岩石随机孔隙结构的三维重构模型与细观渗流分析

数字岩心技术在致密储层微观渗流特征研究中的应用盛军;阳成;徐立;丁晓军;杨晓菁;李纲【摘要】为了直观、准确地刻画致密储集层的微观渗流特征,选取具有代表性储层样品,利用多尺度X-CT扫描成像技术建立不同级别的三维数字岩心,应用最大球算法与孔喉尺寸校正方法,提取并建立致密储层纳米级数字岩心孔隙网络模型,最后实现利用三维孔隙网络模型模拟储层物性参数、进汞曲线以及孔、喉分布曲线、两相渗流特征曲线并与室内常规实验结果进行平行对比.结果表明:利用数字岩心技术模拟得到的孔隙度、渗透率参数与实际测量结果相差较小;模拟得到的进汞曲线、孔喉分布曲线与室内压汞实验的曲线具有较高的一致性,表明提取的孔隙网络模型与真实岩心误差较小,从而可以保证数字岩心得到的两相渗流模拟结果具有较高的可信度.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(033)005【总页数】7页(P83-89)【关键词】数字岩心;致密储层;渗流特征;孔隙网络模型【作者】盛军;阳成;徐立;丁晓军;杨晓菁;李纲【作者单位】中国石油青海油田分公司勘探开发研究院,甘肃敦煌736202;中国石油青海油田分公司采油一厂,甘肃敦煌736202;中国石油青海油田分公司采油一厂,甘肃敦煌736202;中国石油青海油田分公司勘探开发研究院,甘肃敦煌736202;中国石油青海油田分公司采油一厂,甘肃敦煌736202;中国石油青海油田分公司勘探开发研究院,甘肃敦煌736202【正文语种】中文【中图分类】TE19;TP391引言储层微观渗流特征研究是储层研究中的一项重要内容，从微观的角度研究储层孔隙空间中各相流体的渗流特征，对掌握开发过程中的油水矛盾、水驱特征等方面具有重要意义[1-5]。

目前实验室内研究储层微观渗流的评价方法，比如相渗实验、核磁工作实验、驱油效率实验等已经日趋成熟，但这些方法多少都存在一些问题，例如样品制备繁琐，对岩心样品损耗严重，对于低渗透岩心驱替时间过长等。

低渗气藏微观孔隙结构三维重构研究储层岩石微观孔隙结构异常复杂,岩石孔隙结构等价孔隙网络模型和微观尺度渗流研究是目前国际学术界研究的热点,具有十分重要的意义。

数字岩心和孔隙网络模型是开展微观渗流模拟研究的基础平台；本文针对低渗气藏开展了微观孔隙结构三维重构研究,采用微CT扫描法建立真实岩心的数字岩心,使用基于最大球算法的孔隙网络抽取方法建立与数字岩心等价的孔隙网络模型,借助孔隙级流动模拟理论和方法预测孔隙网络模型的孔隙度和渗透率。

通过上述研究,主要获得了以下认识：(1)微CT扫描法是构建数字岩心的一种非常有效的物理实验方法,具有精度高、不破坏原始岩样的优点,其建模质量的好坏主要取决于CT机的扫描精度(分辨率)(2)本文在二维中值滤波算法的基础上提出的三维中值滤波算法在图像滤波处理中可以很好地去除系统噪声,使得图像中孔隙和岩石骨架之间的过渡变得自然,灰度分布区间化更加明显,有利于划分孔隙和岩石骨架,同时可以剔除大部分的孤立孔隙和岩石骨架。

(3)基于立方体孔隙度的REV分析方法与自相关函数均可以度量数字岩心的表征体元尺寸；通过数字岩心尺寸与表征体元尺寸的对比,可以选取能够表征岩石孔隙结构和宏观特性的数字岩心,使得后续渗流模拟研究具有物理意义。

(4)基于最大球算法的孔隙网络抽取方法可以有效地将岩心孔隙空间划分为孔隙和喉道,建立与数字岩心等价的孔隙网络模型,保留了数字岩心孔隙空间拓扑结构及几何特征。

(5)使用真实岩心压汞实验数据确定岩心孔隙结构参数,与孔隙网络参数进行对比分析,并分别对实验孔隙结构参数和模型孔隙结构参数进行分形表征对比,可以很好地评价孔隙网络模型的准确性。

(6)以孔隙网络模型为基础开展微观流动模拟研究,预测孔隙网络模型的孔隙度和绝对渗透率,预测结果与数字岩心的分析结果及真实岩心的实验结果高度吻合,进一步验证了孔隙网络模型的准确性；同时利用孔隙网络模型预测油水(气水)两相水驱过程的相对渗透率,预测结果符合相渗曲线特征,说明预测结果的正确性,具有一定的参考价值。

基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究一、本文概述随着科学技术的发展，尤其是计算机断层扫描（CT）技术的广泛应用，岩石内部细微结构的研究进入了全新的阶段。

