종류의 복잡구조 모델을 예시적으로 도입하였고, 기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화를 조사하기 위하여 활용하였다. 결과적으로 투과도 변화와 상관되는 기하학적 변수들, 즉 공극률, 비표면적, 및 전체 부피에 관한 핵심적인 상관관계가 성공적으로 제시되었다. 특히, 비표면적과 공극률이 전체 체적의 변화와 상관되어 각각 두 가지의 실용적인 투과도 변화양상에 대한 함수로 표현될 수 있음이 유도되었고, 또한 공극규모 시뮬레이션 모델들을 통하여 검증되었다. 결과적으로, 기하학적 변화를 동반하는 다양한 종류의 다공질 유동에 대하여 유도된 관계식들의 신뢰도가 아울러 검증되었다. 이들 중에서, 비표면적과의 상관관계를 통한 기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화의 양상이 더욱 더 효과적임을 발견하였고, 이들은 공극률의 함수만으로 표현될 수 없음을 확인하였다.The change in the permeability of the strata according to the change of geometric conditions is receiving a lot of attention in various industrial fields. However, a practical and reliable method for estimating the permeability is still being suggested as reliable experimental instruments and methods for the pore path due to the very complex particle shape of the porous medium and micrometer scale are insufficient. Accordingly, in accordance with the technical idea of the present invention, a pore-scale simulation technique was introduced in order to investigate the change in transmittance according to the change of the geometric condition, focusing on the investigation of the correlation of key geometric variables. As two types of pore-scale simulation models, five types of simple structure models and four types of complex structure models were introduced exemplarily and used to investigate changes in transmittance according to geometrical conditions change. As a result, the key correlations of the geometric parameters that correlate with the change in permeability, i.e., porosity, specific surface area, and total volume, were successfully presented. In particular, it was derived that the specific surface area and the porosity were correlated with the change in the total volume and could be expressed as a function of two practical permeability changes, respectively, and verified through pore-scale simulation models. As a result, the reliability of the derived relational expressions for various types of porous flow accompanying geometrical changes was also verified. Among them, it was found that the pattern of change in transmittance according to geometrical condition change through correlation with specific surface area was more effective, and it was confirmed that they could not be expressed only as a function of porosity.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델에 대한 기하학적 변수를 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 평균 모델의 유속 분포를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수, 압력강하, 및 투과도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 변화를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 오차를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수에 대한 투과도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델에 대한 기하학적 변수를 나타낸다.
도 13 내지 도 16는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 평균 복잡 모델의 유속 분포를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수, 압력강하, 및 투과도를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 변화를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 오차를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수에 대한 투과도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법을 도시하는 흐름도이다.
1 shows a pore-scale simulation model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
2 shows geometrical parameters for a pore-scale simulation model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
3 to 5 show the flow velocity distribution of the average model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
6 shows the Reynolds number, pressure drop, and permeability for each of the pore-scale simulation models in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
7 shows the permeability change for each of the pore-scale simulation models in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
8 shows the permeability error for each pore-scale simulation model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the relationship of permeability to the Reynolds number for each of the pore-scale simulation models in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
10 and 11 show a pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
12 shows geometric parameters for a pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
13 to 16 show the flow velocity distribution of the average complexity model in the complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of the porous medium according to an embodiment of the present invention.
17 shows the Reynolds number, pressure drop, and permeability for each of the pore-scale simulation models in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
18 shows the permeability change for each of the pore-scale simulation models in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
19 shows the permeability error for each of the pore-scale simulation models in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
20 is a graph showing the relationship of permeability to the Reynolds number for each pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.
21 is a flowchart illustrating a method for calculating a change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so as to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In this specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

최근의 수치해법과 컴퓨터 성능의 발전에 따라, 공극규모 모델에 대한 직접수치해법인 공극규모 시뮬레이션(PSS, Pore Scale Simulation)을 적용한 몇몇의 연구들이 최근 보고되고 있다. 상기 공극규모 시뮬레이션은, 그 자체가 가지는 매우 복잡한 격자계와 마이크로미터 스케일의 천문학적으로 많은 격자계를 해석할 때의 수렴한계나 고비용 등 수치적 한계에도 불구하고, 위에서 언급된 한계를 해결하는 대안이 될 수 있다. 원래 매질의 기하학적 구조를 지속적으로 유지하면서, 공극간극유속, 압력강하 및 유선분포 등과 같은 핵심적인 물성들이 신뢰성 있게 분석될 수 있다.With the recent development of numerical solutions and computer performance, several studies have recently been reported in which pore scale simulation (PSS), a direct numerical solution to the pore scale model, is applied. The pore-scale simulation can be an alternative to solving the above-mentioned limitations, despite the numerical limitations such as the convergence limit and high cost when analyzing a very complex grid system itself and an astronomically large number of micrometer-scale grid systems. have. While continuously maintaining the geometry of the original medium, key properties such as pore pore flow velocity, pressure drop and streamline distribution can be reliably analyzed.

본 발명의 기술적 사상은, 공극규모 시뮬레이션을 도입하여, 공극율, 비표면적 및 전체 부피 변화와 같은 일반적인 기하학적 물성을 기반하여 투과도 변화의 상관관계를 도출하는 것이다. 상기 기하학적 물성들은 매우 쉽게 일반적으로 측정될 수 있다. 그리고 도출된 투과도 상관관계는 두 가지 종류의 공극규모 시뮬레이션 시리즈 모델들에 적용되어 투과도 변화를 예측하는 데 활용될 수 있다. 이때, 두 가지 종류의 시리즈 모델은 다섯 개의 단순한 구조 및 네 개의 매우 복잡한 구조를 가진 모델들이며 이들은 기하학적 변화를 동반한다.The technical idea of the present invention is to derive a correlation of permeability change based on general geometrical properties such as porosity, specific surface area, and total volume change by introducing a pore-scale simulation. The geometrical properties can be measured in general very easily. And the derived permeability correlation can be applied to two types of pore-scale simulation series models and used to predict the permeability change. At this time, the two kinds of series models are models with five simple structures and four very complex structures, which are accompanied by geometrical changes.

기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화의 산정Estimation of permeability change according to geometrical condition change

일반적인 선행연구의 주류는, 공극률과 같은 매우 쉽게 측정되는 암석 물성들로부터 다공질 유동 관계식들이나 암석의 투과도의 물리학적인 접근에 대한 이론적인 해석을 하는 것이었다. 코즈니-카르만 방정식(Kozeny-Carman equation), 어건 방정식(Ergun equation) 또는 이들을 기반한 다른 수정 방정식들이 여전히 이와 같은 투과도 산정에 널리 사용되고 있다. 포르츠하이머(Forchheimer)는 비선형적 효과를 설명하기 위한 일반화된 유동방정식을 제시하였다. 수나다(Sunada)는 일차원적인 비선형유동방정식 포르츠하이머(Forchheimer) 방정식과 유사한 형태를 가진 일차원 비선형유동방정식을 레이놀즈 수와 마찰계수의 경험적 상관관계를 통하여 제시하였다. 그러나 아직까지도 기압 조건이 변화하는 경우에 대한 일반화되고 실용적인 이론적 해석 방법은 제시되지 못하고 있다.The mainstream of general prior research has been to theoretically analyze porous flow relations and physics approaches for permeability of rocks from very easily measured rock properties such as porosity. The Kozeny-Carman equation, the Ergun equation, or other correction equations based on them are still widely used to estimate the transmittance. Forchheimer presented a generalized flow equation to explain the nonlinear effect. Sunada presented a one-dimensional nonlinear flow equation similar to the Forchheimer equation through empirical correlation between Reynolds number and friction coefficient. However, a general and practical theoretical analysis method for the case of changing atmospheric pressure conditions has not yet been proposed.

최근에 신(Shin)은, 레이놀즈 수(Re)와 재정의된 마찰계수(f) 사이의 상관관계에 기반한 마찰등가투과도(FEP, friction equivalent permeability)의 정의를 제시하고, 이를 통하여 일반화된 다르시의 마찰유동 관계식을 제시하였다. 이들은 기존의 관련 이론들을 복합하여 하기의 수학식 1 과 같다.Recently, Shin presented a definition of friction equivalent permeability (FEP) based on the correlation between the Reynolds number (Re) and the redefined coefficient of friction (f), and through this, the generalized Darcy friction A flow relation is presented. These are represented by Equation 1 below by combining existing related theories.

Figure 112020013925714-pat00003
Figure 112020013925714-pat00003

이들 관계식들로부터, 투과도는 기본적으로는 공극률(Φ), 수력 직경(Dh), 및 비틀림도(T)에 기반하여 상관되어짐을 알 수 있다. 이때, 다공성 매질의 특성 매개변수(fRe* Dh)는 기하학적 변화에 무관하게 각각의 매질에 대해 적용되는 고유 상수임이 또한 증명될 수 있다. 상기 특성변수는 마찰등가투과도(FEP) 방법에서 고유 상수로 정의되며, 개별적인 다공성 매질의 마찰유동특성을 대표할 수 있다. 물론 이런 마찰유동특성은 각 매질입자들의 기하학적 형상이나 공극 유로의 구조적 특성에 의하여 결정된다. 따라서 동일한 매질이 다른 기하학적 조건에 있는 경우에는, 해당 고유 상수들이 투과도 변화의 상관관계에서 제외될 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 수학식 1의 마찰등가투과도(FEP) 관계식을 도입할 때, 개별 공극의 기하학적 형상이나 구조적 특성이 제거될 수 있음을 의미한다. 물론 이는 동일한 매질이 기하학적 변화를 거치는 경우에 한정된다.From these relations, it can be seen that the transmittance is basically correlated based on the porosity (Φ), the hydraulic diameter (D h ), and the torsion (T). At this time, it can also be proved that the characteristic parameter (fRe * Dh ) of the porous medium is an intrinsic constant applied for each medium regardless of the geometrical change. The characteristic variable is defined as an intrinsic constant in the frictional equivalent permeability (FEP) method, and may represent the friction flow characteristics of an individual porous medium. Of course, these frictional flow characteristics are determined by the geometric shape of each medium particle or the structural characteristics of the pore flow path. Therefore, when the same medium is in different geometric conditions, the corresponding intrinsic constants can be excluded from the correlation of the transmittance change. This means that when introducing the frictional equivalent transmittance (FEP) relational expression of Equation 1 as described above, the geometric shape or structural characteristics of individual pores can be removed. Of course, this is limited to the case where the same medium undergoes a geometric change.

