數(shù)字巖石：多孔介質(zhì)中的多相流模型
數(shù)字巖石：多孔介質(zhì)中的多相流模型
GeotechWu
計(jì)算巖土力學(xué)(Geomechanics)是一個(gè)綜合的巖土工程(Geotechnical)信息源，旨在與巖土工程領(lǐng)域的學(xué)生，研究人員和巖土工程師分享先進(jìn)的巖土工程教育理念，巖土工程分析和設(shè)計(jì)方法。
概述
數(shù)字巖石技術(shù)是基于孔隙尺度多相流的高端模擬，是分析評(píng)價(jià)枯竭井和生產(chǎn)井過程中的關(guān)鍵組成部分。數(shù)字巖石技術(shù)有助于優(yōu)化原油產(chǎn)量，利用水、天然氣、蒸汽、化學(xué)品或二氧化碳提高石油采收率。數(shù)字巖石密集的模擬關(guān)鍵成果包括相對(duì)滲透率、飽和度和潤濕性。
開展這種高端模擬面臨兩方面的挑戰(zhàn)：（1）清晰的多孔介質(zhì)數(shù)字化；（2）在曲折的微尺度（10-40微米）巖石圖案中求解多相流方程，考慮在非常低的毛細(xì)數(shù)流動(dòng)條件（Ca~0.001-0.0001）下的潤濕性。
亮點(diǎn)
數(shù)字巖石方法能夠同時(shí)優(yōu)化一次采油量和提高石油采收率（EOR）。
Simpleware軟件能夠從巖石樣品的二維圖像生成可用于模擬的網(wǎng)格模型。
VirtualFlow 軟件可研究孔隙尺度的多相流動(dòng)。
砂巖樣品的概念驗(yàn)證工作流程展示了該方法的高效。
本次互補(bǔ)技術(shù)的協(xié)作為表征多孔介質(zhì)開辟了新的可能性。
概念驗(yàn)證工作流程
Simpleware軟件基于數(shù)百萬像素巖石樣品數(shù)字化的獨(dú)特網(wǎng)格劃分技術(shù)與VirtualFlow軟件相結(jié)合，成為專門針對(duì)毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)多流體流動(dòng)的強(qiáng)大CFD工具。
此案例是關(guān)于石油經(jīng)過Berea砂巖的流動(dòng)研究。這個(gè)例子是作為前期的概念驗(yàn)證，帶著這些想法，之后的工作內(nèi)容和協(xié)作是為多相巖石的分割研究更多樣的地質(zhì)樣本。該項(xiàng)目的工作流程如下：
Simpleware網(wǎng)格劃分工具為描述孔隙提供質(zhì)量非常高的STL文件
然后將STL文件上傳至VirtualFlow軟件讀取
Simpleware軟件中的圖像處理和STL文件導(dǎo)出
圖：Simpleware ScanIP中Berea砂巖的三維孔隙渲染
這個(gè)過程涉及將2D圖像堆疊導(dǎo)入 Simpleware ScanIP ，之后使用中值濾波器去除圖像噪聲。利用軟件的圖像處理工具將數(shù)據(jù)裁剪成子樣本，使用閾值工具選擇孔隙，去除島狀物然后創(chuàng)建一個(gè)單一的連通區(qū)域，導(dǎo)出一個(gè)孔隙分割后嚴(yán)密的STL文件。
圖：通過Simpleware軟件創(chuàng)建的描述砂巖孔隙的高質(zhì)量STL文件
TransAT中的多相流模擬
利用IST網(wǎng)格技術(shù)，VirtualFlow軟件基于Simpleware的STL文件重構(gòu)了CFD網(wǎng)格。在HPC集群下運(yùn)行VirtualFlow多相混合模型的流動(dòng)條件是：
Berea 砂巖，孔隙尺度~10微米
油氣兩相滲流，毛細(xì)數(shù) = 0.001
網(wǎng)格大小 30 μm
-
網(wǎng)格 128 3
入口流速 = 1 m/s
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密度 = 1000 kg/m 3
粘度 = 1 cP
圖：利用VirtualFlow軟件得到樣品中的壓力場
基于Simpleware 軟件生成的STL文件，VirtualFlow軟件對(duì)復(fù)雜巖層的多相流體模擬結(jié)果在上圖中呈現(xiàn)，描述了沿巖石掃描方向壓力場和油氣前緣傳播。這些結(jié)果與Simpleware軟件的分析結(jié)果一致，即通過 Simpleware FE模塊 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并由 Simpleware FLOW模塊 計(jì)算絕對(duì)滲透率張量。