岩石作为一种典型的非均质材料，其内部存在着大量复杂的裂隙结构，这些结构对岩石的物理力学性质具有重要的影响。

因此，对岩石裂隙进行定量表征及扩展演化的细观研究，对于理解岩石的力学行为、预测地质灾害、优化岩石工程设计等都具有重要的理论和实践意义。

本文旨在通过基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究，深入探讨岩石内部裂隙的三维几何特征、分布规律以及在外界条件作用下的扩展演化过程。

研究内容包括但不限于：利用CT技术获取岩石内部裂隙的三维图像数据，通过图像处理和分析技术提取裂隙的几何参数，建立裂隙的三维模型；分析裂隙在不同尺度下的分布规律和统计特性，揭示裂隙网络的复杂性；研究在外部应力、温度、渗流等条件下，裂隙的扩展演化规律和机制，预测岩石的破坏行为。

本文的研究方法和技术手段包括CT扫描技术、图像处理技术、三维建模技术、统计分析方法以及数值模拟技术等。

通过这些方法的综合运用，期望能够实现对岩石裂隙的精确表征和深入理解，为岩石力学和相关领域的研究提供新的思路和方法。

本文的研究结果也将为岩石工程的实践提供有益的参考和指导。

二、岩石三维裂隙CT扫描技术与数据处理岩石的三维裂隙定量表征首先依赖于高精度的CT扫描技术。

CT 扫描技术，即计算机断层扫描技术，以其非破坏性、高分辨率和强大的三维重建能力，在岩石力学、地质工程和其他相关领域得到了广泛应用。

CT扫描通过获取物体内部不同角度的射线投影图像，再经过特定的算法重构出物体的内部三维结构，为岩石内部裂隙的精细观察提供了有力手段。

在岩石CT扫描过程中，首先需要对岩石样品进行预处理，如表面清洁、固定和标记等，以确保扫描结果的准确性和可对比性。

随后，将岩石样品置于CT扫描设备中，通过精确控制扫描参数，如射线能量、曝光时间、扫描角度等，获取高质量的投影图像数据。

数字岩心分析与真实岩心实验平行对比研究高兴军;齐亚东;宋新民;赵天鹏【摘要】为探讨数字岩心分析与真实岩心实验之间的可替代性问题，采用大庆油田砂岩样品开展数字岩心研究，并建立了三维孔隙网络模型，以此为基础，剖析了储层微观孔隙结构特征；应用恒速压汞实验获取了同一块样品的真实微观孔喉结构特征参数，并将数字岩心分析结果与恒速压汞实验检测结果进行了对比分析。

研究结果表明：数字岩心技术是表征储层微观孔隙结构特征，研究微观渗流机理的有效手段，该技术的可靠性取决于对真实岩心特征参数提取的全面性与精确性，构建数字岩心过程中，除了满足孔隙度和渗透率与真实岩心高吻合度条件外，还有必要参考压汞测试得到的孔喉半径分布数据，建议增加平均喉道半径作为更严格的约束条件。

【期刊名称】《特种油气藏》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】4页(P93-96)【关键词】数字岩心;真实岩心;平行对比;微观孔隙结构;恒速压汞【作者】高兴军;齐亚东;宋新民;赵天鹏【作者单位】中国石油勘探开发研究院，北京100083;中国石油勘探开发研究院，北京 100083;中国石油勘探开发研究院，北京 100083;数岩科技有限公司，北京100027【正文语种】中文【中图分类】TE311随着中国油气勘探程度的不断提高，新增油气资源品质越来越差，低渗致密油气资源已逐步占据主流地位[1]。

低渗致密储层微观孔隙结构复杂，深入剖析其内部结构并厘清其基本性质是高效开发的基础[2]，尽管常规压汞、铸体薄片、扫描电镜等传统的储层研究手段仍在发挥积极作用，但已不能满足生产需求。

此外，从提高采收率角度看[3-4]，传统的采收率机理研究均基于宏观渗流理论体系，欲使油气采收率大幅度提高，必须深入多孔介质内部，开展微观研究。

近年快速发展的数字岩心技术正在努力探索和试图解决上述问题[5-9]，该项技术大有取代室内岩心分析实验之势。

数字岩心分析能否真正地取代真实岩心实验，需要哪些约束条件，尚有待探讨。

岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型
杨天鸿;屠晓利;於斌;张永彬;李连崇;唐春安;谭国焕
【期刊名称】《固体力学学报》
【年(卷),期】2005(26)3
【摘要】从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、B iot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.
【总页数】5页(P333-337)
【关键词】细观力学;破裂与渗流耦合;数值模拟;细观力学模型;岩石破裂过程;渗流过程;耦合过程;裂纹扩展路径;损伤力学;非均匀性
【作者】杨天鸿;屠晓利;於斌;张永彬;李连崇;唐春安;谭国焕
【作者单位】东北大学岩石破裂与失稳研究中心;抚顺职业技术学院;香港大学土木工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TU452;TB33
【相关文献】
1.脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究 [J], 杨天鸿;唐春安;梁正召;李连崇;朱万成;谭国焕
2.岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究 [J], 朱珍德;黄强;王剑波;邵建富;王伟
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数字岩心--孔隙结构三维模型重构技术
概念：即制作立方体（3mm×3mm×3mm）岩样，对该岩样进行密集的CT切片，在每个CT切片上进行孔隙喉道图像识别，通过有序定位将密集的各个CT切片上的孔隙喉道构建岩样的孔隙网络三维数字系统，建立数字岩心孔隙结构三维模型。