이를 위해서, 같은 유속 조건 하에서, 공극 압력이 변화됨에 따라 기하학적 조건이 달라진 상태에는 동일한 종류의 두 상태의 다공성 매질을 가정할 수 있다. 이때 두 종류의 다양성 매질은, 초기에는 기하학적으로 완전히 동일하였으나 유체의 생성됨에 따라 발생되는 균열 두께의 변화에 따라 변화된다고 가정할 수 있다. 수학식 1로부터 다른 기하학적 조건에 있는 두 매질의 두 매질간의 투과도 변화는 하기의 수학식 2와 같다.To this end, under the same flow rate condition, two states of the same type of porous medium can be assumed in a state in which the geometrical conditions are changed as the pore pressure is changed. At this time, it can be assumed that the two types of diverse media are geometrically identical in the beginning, but change according to the change in the crack thickness that occurs as the fluid is generated. From Equation 1, the change in transmittance between the two mediums in different geometric conditions is as shown in Equation 2 below.

Figure 112020013925714-pat00004
Figure 112020013925714-pat00004

이때, 다공성 매질의 마찰 유동 특성을 대표하는 특성 매개변수(fRe* Dh)는 이와 같은 동종의 매질에 대해 같은 유동 조건하에서는 동일한 상수이다. 따라서 수학식 2는 코즈니의 수력 직경 정의에 의해 하기의 수학식 3과 같이 정의될 수 있다. 이에 따라, 투과도 변화는 공극률(Φ), 비표면적(Ss), 및 비틀림도(T)와 같은 세가지 기하학적 물성들의 함수로 정의될 수 있다. At this time, the characteristic parameter (fRe * Dh ) representing the frictional flow characteristics of the porous medium is the same constant under the same flow conditions for the same type of medium. Therefore, Equation 2 can be defined as Equation 3 below by Kozny's hydraulic diameter definition. Accordingly, the transmittance change can be defined as a function of three geometric properties: porosity (Φ), specific surface area (S s ), and torsion (T).

Figure 112020013925714-pat00005
Figure 112020013925714-pat00005

또한, 공극률은, 하기의 수학식 4에 제시된 바와 같이, 비표면적과 수력 직경의 정의에 의해 비표면적의 함수로 직접적으로 고려될 수 있고, 상관될 수 있다.In addition, the porosity can be directly considered and correlated as a function of the specific surface area by the definition of the specific surface area and the hydraulic diameter, as shown in Equation 4 below.

Figure 112020013925714-pat00006
Figure 112020013925714-pat00006

결과적으로 수학식 3은, 하기의 수학식 5에 제시된 바와 같이, 각 매질의 전체 부피와 비틀림도와 함께 상관되는 공극률과 비표면적에 대한 각각의 지수 방정식으로 정리될 수 있다.As a result, Equation 3 can be summarized as each exponential equation for the porosity and specific surface area, which is correlated with the total volume and torsion degree of each medium, as shown in Equation 5 below.

Figure 112020013925714-pat00007
Figure 112020013925714-pat00007

반면, 라브리드(Labrid)는, 투과도 변화가 공극률의 변화에 대해서만 상수계수로 지수적으로 비례한다고 하는 하기의 수학식 6과 같은 관계식을 제시하였다.On the other hand, Labrid presented a relational expression such as Equation 6 below, which states that the change in transmittance is exponentially proportional to the change in porosity only with a constant coefficient.

Figure 112020013925714-pat00008
Figure 112020013925714-pat00008

사실상, 상기 라브리드 방정식은 공극률과 투과도 상관관계를 정의하는 데 있어서 일반적인 현장 적용에 있어서 가장 널리 쓰이는 방정식 중의 하나이다. 이는 매우 단순한 형태를 가지는 것에도 기인한다. 상기 방정식은 하기에 제시되는 결과들의 비교와 검증에 활용될 수 있다. 이런 관점에서 상기 수학식 5의 비틀림도에 관련된 항은 실제 적용 시에 거의 결정될 수 없으므로 제거할 필요가 있다.In fact, the Labrid equation is one of the most widely used equations in general field applications for defining the correlation between porosity and permeability. This is also due to having a very simple form. The above equation can be utilized for comparison and verification of the results presented below. From this point of view, the term related to the torsion degree of Equation (5) needs to be removed because it can hardly be determined in actual application.

아키(Archie)는 지층계수, 지층 지수를 다공성 매질의 비저항을 기반으로 하여 정리하였다. 코넬(Cornell)과 카츠(Katz)는 비틀림도와 지층 지수, 경사 모세관, 큐브 모델을 기반한 지층 지수 상관관계를 제시했다.Archie arranged the stratum modulus and stratum index based on the resistivity of the porous medium. Cornell and Katz presented a stratum exponential correlation based on torsion and stratum index, sloped capillary, and cube models.

따라서, 비틀림도는, 하기의 수학식 7에 주어진 것 같이, 공극률의 함수로만 표현될 수 있다. 이런 관계식 들을 도입하면, 상기 수학식 5는 수학식 7과 같이 매우 실용적이고 실제 응용에 있어서 훨씬 쉬운 방정식의 형태로 단순화될 수 있다.Accordingly, the torsion degree can be expressed only as a function of the porosity, as given in Equation 7 below. By introducing these relational expressions, Equation 5 can be simplified to Equation 7, which is very practical and much easier in practical applications.

Figure 112020013925714-pat00009
Figure 112020013925714-pat00009

마지막으로, 수학식 7은, 하기의 수학식 8과 같이, 공극률의 함수로 정리되거나, 또는 하기의 수학식 9과 같이, 비표면적의 함수로 정리될 수 있다. 물론 이들은 지수(n)을 1로 정의한 경우임에 유의한다.Finally, Equation 7 may be arranged as a function of porosity as in Equation 8 below, or as a function of specific surface area as in Equation 9 below. Of course, note that these are cases in which the exponent (n) is defined as 1.

Figure 112020013925714-pat00010
Figure 112020013925714-pat00010

Figure 112020013925714-pat00011
Figure 112020013925714-pat00011

결과적으로, 기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화는 전체 부피의 변화에 동반된 각각 공극률과 비표면적의 지수함수관계를 통하여 산정될 수 있고, 상기 수학식 8과 상기 수학식 9에 나타나 있다. 여기서 지수계수(m)은 각 매질의 비틀림도 특성을 표현하는 특별한 상수로 결정되어야 한다. 이는 압력의 차이 또는 두 가지 기하학적 조건에서의 투과도의 차이를 필요로 한다. 물론 이러한 차이는 동일한 유동조건에서 다른 기하학적 조건하에 있는 상태의 경우이다. 다만, 이와 같이 지수계수가 결정된 이후에는 어떠한 기하학적 조건에 있는 투과도 변화도 상기 수학식 8과 상기 수학식 9를 통해서 결정되어질 수 있다. 이는 다르시 유동 영역과 비다르시 유동 영역 모두에서 만족될 수 있다.As a result, the change in transmittance according to the geometrical condition change can be calculated through the exponential function relationship between the porosity and the specific surface area, respectively, accompanied by the change in the total volume, and is shown in Equations 8 and 9 above. Here, the exponential coefficient (m) should be determined as a special constant expressing the torsional characteristics of each medium. This requires a difference in pressure or a difference in permeability in the two geometric conditions. Of course, these differences are the case under different geometric conditions under the same flow conditions. However, after the index coefficient is determined as described above, the change in transmittance in any geometric condition may be determined through Equations 8 and 9 above. This can be satisfied in both the Darcy flow region and the non-Darcy flow region.

기하학적 변화를 수반한 단순한 정규 다공성 매질의 공극규모 시뮬레이션Pore-scale simulation of simple normal porous media with geometrical changes.

공극규모 시뮬레이션 해석을 위해, 마이크로 미터 스케일의 공극 구조를 가지는 다섯 개의 다공성 매질 모델을 도입한다. 이들은 균열의 간극 축소와 유사하게, 점진적으로 가늘어지는 모델로서 축소되도록 가정한다. 이후에, 공극규모 시뮬레이션 해석을 통하여 유속조건의 상승에 따른 각 유동영역에서의 투과도 변화를 분석하였다.For pore-scale simulation analysis, we introduce five porous media models with micrometer-scale pore structures. They are assumed to be reduced as a model that gradually tapers, similar to the gap reduction of cracks. Thereafter, the change in permeability in each flow region according to the rise in flow rate conditions was analyzed through pore-scale simulation analysis.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델을 나타낸다.1 shows a pore-scale simulation model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 상기 단순한 정규 다공성 매질(simple structured porous medium)에서의 "Thickest" 모델에 대한 기하학적 수압파쇄가 상측에 도시되어 있고, 다섯 개의 모델에 대한 기하학적 파쇄균열이 하측에 도시되어 있다.Referring to FIG. 1, geometric hydraulic fracturing for the "Thickest" model in the simple structured porous medium is shown at the top, and geometric fracture cracks for five models are shown at the bottom.