巖石孔隙中的油氣前緣傳播
結(jié)論
Simpleware軟件和VirtualFlow軟件的聯(lián)合工作流程展示了一種快速、準(zhǔn)確的多孔介質(zhì)建模和多相模擬方法的優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是此處討論的Berea砂巖這一特殊案例，展示了深入了解油流的組合解決方案。鑒于這些工作流程在石油生產(chǎn)和采油方面的巨大價(jià)值，這種高效的方法使得模擬孔隙尺度的多相流方法更易于在工業(yè)中應(yīng)用。
更多信息
英文原文、致謝等信息請參考：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/fluid-flow.html
3D 圖像處理和網(wǎng)格化軟件
Simpleware 可為數(shù)字巖石物理和巖石分型提供解決方案。使用綜合的3D 圖像處理軟件 Simpleware ，可輕松可視化、分割并量化掃描數(shù)據(jù)（CT、micro-CT、FIB-SEM……）。利用軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格化工具分析多孔介質(zhì)和虛擬特殊巖心，導(dǎo)出多域模型至 FE 和 CFD 求解器，也可用于計(jì)算掃描樣本的有效材料性質(zhì)。
處理和量化圖像數(shù)據(jù)
Simpleware能夠可視化、分割圖像并生成測量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表征掃描樣本。
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檢查掃描圖像的內(nèi)部特征
-
使用轉(zhuǎn)折點(diǎn)工具輕松分割并分析不同微粒
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使用半自動(dòng)分割工具識(shí)別感興趣區(qū)域（ROIs）
測量獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（孔隙率、裂紋、晶粒取向……）
導(dǎo)出用于FE和CFD的模型
使用 Simpleware 軟件受專利保護(hù)的 FE 和 CFD 網(wǎng)格劃分算法生成可用于 FE 和 CFD 求解器的仿真模型。
網(wǎng)格具有一致界面和共享節(jié)點(diǎn)
定義 FE 接觸面、節(jié)點(diǎn)集和殼體
定義 CFD 邊界條件
針對(duì)特定指標(biāo)優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量
直接導(dǎo)出至主流的 FE 和 CFD 求解器
計(jì)算有效材料性質(zhì)
這些模塊 Simpleware SOLID（靜態(tài)彈性性質(zhì)）、Simpleware FLOW 模塊（絕對(duì)滲透率）和 Simpleware LAPLACE 模塊（電導(dǎo)率/熱導(dǎo)率、分子擴(kuò)散率）可用于計(jì)算有效材料性質(zhì)。通過軟件易于使用的工作流程，量化掃描的復(fù)合材料樣品。
使用內(nèi)置求解器進(jìn)行全面基于 FE 的仿真或分析邊界的快速計(jì)算（SOLID、LAPLACE）
減少邊界條件的影響
將有限元仿真獲得的場可視化
將結(jié)果導(dǎo)出為文本和圖像文件
使用腳本自動(dòng)執(zhí)行工作流程
軟件有集成腳本接口的功能，Python和C語言都可以。宏記錄、日志歷史轉(zhuǎn)換器與使用腳本API撰寫和編輯腳本都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作步驟。用戶創(chuàng)建的插件也可以集成到軟件以提高處理圖像數(shù)據(jù)的效率。
更多詳情：
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