利用数字岩心孔隙结构三维模型不但可以开展孔隙结构的多参数定量计算和任意切片、任意角度的三维彩色显示，还可进行微米级各种孔喉、厘米级岩心、米级网格的流体流动及渗流机理模拟，因此它是孔隙结构研究领域的重大进展。

优势：①快速准确②成本低③对样本质量要求低，反复使用④非常规油气藏⑤可以有效地解决非均质岩心整体评价⑥中国复杂地层结构，起步较晚，缩短国际差距，捷径，直接运用最高端技术，符合集团数字化智能化战略。

⑦世界应用趋势。

应用：①可以全面深入分析油藏岩石的内部结构，比如说孔隙的大小和连通。

②可以迅速准确地计算出岩芯的渗透率以及多相流特性。

把半年或一年的工作缩短至几个小时。

③还可以迅速准确地计算出岩芯的其它物理性质，例如，电阻率，导磁性，核磁共振，声波以及地震波性等等。

④提高采油率:通过全面深入地分析孔隙介质的流体性质计算和多相流模拟，取得最佳交替驱替方案，达到最高采收率目的。

⑤可以直接对非常规油气藏储油层的渗透率以及多相流特性进行准确地计算。

⑥运用多级孔隙结构系统跨尺度粗化整合新技术对非均质岩心整体作出有效的评价。

岩石随机孔隙结构的三维重构模型与细观渗流分析赵延林;曹平;唐劲舟;马文豪;李树清;王卫军【摘要】Taking porous rock medium as random microscopic structure with range of millimeters,rock model with 3-dimensional random pores was reconstructed,and the influence of pore structure to porous rock seepage was studied on the level of meso mechanics.By introducing microtubule seepage model,statistics principle and FLAC3D software were used to develop the reconstruction technology of porous rock medium with random pore structure produced and numerical simulation method of meso seepage.The results show that the time from unsteady flow to steady flow is shortened with the increase of porosity.There exists high accuracy linear relationship between seepage parameters and porosity,and the porosity threshold (nλ) of permeability of porous rock medium is4.05％.The permeability of porous rock medium is mainly effected by volumetric stress.Furthermore,during pre-peak process the negative exponential relationship between the permeability and the volumetric stress is also shown.The numerical simulation stability of porous structure unit with range of millimeters can be guaranteed.%将多孔岩石介质的孔隙视为具有毫米量级的随机细观结构,重构岩石三维随机孔隙结构模型,在细观力学的层面上研究孔隙结构对多孔岩石渗流的影响.引入微管渗流模型,利用统计学原理和FLAC3D软件研究多孔岩石介质随机孔隙结构的重构技术和细观渗流数值模拟方法.研究结果表明:多孔岩石孔隙率越大,流体由非稳定流过渡到稳定流的时间愈短,渗透系数和孔隙率具精度很高的线性关系,岩石介质透水性的孔隙率阈值nλ=4.05％,峰前多孔岩石介质的渗透系数主要受体积应力控制,且两者之间具有负指数关系.重构毫米量级的孔隙结构单元,其数值稳定性可以得到保证.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)001【总页数】9页(P168-176)【关键词】岩石力学;孔隙结构;细观渗流;流固耦合;重构模型【作者】赵延林;曹平;唐劲舟;马文豪;李树清;王卫军【作者单位】湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,南方煤矿瓦斯与顶板灾害防治安全生产重点实验室,湖南湘潭,411201;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州,221008;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,南方煤矿瓦斯与顶板灾害防治安全生产重点实验室,湖南湘潭,411201;湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,南方煤矿瓦斯与顶板灾害防治安全生产重点实验室,湖南湘潭,411201;湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,南方煤矿瓦斯与顶板灾害防治安全生产重点实验室,湖南湘潭,411201;湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,南方煤矿瓦斯与顶板灾害防治安全生产重点实验室,湖南湘潭,411201【正文语种】中文【中图分类】TU45流体通过多孔介质的渗透是许多工程学科的基础。