수평의 평행한 미소 평판의 길이, 폭, 높이는 각각 4 mm, 4 mm, 0.5 mm 로 가정한다. 지지체 입자로서 각각 0.102 mm의 직경을 가진 완전한 구형의 균질한 구슬들이 총 7900개가 배열된다. 상기 구슬(즉, 입자)는 45 μm 내지 55 μm 범위의 반경을 가질 수 있다. 구슬의 원래 직경은 평판에 의해서 잘린 부분이나 인접한 구슬들의 중첩되는 부분들을 제외한 것이다. 이들은 균열 내의 지지체들의 엇갈린 분포를 흉내 내어서 두 평판 사이에 위치된다.The length, width, and height of the horizontal and parallel microplate are assumed to be 4 mm, 4 mm, and 0.5 mm, respectively. As support particles, a total of 7900 perfectly spherical homogeneous beads each having a diameter of 0.102 mm are arranged. The beads (ie, particles) may have a radius in the range of 45 μm to 55 μm. The original diameter of a bead excludes the portion cut by the plate or overlapping portions of adjacent beads. They are placed between the two plates, mimicking the staggered distribution of supports in the crack.

초기의 0.5 mm 균열높이를 가지는 45.2% 공극 모델이 가장 두꺼운 모델로서 정의되고, "Thickest" 모델로 지칭한다. 다음으로 두꺼운 모델인 "Thicker" 모델은 0.475 mm의 균열높이를 가진다. 이어서, 평균 모델인 "Base" 모델은 0.45 mm의 균열높이를 가진다. 이때, 각 매질 내의 구슬들은 균열높이가 변화됨에 따라 단순하고 균질하게 인접한 구슬들이나 벽으로 축소되는 것으로 가정한다. 더불어, 얇은 모델인 "Thinner" 모델은 0.425 mm의 균열높이를 가지며, 가장 얇은 모델인 "Thinnest" 모델은 0.4 mm의 균열높이 및 35.9% 공극률을 가진다.A 45.2% void model with an initial 0.5 mm crack height is defined as the thickest model, and is referred to as the "Thickest" model. The next thick model, the "Thicker" model, has a crack height of 0.475 mm. Then, the "Base" model, the average model, has a crack height of 0.45 mm. At this time, it is assumed that beads in each medium are reduced to adjacent beads or walls simply and homogeneously as the crack height changes. In addition, the "Thinner" model, which is the thinnest model, has a crack height of 0.425 mm, and the "Thinnest" model, the thinnest model, has a crack height of 0.4 mm and a porosity of 35.9%.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델에 대한 기하학적 변수를 나타낸다.2 shows geometrical parameters for a pore-scale simulation model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 기본 기하변수로서 균열높이(h), 공극 부피(Vp), 고상표면적(As), 비표면적(Ss), 공극률(Φ), 코즈니 수력 직경(Dh) 및 총 격자수(cell count)가 나타나 있다. 여기에서, 비표면적(Ss)은 각각의 모델에서 고체 부분의 전체 표면적과 전체 부피의 비율로부터 산출될 수 있다.Referring to FIG. 2 , as basic geometric variables, crack height (h), pore volume (V p ), solid surface area (A s ), specific surface area (S s ), porosity (Φ), Kozny hydraulic diameter (D h ) and The total cell count is shown. Here, the specific surface area (S s ) may be calculated from the ratio of the total surface area to the total volume of the solid portion in each model.

모든 시뮬레이션 모델에 0.00001 m/s로부터 0.75 m/s까지의 총 13개의 다른 입구 유속조건들이 적용되었다. 유속(u)는 각 입구 단면에 대하여 수직으로 정의되었고, 각각의 경우는 유동 방향인 X 축과 평행하게 설정되었다. 도 1의 우측 상단에 나타난 바와 같이, 종합하면 총 65개의 공극규모 시뮬레이션 경우가 다섯 개의 다른 균열높이와 총 13개의 입구 유속 조건에 의하여 정의되었다. 이와 같은 기하와 유속조건 외의 다른 모든 조건은 모든 경우에 동일하다. 유체는 순수한 물로서 표준밀도 998.2 kg/m3, 점도 0.001003 kg/ms 로 각각 가정되었다.A total of 13 different inlet flow rates ranging from 0.00001 m/s to 0.75 m/s were applied to all simulation models. The flow velocity (u) was defined perpendicular to each inlet cross-section, and in each case was set parallel to the flow direction, the X-axis. As shown in the upper right of FIG. 1 , a total of 65 pore-scale simulation cases were defined by five different crack heights and a total of 13 inlet flow velocity conditions. Except for these geometric and flow conditions, all other conditions are the same in all cases. The fluid was assumed to be pure water with a standard density of 998.2 kg/m 3 and a viscosity of 0.001003 kg/ms, respectively.

모든 모델들의 고체벽면이나 표면들은 완전하게 매끈하고 등온인 것으로 가정되었다. 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델링과 시뮬레이션은 정상상태 유동조건하에서 엔시스사의 플루언트(Ansys-fluent) 상용소프트웨어를 활용하여 수행되었다. 이때 기본적인 수렴 기준은 운동량 방정식과 연속 방정식 모두에서의 잔차(residual)가 10-8 이하로 설정되었다. 그러나 이러한 기준은 두 개의 가장 빠른 유속 조건 경우에 대해서는 수렴성의 문제 때문에 일부 완화가 되었다. 즉 0.5 m/s 에서는 10- 7 로, 0.75 m/s 조건에서는 10-6으로 완화되었고, 실질적으로 1 m/s를 넘어서는 경우에는 상기 수치해석은 수렴하기가 어려웠다. 비정렬 삼각뿔 격자 시스템(unstructured tetrahedral grid system)의 최종적인 총 격자수(Cell count)는 대략 1억1300만개 내지 6200만개였다. 상기 총 격자수는 도 1과 도 2)에 제시되어 있다. 이러한 값들은 다른 격자 해상도에서 해상도에 대한 시행착오법을 통하여 규명되어졌다. 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 및 200%의 총 격자수 경우들이 초기의 가장 두꺼운 모델과 가장 얇은 모델들에 기반하였고, 컴퓨터 시스템의 활용 가능한 한계를 고려했다. 2차 오더의 상류 스킴(upwind scheme)과 심플(SIMPLE) 방법이 공간차분(spatial discretization)과 압력유속 커플링에 적용되었다.The solid walls or surfaces of all models were assumed to be perfectly smooth and isothermal. Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling and simulation were performed under steady-state flow conditions using Ansys-fluent commercial software. At this time, the basic convergence criterion was set to a residual of 10 -8 or less in both the momentum equation and the continuity equation. However, this criterion was partially relaxed due to convergence issues for the two fastest flow rate conditions. That is, it was relaxed to 10 - 7 at 0.5 m/s and 10 -6 at 0.75 m/s, and it was difficult to converge the numerical analysis when it actually exceeded 1 m/s. The final total cell count of the unstructured tetrahedral grid system was approximately 113 million to 62 million. The total number of grids is presented in Figs. 1 and 2). These values were identified through trial and error methods for resolution at different grid resolutions. The total grid number cases of 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, and 200% were based on the initial thickest and thinnest models, taking into account the usable limitations of the computer system. The upwind scheme of the second order and the SIMPLE method were applied to spatial discretization and pressure-velocity coupling.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 평균 모델의 유속 분포를 나타낸다.3 to 5 show the flow velocity distribution of the average model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

여기에서, 도 3은 X-Z 평면에서 0.00001 m/s의 입구 유속의 경우이고, 도 4는 X-Z 평면에서 0.01 m/s의 입구 유속의 경우이고, 도 5는 X-Z 평면에서 0.75 m/s의 입구 유속의 경우이다.Here, FIG. 3 is the case of an inlet flow velocity of 0.00001 m/s in the XZ plane, FIG. 4 is the case of an inlet flow velocity of 0.01 m/s in the XZ plane, and FIG. 5 is an inlet flow velocity of 0.75 m/s in the XZ plane. is the case of

도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 평균(Base) 모델의 유선분포는 균질하게 분포된 10 만개의 유선 점들(streamline seeds)에 기반하며, 세 가지 다른 유동조건 대한 상기 평균 모델의 유선분포가 제시되어 있다. 이로부터 다르시 유동 영역으로부터 비다르시 유동 영역에 이르는 전반적인 유동양상의 변화를 관찰할 수 있다.3 to 5 , the streamline distribution of the base model is based on 100,000 homogeneously distributed streamline seeds, and the streamline distribution of the average model for three different flow conditions is presented. has been From this, it is possible to observe the change of the overall flow pattern from the Darcy flow region to the non-Darsi flow region.

도 3을 참조하면, 부드럽고 연속적인 유동이 전체 공극 부피에 나타나고 있다.Referring to FIG. 3 , a smooth and continuous flow is shown over the entire pore volume.

도 4를 참조하면, 상기 유동에 미세한 변화들이 확인된다. 이러한 변화는 유동 경로 부피의 약간의 감소, 그리고 유동의 국부적인 불연속성 등에 기인한다.Referring to FIG. 4 , minute changes in the flow are identified. These changes are due to a slight decrease in the flow path volume and local discontinuities in the flow.

