数字岩石：多孔介质中的多相流模型
数字岩石：多孔介质中的多相流模型
GeotechWu
计算岩土力学(Geomechanics)是一个综合的岩土工程(Geotechnical)信息源，旨在与岩土工程领域的学生，研究人员和岩土工程师分享先进的岩土工程教育理念，岩土工程分析和设计方法。
概述
数字岩石技术是基于孔隙尺度多相流的高端模拟，是分析评价枯竭井和生产井过程中的关键组成部分。数字岩石技术有助于优化原油产量，利用水、天然气、蒸汽、化学品或二氧化碳提高石油采收率。数字岩石密集的模拟关键成果包括相对渗透率、饱和度和润湿性。
开展这种高端模拟面临两方面的挑战：（1）清晰的多孔介质数字化；（2）在曲折的微尺度（10-40微米）岩石图案中求解多相流方程，考虑在非常低的毛细数流动条件（Ca~0.001-0.0001）下的润湿性。
亮点
数字岩石方法能够同时优化一次采油量和提高石油采收率（EOR）。
Simpleware软件能够从岩石样品的二维图像生成可用于模拟的网格模型。
VirtualFlow 软件可研究孔隙尺度的多相流动。
砂岩样品的概念验证工作流程展示了该方法的高效。
本次互补技术的协作为表征多孔介质开辟了新的可能性。
概念验证工作流程
Simpleware软件基于数百万像素岩石样品数字化的独特网格划分技术与VirtualFlow软件相结合，成为专门针对毛细力驱动多流体流动的强大CFD工具。
此案例是关于石油经过Berea砂岩的流动研究。这个例子是作为前期的概念验证，带着这些想法，之后的工作内容和协作是为多相岩石的分割研究更多样的地质样本。该项目的工作流程如下：
Simpleware网格划分工具为描述孔隙提供质量非常高的STL文件
然后将STL文件上传至VirtualFlow软件读取
Simpleware软件中的图像处理和STL文件导出
图：Simpleware ScanIP中Berea砂岩的三维孔隙渲染
这个过程涉及将2D图像堆叠导入 Simpleware ScanIP ，之后使用中值滤波器去除图像噪声。利用软件的图像处理工具将数据裁剪成子样本，使用阈值工具选择孔隙，去除岛状物然后创建一个单一的连通区域，导出一个孔隙分割后严密的STL文件。
图：通过Simpleware软件创建的描述砂岩孔隙的高质量STL文件
TransAT中的多相流模拟
利用IST网格技术，VirtualFlow软件基于Simpleware的STL文件重构了CFD网格。在HPC集群下运行VirtualFlow多相混合模型的流动条件是：
Berea 砂岩，孔隙尺度~10微米
油气两相渗流，毛细数 = 0.001
网格大小 30 μm
-
网格 128 3
入口流速 = 1 m/s
-
密度 = 1000 kg/m 3
粘度 = 1 cP
图：利用VirtualFlow软件得到样品中的压力场
基于Simpleware 软件生成的STL文件，VirtualFlow软件对复杂岩层的多相流体模拟结果在上图中呈现，描述了沿岩石扫描方向压力场和油气前缘传播。这些结果与Simpleware软件的分析结果一致，即通过 Simpleware FE模块 进行网格划分，并由 Simpleware FLOW模块 计算绝对渗透率张量。
岩石孔隙中的油气前缘传播
结论
Simpleware软件和VirtualFlow软件的联合工作流程展示了一种快速、准确的多孔介质建模和多相模拟方法的优点。值得注意的是此处讨论的Berea砂岩这一特殊案例，展示了深入了解油流的组合解决方案。鉴于这些工作流程在石油生产和采油方面的巨大价值，这种高效的方法使得模拟孔隙尺度的多相流方法更易于在工业中应用。
更多信息
英文原文、致谢等信息请参考：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/fluid-flow.html
3D 图像处理和网格化软件
Simpleware 可为数字岩石物理和岩石分型提供解决方案。使用综合的3D 图像处理软件 Simpleware ，可轻松可视化、分割并量化扫描数据（CT、micro-CT、FIB-SEM……）。利用软件强大的网格化工具分析多孔介质和虚拟特殊岩心，导出多域模型至 FE 和 CFD 求解器，也可用于计算扫描样本的有效材料性质。
处理和量化图像数据
Simpleware能够可视化、分割图像并生成测量和统计数据，表征扫描样本。
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检查扫描图像的内部特征
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使用转折点工具轻松分割并分析不同微粒
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使用半自动分割工具识别感兴趣区域（ROIs）
测量获得统计数据（孔隙率、裂纹、晶粒取向……）
导出用于FE和CFD的模型
使用 Simpleware 软件受专利保护的 FE 和 CFD 网格划分算法生成可用于 FE 和 CFD 求解器的仿真模型。
网格具有一致界面和共享节点
定义 FE 接触面、节点集和壳体
定义 CFD 边界条件
针对特定指标优化网格质量
直接导出至主流的 FE 和 CFD 求解器
计算有效材料性质
这些模块 Simpleware SOLID（静态弹性性质）、Simpleware FLOW 模块（绝对渗透率）和 Simpleware LAPLACE 模块（电导率/热导率、分子扩散率）可用于计算有效材料性质。通过软件易于使用的工作流程，量化扫描的复合材料样品。
使用内置求解器进行全面基于 FE 的仿真或分析边界的快速计算（SOLID、LAPLACE）
减少边界条件的影响
将有限元仿真获得的场可视化
将结果导出为文本和图像文件
使用脚本自动执行工作流程
软件有集成脚本接口的功能，Python和C语言都可以。宏记录、日志历史转换器与使用脚本API撰写和编辑脚本都可以实现自动化操作步骤。用户创建的插件也可以集成到软件以提高处理图像数据的效率。
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