储层岩石微观孔隙结构特征及其对渗透率影响
闫国亮;孙建孟;刘学锋;姜黎明
【期刊名称】《测井技术》
【年(卷),期】2014(038)001
【摘要】基于数字岩心研究储层岩石微观孔隙结构特征及其对渗透率的影响规律.以某地区砂岩岩心二维薄片为基础,应用过程模拟法重建数字岩心,利用改进的最大
球算法提取数字岩心的孔隙网络模型并进行孔隙结构定量表征.运用逾渗理论计算
孔隙网络模型的渗透率,分析孔隙结构和渗透率关系.模拟结果表明孔隙半径特征值、喉道半径特征值与渗透率之间的关系均可用Logistic函数描述,且喉道半径对储层
渗透率的影响程度大于孔隙半径对其的影响.
【总页数】5页(P28-32)
【作者】闫国亮;孙建孟;刘学锋;姜黎明
【作者单位】中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛266580;中国石油大学
地球科学与技术学院,山东青岛266580;中国石油大学理学院,山东青岛266580;中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077
【正文语种】中文
【中图分类】P631.84
【相关文献】
1.也层上覆压力对储层岩石孔隙度、渗透率的影响规律研究 [J], 李桂梅
2.原油沥青质吸附与沉积对储层岩石润湿性和渗透率的影响 [J], 吴诗平;鄢捷年;赵
凤兰
3.常规及非常规储层岩石分形特征对渗透率的影响 [J], 尹帅;谢润成;丁文龙;单钰铭;周文
4.鄂尔多斯盆地姬塬油田长6储层微观孔隙结构特征及其对水驱油特征的影响 [J], 张茜;任大忠;任强燕;黄海;刘登科;屈雪峰
5.鄂尔多斯盆地西峰油田长81储层微观孔隙结构特征及其对水驱油特征的影响[J], 黎盼;孙卫;王震;黄何鑫;折文旭
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岩石孔隙中微观流动规律的CT层析图像三维可视化研究张顺康;陈月明;侯健;郭振海【期刊名称】《石油天然气学报》【年(卷),期】2006(028)004【摘要】利用指示克里金方法对微观CT层析图像中的剩余油图像和孔隙图像进行了分割,得到了二维CT层析图像中的孔隙以及油水分布.在此基础上,利用Marching Cube算法进行了连续CT层析图像的三维重建,实现了岩石中的孔隙以及不同驱替阶段中剩余油分布的可视化.对比二维分割图像和三维重建图像,结果表明,三维重建图像能克服二维分割图像只能从平面上反映孔隙以及流体分布的局限性,因而能更加直观、真实、准确地反映驱替过程中剩余油在空间上分布的变化规律.【总页数】5页(P102-106)【作者】张顺康;陈月明;侯健;郭振海【作者单位】中国石油大学石油工程学院,山东,东营,257061;中国石油大学石油工程学院,山东,东营,257061;中国石油大学石油工程学院,山东,东营,257061;胜利油田有限公司胜利采油厂,山东,东营,257051【正文语种】中文【中图分类】TE3【相关文献】1.岩石三维重建图像分辨率对孔隙参数的影响分析 [J], 刘燕飞;滕奇志;吴晓红2.华南成矿省福建魁歧晶洞花岗岩样品孔隙结构的工业X-CT三维可视化研究 [J], 何鹏;魏彪;陈超;冯鹏;米德伶;任勇3.三维微观孔隙结构与岩石变形机制及输运特性 [J], 汲云涛4.基于岩石CT图像的碳酸盐岩三维孔隙组构的多重分形特征研究 [J], 谢淑云;何治亮;钱一雄;方海平;张天付;张殿伟;沃玉进;鲍征宇5.基于体波有限频层析成像的青藏高原南部和中部下方印度大陆岩石层俯冲和撕裂的三维图像 [J], Xiaofeng Liang;Changqing Sun;Shaokun Si;Haiqiang Lan;Jiwen Teng;左思成(译);梁晓峰(校);朱玉萍(复校);Yun Chen;XiaoboTian;Yongshun John Chen;James Ni;Andrea Gallegos;SimonL.Klemperer;Minling Wang;Tao Xu因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

2007年10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2007收稿日期：2007-04-30基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.50534030）；国家自然科学基金重大项目（No.50404017）；山西省自然科学基金资助（No.20051026）。

作者简介：吕兆兴，男，1977年生，博士研究生，主要从事逾渗理论及应用方面的研究工作。

E-mail: alv-1001@文章编号：1000－7598－（2007）增刊－0291－04孔隙裂隙双重介质的三维逾渗数值模拟研究吕兆兴1，冯增朝1，赵阳升1，谭礼平2（1. 太原理工大学 采矿工艺研究所，太原 030024；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083）摘 要：基于三维孔隙介质的逾渗模型，首次把裂隙这一重要的渗透通道引入到三维逾渗研究中，提出了孔隙裂隙三维逾渗的研究方法，并建立了孔隙裂隙双重介质三维逾渗模型，这一模型的建立使得逾渗理论的研究成果可以被应用到更多的领域中，如煤体、岩体等。

基于VC++6.0开发了孔隙裂隙双重介质三维逾渗模拟软件，模拟研究了双重介质的逾渗规律，模拟研究表明：裂隙的存在在很大程度上提高了介质的逾渗概率，使孔隙裂隙双重介质的逾渗规律明显不同于孔隙介质；随孔隙率、裂隙分形维数、裂隙数量分布初值由小到大逐渐增长，必然发生逾渗转变的自然现象。