도 5를 참조하면, 유동단절과 와류구조들을 포함한 유동의 불안정성과 불규칙성은 계속되는 속도의 증가, 완전한 난류영역이 관찰되는 때까지 계속됨을 알 수 있고, 따라서, 비다르시 유동 영역으로 고려될 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that the instability and irregularity of the flow, including flow interruptions and vortex structures, continues until a continuous increase in velocity and a complete turbulence region are observed, and thus can be considered as a Vidarsi flow region.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수, 압력강하, 및 투과도를 나타낸다.6 shows the Reynolds number, pressure drop, and permeability for each of the pore-scale simulation models in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대하여 산출된 레이놀드수, 압력강하, 및 투과도가 나타나있다. 참고로, "u"는 각각의 모델에서 평균 내부 유동 속도이고, 단위는 m/s이다. "Reu"는 ρuDh/μ 로 계산되는 레이놀드수이다. "△P"는 각각의 모델에서의 입구 표면과 출구 표면 사이의 압력 차이이고, 단위는 Pa이다. "k"는 다르시 식으로부터 산출된 투과도이고, 단위는 Darcy이다.Referring to FIG. 6 , the Reynolds number, pressure drop, and permeability calculated for each of the pore scale simulation models are shown. For reference, "u" is the average internal flow velocity in each model, and the unit is m/s. "Re u " is the Reynolds number calculated as ρuD h /μ. "ΔP" is the pressure difference between the inlet and outlet surfaces in each model, in units of Pa. "k" is the transmittance calculated from the Darcy equation, in units of Darcy.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 변화를 나타낸다.7 shows the change in permeability for each of the pore-scale simulation models in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9에 의하여 산출된 각각의 투과도 변화가 나타나 있다. 참고로, kEq(6)는 수학식 6에 의하여 산출된 투과도이고, kEq(8)는 수학식 8에 의하여 산출된 투과도이고, kEq(9)는 수학식 9에 의하여 산출된 투과도이다.Referring to FIG. 7 , each change in transmittance calculated by Equation 6, Equation 8, and Equation 9 is shown. For reference, k Eq(6) is the transmittance calculated by Equation 6, k Eq(8) is the transmittance calculated by Equation 8, and k Eq(9) is the transmittance calculated by Equation 9 .

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 오차를 나타낸다.8 shows the transmittance error for each of the pore-scale simulation models in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 도 6의 투과도와 도 7의 투과도를 비교하여 산출된 오차들이 나타나 있다. 즉, 상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 도출한 투과도(도 6에 표시됨)를 상기 수학식 6, 수학식 8, 및 수학식 9에 의하여 산출된 투과도들(도 7에 표시됨)과 각각 비교하여, 상기 오차들을 산출하였다. 참고로, εEq(6)는 상기 수학식 6에 의한 투과도 오차이고, εEq(8)는 상기 수학식 8에 의한 투과도 오차이고, εEq(9)는 상기 수학식 9에 의한 투과도 오차이다. 상기 수학식 8 및 상기 수학식 9에 의한 오차에 비하여, 상기 수학식 6에 의한 오차가 더 큼을 알 수 있다.Referring to FIG. 8 , errors calculated by comparing the transmittance of FIG. 6 and the transmittance of FIG. 7 are shown. That is, by comparing the transmittance (shown in FIG. 6) derived by performing the pore-scale simulation with the transmittances (shown in FIG. 7) calculated by Equations 6, 8, and 9, respectively, Errors were calculated. For reference, ε Eq(6) is the transmittance error according to Equation 6, ε Eq(8) is the transmittance error according to Equation 8, and ε Eq(9) is the transmittance error according to Equation 9 . It can be seen that the error of Equation 6 is larger than the error of Equation 8 and Equation 9.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 단순한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수에 대한 투과도의 관계를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the relationship of permeability to Reynolds number for each pore-scale simulation model in a simple normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 상기 수학식 6 ("k_Phi" 로 표시됨), 상기 수학식 8 ("k_FEP_Phi" 로 표시됨) 및 상기 수학식 9 ("k_FEP_Ss" 로 표시됨)의 마찰등가투과도(FEP) 관계식들에 의해 산출된 투과도 변화의 관계가 원래의 해석 결과와 비교되어 나타나 있다.Referring to FIG. 9 , the frictional equivalent transmittance (FEP) relational expressions of Equation 6 (indicated by “k_Phi”), Equation 8 (indicated by “k_FEP_Phi”), and Equation 9 (indicated by “k_FEP_Ss”) The relationship between the change in transmittance calculated by .

상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9를 활용하여 투과도 변화를 산정하기 위해서는, 상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9에 있는 각각의 특정 지수계수(m)를 먼저 결정할 필요가 있다. 이들 특정 지수계수들은 두 가지 다른 기하학적 조건 그리고 임의로 선정된 유속조건에 대한 단순한 변화해석을 통해서 결정될 수 있다. 가장 두꺼운 모델인 "Thickest" 모델과 평균 모델인 "Base" 모델이 압력강하나 투과도 변화에 대하여 유속이 0.0001m/s인 경우를 활용하기로 한다. 도출된 계수들로서, 상기 수학식 6의 지수계수(ω)는 약 0.2186일 수 있다. 상기 수학식 8의 공극율에 대한 지수계수(mφ)는, 예를 들어 1.5 내지 1.9 범위일 수 있고, 예를 들어, 약 1.7일 수 있다. 상기 수학식 9의 비표면적에 대한 지수계수(mss)는, 예를 들어 1.3 내지 1.7 범위일 수 있고, 예를 들어, 약 1.514 일 수 있다. 부가하여, 다른 기하학적 조건으로부터 선택되는, 다르시 유동 영역에서부터 비다르시 유동 영역에 대한 선택된 모델에서의 투과도 변화가 다른 모델들의 값들을 추정하기 위해서는 측정되어야 한다. 여기에서 다른 모델들의 값들은 도 9에 나타난 다른 네가지 모델들의 투과도 변화이다. 여기서 "Thickest" 모델의 해석 결과는 측정된 투과도 변화로서 기준 데이터로 가정하였다. 결과적으로, 모든 해석 결과들, 즉 13개의 투과도 변화와 다르시 유동 영역으로부터 비다르시 유동 영역으로 이르는 해석 결과들은 상기 "Thickest" 모델의 모든 공극규모 시뮬레이션 해석 결과와 원 포인트 데이터, 즉 유속 0.0001 m/s 에서의 단일 투과도 값으로 도 9의 큰 녹색 표식으로 표기된 평균 모델의 원 포인트 데이터는 이와 같은 투과도 산정을 위한 기준 데이터로 사용되었다. 총 14개의 투과도 값들이 알려지거나 또는 측정된 값으로 정의되었다. 측정된 기준 데이터, 즉 나머지 모델들과 조건들 도 9의 나머지 모델과 조건들의 투과도 변화를 51개의 투과도 변화를 위한 기준 데이터로 가정되었다. 결과적으로, 기하학적 조건변화에 대한 투과도 변화는 상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9의 투과도 변화 관계와 이와 같이 결정되거나 또는 측정된 특정 지수계수 그리고 기준 데이터로부터 산정될 수 있다.In order to calculate the transmittance change using Equation 6, Equation 8, and Equation 9, each specific exponential coefficient (m) in Equation 6, Equation 8, and Equation 9 needs to be decided first. These specific exponential coefficients can be determined through simple change analysis for two different geometrical conditions and arbitrarily selected flow rate conditions. The thickest model "Thickest" model and the average model "Base" model use the case where the flow velocity is 0.0001 m/s for pressure drop or permeability change. As the derived coefficients, the exponential coefficient ω in Equation 6 may be about 0.2186. The exponential coefficient (mφ) for the porosity of Equation 8 may be, for example, in the range of 1.5 to 1.9, for example, about 1.7. The index coefficient (m ss ) for the specific surface area of Equation (9) may be, for example, in the range of 1.3 to 1.7, for example, about 1.514. In addition, the change in transmittance in the selected model for the Darcy to non-Darcy flow regime, selected from different geometric conditions, must be measured in order to estimate the values of the other models. Here, the values of the other models are the transmittance changes of the other four models shown in FIG. 9 . Here, the analysis result of the "Thickest" model was assumed as the reference data as the measured transmittance change. As a result, all analysis results, ie, 13 permeability changes and analysis results from the Darcy flow region to the Vidarsi flow region, are all pore-scale simulation analysis results of the “Thickest” model and one-point data, that is, a flow velocity of 0.0001 m/s One-point data of the average model marked with a large green mark in FIG. 9 as a single transmittance value in , was used as reference data for such transmittance calculation. A total of 14 transmittance values were defined as known or measured values. Measured reference data, that is, remaining models and conditions Transmittance changes of the remaining models and conditions of FIG. 9 were assumed as reference data for 51 transmittance changes. As a result, the transmittance change with respect to the geometrical condition change can be calculated from the transmittance change relationship of Equation 6, Equation 8, and Equation 9, and a specific exponential coefficient determined or measured as described above and reference data.

상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9를 기반으로 산정된 모든 결과는 공극규모 시뮬레이션 해석으로부터 도출된 실제의 투과도와 매우 우수한 일치를 나타낸다. 도 9에 나타난 바와 같이, 대략 10%의 공극률 변화와 300%의 투과도 변화를 동반하는 가장 큰 두께 축소의 경우인 "Thinnest" 모델에서의 오차는 일정 부분 증가되는 것을 볼 수 있으나, 도 7 내지 도 9에 나타난 바와 같이, 모든 오차는 상당히 낮은 수준임을 알 수 있다. 또한, 유속의 증가에 대한 투과도 변화는, 유동영역인 다르시 유동 영역에서 비다르시 유동 영역으로 변했음에도 불구하고, 모든 산정된 모든 모델들에서 상당히 좋은 결과를 보이고 있다. 여기에서, 비표면적과 전체 부피에 기반한 상기 수학식 9의 결과가, 회색 점선으로 표시된 바와 같이, 가장 정확한 투과도 예측을 나타내고 있다. 공극률과 전체 부피에 기반한 상기 수학식 8의 경우는, 청색 점선으로 표시된 바와 같이, 비교적 우수하게 일치하는 결과를 나타나며, 특히 상기 라브리드 방정식에 비해서 훨씬 더 일치하는 결과를 나타냄을 알 수 있다. 상기 라브리드 방정식은 상수 계수에 기반한 상기 수학식 6의 공극률의 함수로 정의되어 있고, 적색 실선으로 표시되어 있다. 결과적으로, 본 발명의 기술적 사상에 따른 투과도 변화의 상관관계는 기하학적 조건변화를 동반하는 다공질유동 해석에 있어서 상당히 신뢰할 수 있는 방법으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 비표면적과 전체 부피의 관계에 기반한 투과도 변화 관계가, 공극 관계에 기반한 관계식들에 비하여, 기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화의 문제에 있어서 더 좋은 결과를 보임을 알 수 있다.All results calculated based on Equation 6, Equation 8, and Equation 9 show very good agreement with the actual transmittance derived from the pore-scale simulation analysis. As shown in FIG. 9 , it can be seen that the error in the “Thinnest” model, which is the largest reduction in thickness accompanied by a change in porosity of approximately 10% and a change in transmittance of 300%, increases to a certain extent, but FIGS. As shown in Fig. 9, it can be seen that all errors are at a fairly low level. In addition, the change in permeability with increasing flow rate shows very good results in all the calculated models, despite the change from the Darcy flow region to the non-Darsi flow region, which is the flow region. Here, the result of Equation 9 based on the specific surface area and the total volume, as indicated by the gray dotted line, shows the most accurate transmittance prediction. In the case of Equation 8 based on the porosity and the total volume, as indicated by the blue dotted line, it can be seen that the result is relatively excellent, and in particular, the result is much more consistent than that of the Labrid equation. The Labrid equation is defined as a function of the porosity of Equation 6 based on a constant coefficient, and is indicated by a red solid line. As a result, it can be confirmed that the correlation of permeability change according to the technical idea of the present invention can be used as a fairly reliable method in porous flow analysis accompanied by geometrical condition change. In addition, it can be seen that the permeability change relationship based on the relationship between the specific surface area and the total volume shows better results in the problem of the permeability change according to the geometrical condition change, compared to the relationships based on the void relationship.