关 键 词：逾渗；孔隙；裂隙；分形；逾渗阈值；双重介质 中图分类号：TU 454 文献标识码：ANumerical simulation of percolation law of 3D porous andfractured double-mediumLÜ Zhao-xing 1, FENG Zeng-chao 1, ZHAO Yang-sheng 1, TAN Li-ping 2(1. Institute of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)Abstract: Based on the model of 3D porous medium, the fracture as a very important permeability channel is taken into account in the theoretical research on percolation of medium, the research methods of percolation in 3D porous and fractured double-medium is put forward, and the percolation model of 3D porous and fractured double-medium are established. The model applies to more fields, such as coal bed, rock mass. Based on VC++6.0, the software of 3D is developed, the percolation and the percolation law of 3D porous and fractured double-medium are simulated. The results indicate that fracture in the model increases the value of percolation probability observably. It makes the percolation law of double-medium differ from the law of porous medium. The natural phenomena of percolation transition happens surely with the increase in porosity, fracture fractal dimension and fracture number distribution initial value.Key words: percolation ; pore; fracture; fractal; percolation threshold; double-medium1 引 言逾渗的概念是1957年由布罗德本特（Boradbent ）和哈梅斯里（Hammersley ）在研究流体在无序多孔介质中流动时首次提出的，下例可以形象地描述一种逾渗现象：可渗透的孔隙介质，当流体通过介质时，其中的孔隙会被随机堵塞，孔隙率下降。

第30卷第8期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 8 2009年8月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2009收稿日期：2009-02-11基金项目：国家科技支撑计划课题（No. 2008BAB29B01）；国家自然科学基金资助项目（No. 50679066）。

第一作者简介：殷德胜，男，1983年生，博士研究生，主要从事岩土工程数值仿真的研究工作。

E-mail: deshengyin@通讯作者：汪卫明，男，1975年生，博士后，副教授，主要从事水工结构及岩土工程数值仿真分析的研究工作。

E-mail: wmwang@文章编号：1000－7598 (2009) 08－2535－05三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法殷德胜，汪卫明，陈胜宏（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）摘 要：岩体中的裂隙分布具有随机性，且渗流主要通过裂隙面进行。

运用蒙特卡罗法模拟生成岩体中的随机裂隙面，基于矢体的概念，实现了包括凹块体和多连通体在内的三维随机裂隙岩体的块体单元自动识别。

假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行，建立了三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法。

通过算例分析，验证了所提方法的准确性和有效性。

关 键 词：岩体；随机；裂隙；渗流；块体单元法 中图分类号：TU 454 文献标识码：ABlock element method for seepage analysis in three dimensionalrandom fracture networkYIN De-sheng ，WANG Wei-ming ，CHEN Sheng-hong（State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China ）Abstract: Fractures in rock masses are randomly distributed; and the seepage in the rock masses mainly happens in these fractures. The Monte Carlo method is adopted to generate the stochastic fracture network firstly. Then, on the base of the theory of directed body, the automatic identification method for three dimensional network with random fractures is realized, including the concave and multi-connected blocks. Next, based on the assumption that the intact rock is impervious and the water flows only along the fractures, the block element method for seepage analysis of three dimensional network with random fractures is established. Finally, two examples are studied to prove the precision and validity of this method. Key words: rock mass; random; fractures; seepage; block element method1 引 言岩体是一种由断层、节理和裂隙等结构面切割完整岩石组成的不连续介质。

低孔隙度岩石细观本构模型及损伤—渗流耦合研究多场耦合问题的研究近年来成为现代岩石力学的一个重要分支，其原因是该领域的研究涉及到诸多工程应用，如核废料处置、石油二次开采、二氧化碳地下封存、高坝坝基安全性评估等等。

目前该领域在数学模型、原位实验、计算程序三个方面取得了一定的进展，对岩石、结构面、岩体耦合机制的研究仍需进一步完善。

就岩石而言，学者们致力寻求一个可以完全描述应力-应变全过程中渗透率种种变化规律的模型，尤其希望模型能够正确反映出岩石损伤引起的渗透率各向异性演化。

本文选择低孔隙度岩石作为研究对象，采用细观力学作为研究工具，全面展开本构模型和渗透率演化模型的研究。

论文的主要研究成果和研究工作归纳如下：(1)对当前岩石力学中常用建模理论、荷载(变形)引起的渗透率演化模型、数值方法进行综述。

对比损伤力学中的两个分支：连续损伤力学和细观损伤力学，陈述本文选用细观损伤力学建立本构模型和渗透率演化模型的因由。

指出现有的岩石和岩体渗透率演化模型的不足之处，在此基础上提出本文的研究思路和研究方法。

(2)选用基于应变的数学格式建立岩石的细观本构模型。

在归纳出低孔隙度岩石三轴试验各种现象的基础上，提出了建模的预期目标。

叙述了建模的步骤、REV尺度的确定以及所采用的岩石概念模型：将岩石视为岩石基质和微裂纹系统组成的二元介质。

把微裂纹分为张拉／压剪两类，建立了张拉／压剪微裂纹的判别准则，在应变空间中对判别准则进行表达。

对张拉微裂纹进行细观力学分析，推导了张拉微裂纹扩展的判别准则和演化方程。

应用能量原理推导了张拉微裂纹的四阶均匀化刚度张量和四阶切线均匀化刚度张量。

(3)在评述当前常用的微裂纹滑移准则的基础上，提出了本文的滑移准则，考虑了微裂纹滑移引起的裂纹面法向膨胀，以及由法向膨胀引起的微裂纹进一步扩展，阐明了滑移-扩展相互影响的细观力学机制。

推导了压剪微裂纹的四阶切线均匀化刚度张量，通过球面积分推导了含微裂纹系统的增量本构表达式。

不同孔隙类型礁灰岩模型微观水驱渗流实验
孙雷;陈敏;桑頔;冯洋
【期刊名称】《断块油气田》
【年(卷),期】2017(024)004
【摘要】为了更好地了解礁灰岩储层中的流体在微观渗流过程中的渗流规律和分布特征,文中以流花油田D5P1井为例,利用礁灰岩岩心制作了岩心薄片模型,采用可视化技术微观模拟水驱油过程,并选取具有代表性的4种孔隙类型进行对比分析研究.实验观察发现,裂缝方向与微观流体渗流和剩余油的分布密切相关,孔洞的存在有利于提高岩心采收率,在驱替结束时基质中普遍存在大量的剩余油这些发现为该油田下一步进行注水开发提供了参考依据.
【总页数】4页(P546-549)
【作者】孙雷;陈敏;桑頔;冯洋
【作者单位】西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500
【正文语种】中文
【中图分类】TE311
【相关文献】
1.流花油田礁灰岩储层微观性质及驱替特征研究 [J], 宁玉萍;王峻峰;罗东红;张伟;戴宗
2.基于礁灰岩真实岩心薄片模型的微观水驱渗流实验研究 [J], 孙雷;陈敏;桑頔;冯洋
3.强底水礁灰岩油藏水驱采收率表征模型 [J], 罗东红;朱旭;戴宗;程佳;宁玉萍
4.孔隙型生物礁灰岩油藏水驱剩余油赋存特征 [J], 汪周华;赵华臻;朱光亚;李茜瑶;郭平;方全堂
5.砾岩油藏水驱与聚合物驱微观渗流机理差异 [J], 谭锋奇;许长福;王晓光;陈玉琨;程宏杰;张记刚;彭寿昌
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沉积岩孔隙空间的三维可视化一、沉积岩孔隙空间的基本概念沉积岩是地球表面最常见的岩石类型之一，其形成过程涉及物质的沉积、压实和胶结。