기하학적 변화를 수반한 복잡한 정규 다공성 매질의 공극규모 시뮬레이션Porescale Simulation of Complex Normal Porous Media with Geometric Changes

이하에서는, 총 65개의 공극규모 시뮬레이션 경우가 13개의 다른 입구 유속(inlet velocity) 조건과 5개의 균열높이 모델들을 활용한 결과를 분석하기로 한다. 이들은 기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화를 확인하기 위함이다. 보다 복잡한 구조를 가진 다공성 모델들, 예를 들어 다른 지지체의 크기와 배열, 그리고 훨씬 작은 공극부피(pore volume)를 통해서 실제 다공성 매질과 매우 유사한 경우로서, 상술한 투과도 관계식의 일관성과 활용성을 확인하기 위함이다. 이들을 위해서 또 다른 4가지 종류의 다공성 매질 모델, 즉, 복잡한 모델(complex models)을 추가적으로 도입하여, 엇갈린 격자 구조를 가진 3가지 다른 크기의 지지체 입자들(즉, 구슬)로 구성되고, 5층의 구조를 가진 것으로 가정하였다.Hereinafter, we will analyze the results of using 13 different inlet velocity conditions and 5 crack height models for a total of 65 pore-scale simulation cases. These are to confirm the change in transmittance according to the geometrical condition change. Through porous models with more complex structures, for example, the size and arrangement of different supports, and a much smaller pore volume, it is a case very similar to the actual porous medium, confirming the consistency and utility of the above-mentioned permeability relation to do For this purpose, another four types of porous media models, i.e., complex models, were additionally introduced, consisting of three different size support particles (i.e. beads) with a staggered lattice structure, and five layers of structure was assumed.

도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델을 나타낸다.10 and 11 show a pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 상기 복잡한 정규 다공성 매질(complex structured porous medium)에서의 복잡한 수력 파괴 모델(기본 공극규모 시뮬레이션 모델)의 세 가지의 다른 크기의 구슬들의 다섯 층들이 배제된 상태의 기하학적 형상이 나타나 있다. 상기 구슬의 총수는 28160개이다. 우측 상단에는 공극 경로 구조를 더 자세하게 관찰하기 위하여 확대되어 있다.Referring to FIG. 10 , a geometric shape in a state in which five layers of beads of three different sizes of a complex hydraulic failure model (a basic pore-scale simulation model) in the complex structured porous medium are excluded. have. The total number of the beads is 28160. The upper right is enlarged to observe the pore path structure in more detail.

도 11을 참조하면, 복잡한 기본 모델을 포함하는 세 가지의 다른 크기의 구슬들로 구성된 다섯 층의 기하학적 형상이다. 우측 상단에는 서로 엇갈리게 배열된 세 가지 구슬들을 더 자세하게 관찰하기 위하여 확대되어 있다. (A)의 반경은 51 μm이고, (B)의 반경은 30 μm이고, (C)의 반경은 55 μm이다.Referring to FIG. 11 , it is a five-layer geometrical shape composed of beads of three different sizes containing a complex base model. In the upper right corner, the three marbles arranged alternately are enlarged to observe in more detail. The radius of (A) is 51 μm, the radius of (B) is 30 μm, and the radius of (C) is 55 μm.

기본적으로 0.5 mm의 균열높이의 21.8%의 공극률을 가진 모델이 가장 두꺼운 모델로서 정의되고, "Thickest" 모델로 지칭한다. 이 모델은 앞서의 기준 데이터로서 "베이스데이터", 즉, 다른 균열 간극 모델들의 투과도 예측을 위해 필요한 베이스데이터를 제공하기 위한 기준 모델로 정의하기로 한다. 다음으로 두꺼운 모델인 "Thicker" 모델은 0.475 mm의 균열높이를 가진다. 이어서, 평균 모델인 "Base" 모델은 0.45 mm의 균열높이를 가진다. 이때 각각의 구슬들은 각 매질 내에서 단순하고 균질하게 인근(adjacent) 구슬과 벽면으로 축소된 것으로 가정한다. 부가하여 가장 얇은 모델인 "Thinnest" 모델은 0.4 mm의 균열높이를 가지며, 상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9의 특정 지수계수를 각각 결정하기 위한 원 포인트 데이터로서, 즉 0.00001 m/s 유속에서의 단일 투과도 값을 가지는 원 포인트 데이터로 선정한다.Basically, a model with a porosity of 21.8% of a crack height of 0.5 mm is defined as the thickest model, and is referred to as the "Thickest" model. This model is defined as "base data" as the above reference data, that is, a reference model for providing base data necessary for the permeability prediction of other crack gap models. The next thick model, the "Thicker" model, has a crack height of 0.475 mm. Then, the "Base" model, the average model, has a crack height of 0.45 mm. In this case, it is assumed that each marble is reduced to the adjacent marble and wall in a simple and homogeneous manner in each medium. In addition, the "Thinnest" model, which is the thinnest model, has a crack height of 0.4 mm, and as one-point data for determining the specific exponential coefficients of Equation 6, Equation 8, and Equation 9, respectively, that is, 0.00001 One-point data with a single transmittance value at m/s flow rate is selected.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델에 대한 기하학적 변수를 나타낸다.12 shows geometric parameters for a pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 기본 기하학적 변수로서 균열높이(h), 공극 부피(Vp), 고상표면적(As), 비표면적(Ss), 공극률(Φ), 코즈니 수력 직경(Dh) 및 총 격자수(cell count)가 나타나 있다. 여기에서, 비표면적(Ss)은 각각의 모델에서 고체 부분의 전체 표면적과 전체 부피의 비율로부터 산출될 수 있다. 기본 수렴 조건은 운동량 방정식과 연속 방정식 모두에서 10-8 이하로 설정된다.Referring to FIG. 12 , as basic geometric parameters, crack height (h), pore volume (V p ), solid surface area (A s ), specific surface area (S s ), porosity (Φ), Kozny hydraulic diameter (D h ) and The total cell count is shown. Here, the specific surface area (S s ) may be calculated from the ratio of the total surface area to the total volume of the solid portion in each model. The default convergence condition is set to 10 -8 or less in both the momentum equation and the continuity equation.

유속(u)은 입구 단면, 즉 Y-Z 평면에 대하여 수직이고, 유동 방향인 X 축에 대하여 평행한 것으로 설정된다. 이는 도 10의 우측 하단을 참조한다. 이때, 1 μm/s에서 0.1 m/s까지의 총 10개의 입구 유속 조건이 초기에 부과되었고, "Thinnest" 모델을 제외한 모든 시뮬레이션 모델에 적용된다. 반면, 상기 "Thinnest" 모델에서는 6개의 유속 조건들이 적용되며, 그 이유는 상기 "Thinnest" 모델의 경우에는 매우 작은 공극과 극심한 유속변화, 유동상황 변화에 따른 수렴성 문제가 급격히 증가하기 때문이다. 유체 물성이나 경계조건, 수치해석 조건과 방법, 비정렬 삼각뿔 격자 시스템 활용 등과 같은 기타의 해석 조건은 단순한 정규 다공성 매질의 경우와 동일하다.The flow velocity u is set to be perpendicular to the inlet cross-section, i.e., the Y-Z plane, and parallel to the X axis, the flow direction. This refers to the lower right of FIG. 10 . At this time, a total of 10 inlet flow rate conditions from 1 μm/s to 0.1 m/s were initially imposed and applied to all simulation models except the “Thinnest” model. On the other hand, in the "Thinnest" model, six flow rate conditions are applied, and the reason is that in the "Thinnest" model, very small voids, extreme flow velocity changes, and convergence problems due to flow conditions change rapidly increase. Other analysis conditions such as fluid properties, boundary conditions, numerical analysis conditions and methods, and use of an unordered triangular pyramid grid system are the same as in the case of a simple regular porous medium.

도 13 내지 도 16는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 평균 복잡 모델의 유속 분포를 나타낸다.13 to 16 show the flow velocity distribution of the average complexity model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

여기에서, 도 13은 1 μm/s 조건에서 X-Y 평면의 경우이다. 도 14는 X-Z 평면에서 1 μm/s의 입구 유속의 경우이고, 도 15는 X-Z 평면에서 0.01 m/s의 입구 유속의 경우이고, 도 16은 X-Z 평면에서 0.1 m/s의 입구 유속의 경우이다.Here, FIG. 13 is the case of the X-Y plane under the condition of 1 μm/s. Fig. 14 is the case of an inlet flow rate of 1 μm/s in the XZ plane, Fig. 15 is the case of an inlet flow rate of 0.01 m/s in the XZ plane, and Fig. 16 is the case of an inlet flow rate of 0.1 m/s in the XZ plane .