沉积岩的孔隙空间是指岩石内部的空隙，这些空隙可以是原始沉积物间的空隙，也可以是后期地质作用形成的裂缝和孔洞。

孔隙空间的存在对沉积岩的物理性质、渗透性以及储集流体的能力有着重要影响。

沉积岩孔隙空间的形态多样，包括但不限于孔隙、裂缝、溶洞等。

这些形态的多样性使得沉积岩的孔隙空间具有复杂的三维结构。

了解这些结构对于评估岩石的储集能力、渗透性以及在油气勘探和水资源管理中的应用至关重要。

二、沉积岩孔隙空间的三维可视化技术三维可视化技术是一种将复杂的三维数据以直观的图形形式展现出来的技术。

在沉积岩孔隙空间的研究中，三维可视化技术可以帮助科学家和工程师更好地理解岩石内部的孔隙结构，从而为地质勘探和资源开发提供重要的信息支持。

2.1 孔隙空间数据的获取孔隙空间数据的获取通常依赖于地质勘探过程中的取样和测试。

通过钻井取样，可以获得岩石样本，进而通过显微镜观察、X射线断层扫描（CT）等技术获取孔隙空间的详细数据。

2.2 三维重建技术获取到的二维数据需要通过三维重建技术转化为三维模型。

常用的三维重建技术包括体素化、表面重建和网格化等。

体素化是将岩石样本转化为三维体素模型，每个体素代表岩石中的一个微小单元。

表面重建则是通过算法识别岩石表面的轮廓，构建出岩石的三维表面模型。

网格化则是将岩石表面或内部结构转化为由多边形组成的网格模型。

2.3 可视化软件和工具三维可视化需要借助专业的软件和工具来实现。

常见的三维可视化软件包括Maya、3ds Max、Blender等，这些软件提供了丰富的建模、渲染和动画制作功能。

此外，还有专门针对地质数据可视化的软件，如ParaView、GemPy等，它们能够处理大规模的地质数据，并提供高效的可视化解决方案。

2.4 可视化结果的应用三维可视化结果可以应用于多个领域。

中国科学 E辑: 技术科学 2008年 第38卷 第7期: 1026~1041 1026 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS岩石孔隙结构的统计模型鞠杨①②*, 杨永明①, 宋振铎①③, 徐文静①④①中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 北京 100083;②Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, The University of Calgary, 2500 University Drive NW Cal-gary, AB T2N 1N4;③中国煤矿机械装备有限责任公司, 北京 100011;④Department of Materials and Metallurgy, The University of Utah, Salt Lake City, Utah 84112* E-mail: juy@收稿日期: 2007-05-31; 接受日期: 2007-07-03国家重大基础研究规划项目(批准号: 2002CB412705)和教育部“新世纪优秀人才支持计划(批准号: NCET-05-0215)资助摘要通过砂岩CT扫描实验研究了岩石孔隙的几何特征与分布规律, 给出了孔隙的形心坐标, 孔隙间距、孔隙数和孔径的统计特征与各自分布的概率密度函数. 利用Monte Carlo法和随机数算法生成了具有相同统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟孔隙位置、数量和孔径的随机分布. 借助FLAC3D程序按照随机数序列分配的孔隙位置和统计特征构建了岩石三维孔隙结构模型. 在此基础上, 应用该模型研究了巴西圆盘劈裂破坏时的应力分布、单元破坏方式以及破裂单元的连通情况. 研究表明: 孔隙模型具有与真实岩石孔隙结构一致的孔隙统计特征和较好的几何相似性, 该模型可以直观地反映孔隙特征对应力分布、破坏方式以及破裂连通性的影响. 关键词孔隙结构统计模型重构岩石应力分布天然岩石含有大量不同尺寸的孔隙或孔洞, 这些孔隙直接影响着岩石的物理、力学和化学性质, 如强度、弹性模量、渗透性、连通性、电导率、波速、颗粒吸附力、岩石储层产能等. 认识和定量刻画孔隙结构对岩石性质的影响, 对于解决石油、地质、采矿、冶金、土木和水利工程中的实际问题具有十分重要的意义.然而, 天然孔隙跨尺度无序分布, 数量多且形态复杂, 准确地描述孔隙结构特征, 并从理论上建立这种定量描述与岩石宏观性质之间的关系十分困难. 人们更多地利用实验手段来观察孔隙岩石的表观物理、力学和化学性质的变化, 从而间接地反映孔隙结构特征及其影响. 孔隙岩石就像一个“黑箱”, 人们更多关注的是各种表观物理、力学和化学过程“经过”这个“黑箱”后的变化. 但是, 这种表观描述无法定量地解析岩石孔隙连通性、毛细管压力、渗透系数变化、孔隙多相流与孔隙相互作用、浸透性质、孔壁应力分布等一系列对孔隙岩石表观性质起决定作中国科学E辑: 技术科学 2008年第38卷第7期用的内部机制. 人们需要一个可靠的孔隙结构模型, 利用这个模型, 上述内部机制以及决定孔隙岩石表观性质的本构关系就可以定量地确定出来, 而这一点仅靠表观实验观测是得不到的.就我们所知, 孔隙结构模型的研究已有多年的历史, 特别是在冶金、化工、生物、地质、石油以及地下工程领域, 相继提出过毛细管模型(capillary models)[1~4], 基于过程模型(process- based models)[5~7]、随机堆积模型(random packing models)[8~11]、孔隙网络模型(pore-scale network models)[12~16]以及统计模型(statistical models)[17~23]来描述孔隙结构及其物理、力学和化学性质. 