도 13을 참조하면, 복잡한 모델의 기준인 평균 모델인 상기 "Base" 모델의 유선분포는, 균질하게 분포된 25만 개의 유선 점들(streamline seeds)에 기반하고, 세 가지의 다른 유속 조건에서의 유선분포가 나타나 있다. 이는 전반적인 유속 변화 양상을 보여주기 위함이다. 전반적인 복잡한 모델에서 유속변화 양상은 상술한 단순한 정규 다공성 매질에서의 경우와 상당히 유사함을 알 수 있다.Referring to FIG. 13 , the streamline distribution of the “Base” model, which is an average model, which is a reference for a complex model, is based on 250,000 streamline seeds uniformly distributed, and streamlines in three different flow rate conditions. distribution is shown. This is to show the overall flow rate change pattern. It can be seen that the flow rate change pattern in the overall complex model is quite similar to that in the above-described simple normal porous medium.

도 14를 참조하면, 부드럽고 연속적인 유동이 전체 공극 부피에서 나타나고 있다.Referring to FIG. 14 , a smooth and continuous flow is shown over the entire pore volume.

도 15를 참조하면, 다르시 유동 영역에서 비다르시 유동 영역으로 변화하는 유동의 천이특성이 나타나고 있다.Referring to FIG. 15 , the transition characteristics of the flow changing from the Darcy flow region to the non-Darsi flow region are shown.

도 16을 참조하면, 전체적으로 분포된 강한 와류 구조가 나타나고, 이는 비다르시 유동 영역으로 고려될 수 있다.Referring to FIG. 16 , a strongly distributed vortex structure is shown, which can be considered as a Vidarsi flow region.

도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수, 압력강하, 및 투과도를 나타낸다.17 shows the Reynolds number, pressure drop, and permeability for each pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 17을 참조하면, 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대하여 산출된 레이놀드수, 압력강하, 및 투과도를 나타나있다. 참고로, "u"는 각각의 모델에서 평균 내부 유동 속도이고, 단위는 m/s이다. "Reu"는 ρuDh/μ 로 계산되는 레이놀드수이다. "△P"는 각각의 모델에서의 입구 표면과 출구 표면 사이의 압력 차이이고, 단위는 Pa이다. "k"는 다르시 식으로부터 산출된 투과도이고, 단위는 Darcy이다.Referring to FIG. 17 , the Reynolds number, pressure drop, and permeability calculated for each of the pore scale simulation models are shown. For reference, "u" is the average internal flow velocity in each model, and the unit is m/s. "Re u " is the Reynolds number calculated as ρuD h /μ. "ΔP" is the pressure difference between the inlet and outlet surfaces in each model, in units of Pa. "k" is the transmittance calculated from the Darcy equation, in units of Darcy.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 변화를 나타낸다.18 shows the permeability change for each of the pore-scale simulation models in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 18을 참조하면, 상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9에 의하여 산출된 각각의 투과도 변화가 나타나 있다. 참고로, kEq(6)는 수학식 6에 의하여 산출된 투과도이고, kEq(8)는 수학식 8에 의하여 산출된 투과도이고, kEq(9)는 수학식 9에 의하여 산출된 투과도이다.Referring to FIG. 18 , each change in transmittance calculated by Equation 6, Equation 8, and Equation 9 is shown. For reference, k Eq(6) is the transmittance calculated by Equation 6, k Eq(8) is the transmittance calculated by Equation 8, and k Eq(9) is the transmittance calculated by Equation 9 .

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 투과도 오차를 나타낸다.19 shows the permeability error for each pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 19를 참조하면, 도 17의 투과도와 도 18의 투과도를 비교하여 산출된 오차들이 나타나 있다. 즉, 상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 도출한 투과도(도 17 에 표시됨)를 상기 수학식 6, 수학식 8, 및 수학식 9에 의하여 산출된 투과도들(도 18 에 표시됨)과 각각 비교하여, 상기 오차들을 산출하였다. 참고로, εEq(6)는 상기 수학식 6에 의한 투과도 오차이고, εEq(8)는 상기 수학식 8에 의한 투과도 오차이고, εEq(9)는 상기 수학식 9에 의한 투과도 오차이다. 상기 수학식 8 및 상기 수학식 9에 의한 오차에 비하여, 상기 수학식 6에 의한 오차가 더 큼을 알 수 있다.Referring to FIG. 19 , errors calculated by comparing the transmittance of FIG. 17 with the transmittance of FIG. 18 are shown. That is, by comparing the transmittance (shown in FIG. 17) derived by performing the pore-scale simulation with the transmittances (shown in FIG. 18) calculated by Equations 6, 8, and 9, respectively, Errors were calculated. For reference, ε Eq(6) is the transmittance error according to Equation 6, ε Eq(8) is the transmittance error according to Equation 8, and ε Eq(9) is the transmittance error according to Equation 9 . It can be seen that the error of Equation 6 is larger than the error of Equation 8 and Equation 9.

도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법에서, 복잡한 정규 다공성 매질에서의 공극규모 시뮬레이션 모델 각각에 대한 레이놀드수에 대한 투과도의 관계를 나타내는 그래프이다.20 is a graph showing the relationship of permeability to the Reynolds number for each pore-scale simulation model in a complex normal porous medium in the method for calculating the change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 20을 참조하면, 상기 수학식 6 ("k_Phi" 로 표시됨), 상기 수학식 8 ("k_FEP_Phi" 로 표시됨) 및 상기 수학식 9 ("k_FEP_Ss" 로 표시됨)의 마찰등가투과도(FEP) 관계식들에 의해 산출된 투과도 변화의 관계가 원래의 해석 결과와 비교되어 나타나 있다.Referring to FIG. 20 , the frictional equivalent transmittance (FEP) relational expressions of Equation 6 (indicated by “k_Phi”), Equation 8 (indicated by “k_FEP_Phi”), and Equation 9 (indicated by “k_FEP_Ss”) The relationship between the change in transmittance calculated by .

상술한 바와 같이, 특정 지수계수들을 결정할 필요가 있다. 가장 두꺼운 모델인 "Thickest 모델과 가장 얇은 모델인 "Thinnest" 모델이 각각 유속이 0.00001m/s인 경우를 활용하기로 한다. 도출된 계수들로서, 상기 수학식 6의 지수계수(ω)는 약 0.04741 일 수 있다. 상기 수학식 8의 공극율에 대한 지수계수(mφ)는, 예를 들어 3.6 내지 4.0 범위일 수 있고, 예를 들어, 약 3.799 일 수 있다. 상기 수학식 9의 비표면적에 대한 지수계수(mss)는, 예를 들어 1.1 내지 1.5 범위일 수 있고, 예를 들어, mss는 약 1.3047이다. 여기서 상기 "Thickest" 모델의 공극규모 시뮬레이션에서 해석결과는 측정된 투과도 변화로 투과도 값으로 가정한다.As mentioned above, it is necessary to determine certain exponential coefficients. The case where the thickest model, "Thickest model," and the thinnest model, "Thinnest" model, respectively, have a flow velocity of 0.00001 m/s is used. As the derived coefficients, the exponential coefficient (ω) of Equation 6 is about 0.04741 The index coefficient (mφ) for porosity in Equation 8 may be, for example, in the range of 3.6 to 4.0, for example, about 3.799. Exponent for specific surface area in Equation 9 The coefficient (m ss ) may be, for example, in the range of 1.1 to 1.5, for example, m ss is about 1.3047. Here, the analysis result in the pore-scale simulation of the “Thickest” model is the transmittance value as the measured transmittance change. assume that

종합하면, 도 20에 황색으로 크게 표시된 "Thinnest" 모델의 해석 결과와 적색으로 크게 표시된 "Thinnest" 모델이 "원 포인트 데이터"로서 선정하여, 이들을 투과도 산정을 위한 기준 데이터로 활용한다. 결과적으로, 기하하적 조건변화에 따른 투과도 변화는 이로부터 주어진 관계식을 활용하여 산정될 수 있다.In summary, the analysis result of the "Thinnest" model marked in large yellow in FIG. 20 and the "Thinnest" model marked in large red in FIG. 20 are selected as "one-point data", and these are used as reference data for calculating transmittance. As a result, the change in transmittance according to the geometrical condition change can be calculated using the relational expression given therefrom.

상기 수학식 6, 상기 수학식 8, 및 상기 수학식 9와 결정된 특정 지수계수와 선정된 베이스데이터로부터, 도 20에 도시된 바와 같이 적색 점선으로 표시된 상기 수학식 6의 라브리드 방정식으로부터 생산된 데이터는 일치하지 않는 결과를 나타내고 있다. 이는 원래의 기대와는 다른 결과이며, 이것은 기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화가 다공성 공극률의 함수만이 아닌 것으로 분석된다.Data produced from the Labrid equation of Equation 6 indicated by a red dotted line as shown in FIG. 20 from Equation 6, Equation 8, and Equation 9 and the determined specific exponential coefficient and selected base data shows inconsistent results. This is a different result from the original expectation, and it is analyzed that the change in permeability according to the geometrical condition is not only a function of the porosity.

반면, 상기 수학식 8과 상기 수학식 9는 지속적으로 성장해 좋은 결과를 보여주고 있음을 도 18 내지 도 20에서 확인할 수 있다. 구체적으로, 상기 "Thinnest" 모델의 경우에도 약 40% 공극률, 1860%의 투과도 변화를 보이고 있다.On the other hand, it can be seen from FIGS. 18 to 20 that Equation 8 and Equation 9 continuously grow and show good results. Specifically, even in the case of the "Thinnest" model, a porosity of about 40% and a transmittance change of 1860% were shown.

특히, 비표면적과 전체 부피와의 상관관계를 포함하고 있는 상기 수학식 9는 모든 모델에 있어서 매우 우수한 결과를 보여주고 있다. 결론적으로, 상기 수학식 8과 상기 수학식 9의 투과도 변화관계가 다양한 종류의 다공질 유동 해석에서, 특히, 기하학적 조건변화를 동반하는 경우에 매우 유용하고 신뢰성 있게 활용될 수 있음을 알 수 있다. 나아가, 기하학적 조건변화에 따른 투과도 변화는 공극률의 단일 함수이기보다는, 전체 부피변화와 비표면적 변화의 함수로 상관되는 것이 적절할 것으로 분석된다.In particular, Equation 9, which includes the correlation between the specific surface area and the total volume, shows very good results in all models. In conclusion, it can be seen that the permeability change relationship of Equations 8 and 9 can be very useful and reliably utilized in various types of porous flow analysis, particularly, when accompanied by a change in geometric conditions. Furthermore, it is analyzed that it would be appropriate to correlate the change in permeability according to the geometrical condition change as a function of the total volume change and the specific surface area change, rather than a single function of the porosity.

도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.21 is a flowchart illustrating a method ( S100 ) for calculating a change in permeability of a porous medium according to an embodiment of the present invention.

도 21을 참조하면, 상기 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법(S100)은, 입자들의 배열에 의하여 다공성을 갖는, 다공성 매질 모델을 제공하는 단계(S110); 상기 다공성 매질 모델에 대한 균열높이를 포함한 기하학적 변수를 도출하는 단계(S120); 상기 다공성 매질 모델에 대한 유체의 입구 유속을 설정하는 단계(S130); 및 상기 균열높이와 상기 입구 유속에 대한 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 투과도를 도출하는 단계(S140);를 포함한다.Referring to FIG. 21 , the method for calculating the change in permeability of the porous medium (S100) includes: providing a porous medium model having porosity by an arrangement of particles (S110); deriving geometric parameters including crack height for the porous medium model (S120); setting the inlet flow rate of the fluid to the porous medium model (S130); and deriving permeability by performing a pore-scale simulation on the crack height and the inlet flow rate (S140).

상기 투과도를 공극률 및 전체 부피와 상관되는 방정식으로부터 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 투과도를 하기의 식에서 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다.Comparing the transmittance with the transmittance calculated from the equation correlated with the porosity and the total volume; may further include. Comparing the transmittance with the transmittance calculated in the following formula; may further include.

Figure 112020013925714-pat00012
Figure 112020013925714-pat00012

여기에서, k는 투과도이고, Vf는 상기 매질의 전체 부피, Φ는 공극율, m은 지수계수이다. 상기 지수계수(m)는 1.5 내지 1.9 범위일 수 있다. 상기 지수계수(m)는 3.6 내지 4.0 범위일 수 있다.Here, k is the transmittance, V f is the total volume of the medium, Φ is the porosity, and m is the exponential coefficient. The index coefficient (m) may be in the range of 1.5 to 1.9. The index coefficient (m) may be in the range of 3.6 to 4.0.

상기 투과도를 비표면적 및 전체 부피와 상관되는 방정식으로부터 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 투과도를 하기의 식에서 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 더 포함할 수 있다.Comparing the transmittance with the transmittance calculated from the equation correlated with the specific surface area and the total volume; may further include. Comparing the transmittance with the transmittance calculated in the following formula; may further include.

Figure 112020013925714-pat00013
Figure 112020013925714-pat00013

여기에서, k는 투과도이고, Vf는 상기 매질의 전체 부피, SS는 비표면적, m은 지수계수이다. 상기 지수계수(m)는 1.3 내지 1.7 범위일 수 있다. 상기 지수계수(m)는 1.1 내지 1.5 범위일 수 있다.Here, k is the transmittance, V f is the total volume of the medium, S S is the specific surface area, and m is the exponential coefficient. The index coefficient (m) may be in the range of 1.3 to 1.7. The index coefficient (m) may be in the range of 1.1 to 1.5.

상기 다공성 매질 모델은 동일한 크기의 입자들이 배열된 단순한 정규 다공성 매질 모델로 구성될 수 있다. 상기 입자들은 45 μm 내지 55 μm 범위의 반경을 가질 수 있다. 상기 다공성 매질 모델은, 0.4 mm 내지 0.5 mm 범위의 상기 균열높이를 가지고, 35.9% 내지 45.2% 범위의 공극률을 가질 수 있다. 상기 입구 유속은 0.00001 m/s 내지 0.75 m/s 범위일 수 있다.The porous medium model may be composed of a simple regular porous medium model in which particles of the same size are arranged. The particles may have a radius in the range of 45 μm to 55 μm. The porous medium model may have a crack height in the range of 0.4 mm to 0.5 mm, and a porosity in the range of 35.9% to 45.2%. The inlet flow rate may range from 0.00001 m/s to 0.75 m/s.

상기 다공성 매질 모델은 다른 크기의 입자들이 배열된 복잡한 정규 다공성 매질 모델로 구성될 수 있다. 상기 다른 크기의 입자들은 서로 엇갈리게 배열될 수 있다. 상기 입자들은 30 μm 내지 55 μm 범위의 반경을 가질 수 있다. 상기 다공성 매질 모델은, 0.4 mm 내지 0.5 mm 범위의 균열높이를 가지고, 13.3% 내지 21.8% 범위의 공극률을 가질 수 있다. 상기 입구 유속은 1 μm/s에서 0.1 m/s 범위일 수 있다.The porous medium model may be composed of a complex regular porous medium model in which particles of different sizes are arranged. The particles of different sizes may be alternately arranged. The particles may have a radius in the range of 30 μm to 55 μm. The porous medium model may have a crack height in the range of 0.4 mm to 0.5 mm, and a porosity in the range of 13.3% to 21.8%. The inlet flow rate may range from 1 μm/s to 0.1 m/s.

상기 기하학적 변수는 균열높이, 공극 부피, 고상표면적, 비표면적, 공극률, 코즈니 수력 직경, 및 총 격자수 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 입자들은 매끈한 표면과 등온성을 가질 수 있다. 상기 다공성 매질 모델은, 상기 균열높이가 증가됨에 따라 공극률이 증가될 수 있다. 상기 유체는 물을 포함할 수 있다.The geometrical parameter may include at least one of crack height, pore volume, solid surface area, specific surface area, porosity, Kozny hydraulic diameter, and total number of lattices. The particles may have a smooth surface and isothermal properties. In the porous medium model, the porosity may increase as the crack height increases. The fluid may include water.

상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하는 단계에서, 총 격자수는 6200만개 내지 1억1300만개 범위일 수 있다. 상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하는 단계에서, 균질하게 분포된 10 만개 내지 25 만개의 유선 점들을 기반하여 수행함으로써 상기 유체의 유선분포를 도출할 수 있다. 상기 유체의 입구 유속이 증가함에 따라, 상기 유체의 상기 유선분포는 다르시 유동 영역으로부터 비다르시 유동 영역으로 변화할 수 있다.In the step of performing the pore-scale simulation, the total number of grids may be in the range of 62 million to 113 million. In the step of performing the pore-scale simulation, the streamline distribution of the fluid may be derived by performing it based on 100,000 to 250,000 streamline points uniformly distributed. As the inlet flow velocity of the fluid increases, the streamline distribution of the fluid may change from a Darcy flow region to a non-Darci flow region.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.

기호설명(NOMENCLATURE)Symbol Description (NOMENCLATURE)

A: Area,A: Area,

As: Solid Surface Area,A s : Solid Surface Area,

D: Diameter,D: Diameter,

Dh: Hydraulic Diameter,D h : Hydraulic Diameter,

f: Friction Factor,f: Friction Factor,

h: Height, Fracture Height (Aperture), Permeability,h: Height, Fracture Height (Aperture), Permeability,

k, kFEP: Friction Equivalent Permeability (FEP),k, k FEP : Friction Equivalent Permeability (FEP),

L: Length,L: Length,

Le: Actual Path Length,L e : Actual Path Length,

M: Proportional Coefficient,M: Proportional Coefficient,

P: Pressure,P: Pressure,

△P: Pressure Gradient,ΔP: Pressure gradient,

Re: Reynolds Number,Re: Reynolds Number,

S: Surface Area,S: Surface Area,

SS: Specific Surface Area,S S : Specific Surface Area,

T: Tortuosity,T: Tortuosity,

u: Intrinsic Velocity, Average Flow Velocity through a Medium,u: Intrinsic Velocity, Average Flow Velocity through a Medium,

V: Volume, V: Volume,

Vp: Pore Volume,V p : Pore Volume,

Vf: Rock (Bulk) Volume,V f : Rock (Bulk) Volume,

v: Interstitial Velocity, Average Flow Velocity though Actual Paths,v: Interstitial Velocity, Average Flow Velocity though Actual Paths,

x, y, z: Position in X-, Y-, and Z-direction (Axis),x, y, z: Position in X-, Y-, and Z-direction (Axis),

μ: Viscosity,μ: Viscosity,

ρ: Density,ρ: Density,

σ: Stress,σ: Stress,

△σ: Pressure Gradient,Δσ: Pressure Gradient,

Φ: Porosity,Φ: Porosity,

Super- & Sub-ScriptSuper- & Sub-Script

*: Pseudo, ~ based on the Tortuosity in a Laminar-flow Condition,*: Pseudo, ~ based on the Tortuosity in a Laminar-flow Condition,

h: Hydraulic,h: Hydraulic,

i: Initial Exponential Coefficient,i: Initial Exponential Coefficient,

m, mΦ: m for Equation (8),m, m Φ : m for Equation (8),

m, mss: m for Equation (9),m, m ss : m for Equation (9),

n: Unique Constant Exponent Value of Hydraulic Diameter of a Medium,n: Unique Constant Exponent Value of Hydraulic Diameter of a Medium,

p: pore,p: pore,

P: Pore Pressure,P: Pore Pressure,

S: Specific Surface, Solid,S: Specific Surface, Solid,

u: Intrinsic Velocity, Average Flow Velocity through a Medium,u: Intrinsic Velocity, Average Flow Velocity through a Medium,

v: Interstitial Velocity, Average Flow Velocity though Paths, Vertical,v: Interstitial Velocity, Average Flow Velocity though Paths, Vertical,

w: Exponential Coefficient of Labrids' Equation,w: Exponential Coefficient of Labrids' Equation,

참고문헌(References)References

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Claims (25)

입자들의 배열에 의하여 다공성을 갖는, 다공성 매질 모델을 제공하는 단계;
상기 다공성 매질 모델에 대한 균열높이를 포함한 기하학적 변수를 도출하는 단계;
상기 다공성 매질 모델에 대한 유체의 입구 유속을 설정하는 단계;
상기 균열높이와 상기 입구 유속에 대한 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 투과도를 도출하는 단계; 및
상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 도출된 투과도를 공극률 및 전체 부피와 상관되는 방정식으로부터 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 포함하고,
상기 비교하는 단계는 상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 도출된 투과도를 하기의 식에서 산출된 투과도(kFEP(B))와 비교하여 수행되는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
Figure 112021046122710-pat00014

여기에서, k는 투과도이고, Vf는 상기 매질의 전체 부피, Φ는 공극율, m은 지수계수이고,
A와 B는 초기에는 기하학적으로 완전히 동일한 다공성 매질들로서, A는 초기 상태, B는 유체가 생성됨에 따라 발생하는 균열 두께의 변화에 의하여 변화된 상태이다.
providing a porous medium model having porosity by an arrangement of particles;
deriving geometric parameters including crack height for the porous medium model;
setting an inlet flow rate of the fluid to the porous medium model;
deriving permeability by performing pore-scale simulations on the crack height and the inlet flow rate; and
Comparing the transmittance derived by performing the pore-scale simulation with the transmittance calculated from the equation correlated with the porosity and the total volume;
The comparing step is performed by comparing the transmittance derived by performing the pore-scale simulation with the transmittance (k FEP(B) ) calculated in the following formula, the method for calculating the change in permeability of the porous medium.
Figure 112021046122710-pat00014

where k is the permeability, V f is the total volume of the medium, Φ is the porosity, m is the exponential coefficient,
A and B are initially geometrically identical porous media, where A is the initial state and B is the state changed by the change in crack thickness that occurs as the fluid is generated.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 지수계수(m)는 1.5 내지 1.9 범위인, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
The index coefficient (m) is in the range of 1.5 to 1.9, permeability change calculation method of the porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 지수계수(m)는 3.6 내지 4.0 범위인, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
The index coefficient (m) is in the range of 3.6 to 4.0, the method of calculating the change in permeability of the porous medium.
삭제delete 입자들의 배열에 의하여 다공성을 갖는, 다공성 매질 모델을 제공하는 단계;
상기 다공성 매질 모델에 대한 균열높이를 포함한 기하학적 변수를 도출하는 단계;
상기 다공성 매질 모델에 대한 유체의 입구 유속을 설정하는 단계;
상기 균열높이와 상기 입구 유속에 대한 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 투과도를 도출하는 단계; 및
상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 도출된 투과도를 비표면적 및 전체 부피와 상관되는 방정식으로부터 산출된 투과도와 비교하는 단계;를 포함하고,
상기 비교하는 단계는 상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하여 도출된 투과도를 하기의 식에서 산출된 투과도(kFEP(B))와 비교하여 수행되는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
Figure 112021046122710-pat00015

여기에서, k는 투과도이고, Vf는 상기 매질의 전체 부피, SS는 비표면적, m은 지수계수이고, A와 B는 초기에는 기하학적으로 완전히 동일한 다공성 매질들로서, A는 초기 상태, B는 유체가 생성됨에 따라 발생하는 균열 두께의 변화에 의하여 변화된 상태이다.
providing a porous medium model having porosity by an arrangement of particles;
deriving geometric parameters including crack height for the porous medium model;
setting an inlet flow rate of the fluid to the porous medium model;
deriving permeability by performing pore-scale simulations on the crack height and the inlet flow rate; and
Comparing the transmittance derived by performing the pore-scale simulation with the transmittance calculated from the equation correlated with the specific surface area and total volume;
The comparing step is performed by comparing the transmittance derived by performing the pore-scale simulation with the transmittance (k FEP(B) ) calculated in the following formula, the method for calculating the change in permeability of the porous medium.
Figure 112021046122710-pat00015

where k is the permeability, V f is the total volume of the medium, S S is the specific surface area, m is the exponential coefficient, A and B are initially geometrically completely identical porous media, A is the initial state, B is It is a state changed by the change in crack thickness that occurs as the fluid is generated.
제 7 항에 있어서,
상기 지수계수(m)는 1.3 내지 1.7 범위인, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
8. The method of claim 7,
The index coefficient (m) is in the range of 1.3 to 1.7, the permeability change calculation method of the porous medium.
제 7 항에 있어서,
상기 지수계수(m)는 1.1 내지 1.5 범위인, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
8. The method of claim 7,
The index coefficient (m) is in the range of 1.1 to 1.5, permeability change calculation method of the porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 매질 모델은 동일한 크기의 입자들이 배열된 단순한 정규 다공성 매질 모델로 구성된, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
The porous medium model is composed of a simple regular porous medium model in which particles of the same size are arranged, a method for calculating the change in permeability of a porous medium.
제 10 항에 있어서,
상기 입자들은 45 μm 내지 55 μm 범위의 반경을 가지는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
11. The method of claim 10,
The particles have a radius in the range of 45 μm to 55 μm, a method for calculating the change in permeability of a porous medium.
제 10 항에 있어서,
상기 다공성 매질 모델은, 0.4 mm 내지 0.5 mm 범위의 상기 균열높이를 가지고, 35.9% 내지 45.2% 범위의 공극률을 가지는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
11. The method of claim 10,
The porous medium model, having the crack height in the range of 0.4 mm to 0.5 mm, and having a porosity in the range of 35.9% to 45.2%, the method for calculating the change in permeability of the porous medium.
제 10 항에 있어서,
상기 입구 유속은 0.00001 m/s 내지 0.75 m/s 범위인, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
11. The method of claim 10,
The inlet flow rate is in the range of 0.00001 m / s to 0.75 m / s, the method for calculating the change in permeability of the porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 매질 모델은 다른 크기의 입자들이 배열된 복잡한 정규 다공성 매질 모델로 구성된, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
The porous medium model is composed of a complex regular porous medium model in which particles of different sizes are arranged, a method for calculating the change in permeability of a porous medium.
제 14 항에 있어서,
상기 다른 크기의 입자들은 서로 엇갈리게 배열된, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
15. The method of claim 14,
The method for calculating the change in permeability of the porous medium, in which the particles of different sizes are alternately arranged.
제 14 항에 있어서,
상기 입자들은 30 μm 내지 55 μm 범위의 반경을 가지는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
15. The method of claim 14,
The particles have a radius in the range of 30 μm to 55 μm, a method for calculating the change in permeability of a porous medium.
제 14 항에 있어서,
상기 다공성 매질 모델은, 0.4 mm 내지 0.5 mm 범위의 균열높이를 가지고, 13.3% 내지 21.8% 범위의 공극률을 가지는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
15. The method of claim 14,
The porous medium model, having a crack height in the range of 0.4 mm to 0.5 mm, and having a porosity in the range of 13.3% to 21.8%, a method for calculating the change in permeability of the porous medium.
제 14 항에 있어서,
상기 입구 유속은 1 μm/s에서 0.1 m/s 범위인, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
15. The method of claim 14,
The inlet flow rate is in the range of 1 μm / s to 0.1 m / s, the method of calculating the change in permeability of the porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 기하학적 변수는 균열높이, 공극 부피, 고상표면적, 비표면적, 공극률, 코즈니 수력 직경, 및 총 격자수 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
Wherein the geometrical parameters include at least one of crack height, pore volume, solid surface area, specific surface area, porosity, Kozny hydraulic diameter, and total lattice number.
제 1 항에 있어서,
상기 입자들은 매끈한 표면과 등온성을 가지는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
The particles have a smooth surface and isothermal properties, a method for calculating the change in permeability of a porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 매질 모델은, 상기 균열높이가 증가됨에 따라 공극률이 증가되는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
The porous medium model, the porosity is increased as the crack height increases, the method for calculating the change in permeability of the porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 유체는 물을 포함하는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
The fluid includes water, a method for calculating the change in permeability of a porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하는 단계에서, 총 격자수는 6200만개 내지 1억1300만개 범위인, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
In the step of performing the pore-scale simulation, the total number of grids is in the range of 62 million to 113 million, the method for calculating the change in permeability of the porous medium.
제 1 항에 있어서,
상기 공극규모 시뮬레이션을 수행하는 단계에서, 균질하게 분포된 10 만개 내지 25 만개의 유선 점들을 기반하여 수행함으로써 상기 유체의 유선분포를 도출하는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
The method of claim 1,
In the step of performing the pore-scale simulation, the method for calculating the change in permeability of a porous medium to derive the streamline distribution of the fluid by performing it based on 100,000 to 250,000 streamline points uniformly distributed.
제 24 항에 있어서,
상기 유체의 입구 유속이 증가함에 따라, 상기 유체의 상기 유선분포는 다르시 유동 영역으로부터 비다르시 유동 영역으로 변화하는, 다공성 매질의 투과도 변화 산출방법.
25. The method of claim 24,
As the inlet flow velocity of the fluid increases, the streamline distribution of the fluid changes from a Darcy flow region to a non-Darcy flow region.
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