粗略地讲, 这些模型可分为重建模型(reconstruction models)和非重建模型(non-reconstruction models)两大类, 重建模型目的在于构建真实的三维孔隙结构, 如过程模型和统计模型; 而非重建模型的目的则是利用虚拟模型来阐述或解释实验所观察到的表观性质, 如毛细管模型和网络模型. 随着计算机的计算和存储能力的提高, 统计模型吸引了人们越来越多的注意力, 一些基于统计分析的三维孔隙模型相继出现, 与真实孔隙结构相比, 这些模型具有很好的几何相似性[17~23]. 然而, 最近的研究发现, 尽管一些三维孔隙结构模型与真实孔隙结构相比具有很好的几何相似性, 但是, 基于模型所获得的相对渗透率、成形系数和传输性质等物理力学量与实验值相比有非常大的差别, 目前绝大多数孔隙结构模型尚不足以准确地分析和预测孔隙介质的物理力学性质[24~26].产生这些矛盾的原因, 作者认为可能有以下几个方面. (1)真实孔隙结构十分复杂, 它们无序地分布在各个尺度范围内, 通过实验获得完备的孔隙结构信息, 并从理论上准确地刻画孔隙极为困难; 同时, 孔隙形状不规则, 边界粗糙, 数学和物理上很难处理. (2)孔隙结构模型和原型之间的相关性并没有被完备地确定下来, 采用少数几个基于统计特性相似的控制方程来确定孔隙结构, 并不能确保模型与原型结构相吻合. (3)目前大多数孔隙结构模型是在二维平面信息的基础上构建的, 然而, 很多情况下, 二维平面信息与实际的三维结构信息具有完全不同的几何和物理含义[23]. 在多大程度上我们可以依赖二维平面信息来构建真实的三维孔隙结构是一个尚待研究的问题[17,18]. 因此, 建立一个可靠的岩石孔隙结构模型来满足工程应用的需要尚有相当长的距离, 无论是在模型理论方面还是在计算机实现方面, 均有许多关键问题有待解决.针对上述问题, 本文通过CT扫描实验获得岩石孔隙的CT图像, 研究了岩石孔隙的几何特征及分布规律, 建立了孔隙的概率密度函数和累积分布函数. 在此基础上, 利用统计学方法和计算机随机生成技术, 构建了一个具有相同孔隙统计特征和概率分布函数的岩石三维孔隙结构模型. 同时, 为了校验模型的有效性, 我们利用模型分析了岩石的劈裂破坏和应力分布, 并与实验值和解析解进行了对比. 该研究为探索建立反映真实孔隙结构特征的孔隙岩石模型提供了一条途径.需要说明的是, 本文目的是探索岩石三维孔隙结构的模拟与生成方法, 并非要解决上述分析谈到的所有问题, 更深入的分析会在后续文章中进行讨论.1孔隙的CT扫描实验采集同样地质条件下的红砂岩制作10个圆柱体试件, 应用113型氦孔隙率仪测试了全部样品的孔隙率, 实测值为22.9%~23.8%. 同批4个试件用于CT扫描, 以探明孔隙几何特征及其分布规律, 6个试件用于测试单轴抗压强度和弹性模量等参数. CT扫描所用的4个圆柱体试1027鞠杨等: 岩石孔隙结构的统计模型1028件的直径为24.54~24.77 mm, 平均值为24.65 mm; 高度为43.51~47.71 mm, 平均值为45.96 mm; 孔隙率范围为23.0~23.6%, 平均值为23.3%. 加载条件4‰ mm/s 下平均单轴抗压强度为37.2 MPa. 每个试件扫描范围为试件中部1/3高度, 自上而下间隔80 µm, 连续扫描200层. 横截面CT 图像为512×512像素的灰度图, 如图1(a)所示. CT 图像中每个像素点的灰度在0~255内变化, 不同灰度值反映了图像各点不同的物理状态.为了提取孔隙结构信息, 我们首先对CT 图像进行二值化处理, 即对图像进行阈值分割. 选取某个灰度值T 为阈值, 灰度值大于或等于阈值T 的像素点, 其灰度均被重新设置为1, 小于阈值T 的像素点, 其灰度均被重新设置为0, 即1(,),(,)0(,),f i j T g i j f i j T ⎧⎪=⎨<⎪⎩≥ (1) 其中(,)f i j 代表像素点(,)i j 的初始灰度值, (,)g i j 表示二值化后像素点(,)i j 的灰度值. 这样得到一个黑白图像, 黑色像素(g =0)代表孔隙, 而白色像素(g =1)代表固体介质.一个关键的问题是如何确定合适的阈值T 使得二值化的CT 图像能够合理地反映孔隙群体构成, 确保我们能够获得建模所需要的孔隙结构参数. 为解决这个问题, 本文采取以下方法. 1) 从200张横截面CT 图像中, 按照一定的间距选取扫描图像, 使得任意相邻的两个图像所截取的孔隙相互独立, 即没有被两个相邻横截面同时截取的孔隙. 2) 设置多个阈值, 应用Particle 图像程序[27]对所选取的CT 图像进行多次阈值分割, 分别计算给定阈值下图像的“计算孔隙率”, 即黑色像素面积与试件横截面积之比. 假设孔隙数量和平均粒径沿样品高度方向(Z 方向)均匀分布, 则易知“计算孔隙率”等于样本孔隙率. 3) 对比“计算孔隙率”与样本实测孔隙率, 取与实测孔隙率最接近的“计算孔隙率”所对应的阈值作为T , 由此得到的黑白图像可认为是孔隙图像. 孔隙初始CT 图像与二值化图像如图1所示.图1 岩石CT 图像与二值化(a) 原始CT 扫描图像, 实测孔隙率23.2%; (b) 二值化图像, 计算孔隙率23.0%2 孔隙参数及概率分布2.1 孔隙统计参数二值化孔隙CT 图像给出了孔隙平面内的分布状态, 如图1(b). 从CT 图像中提取孔隙结构参数, 如孔隙位置、间距、数量、粒径以及它们的统计性质, 对于利用计算机生成相似的孔中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第7期1029隙结构至关重要. 为此, 本文应用上述方法, 对间隔15个扫描层、两两相互独立的CT 图像逐一进行二值化处理, 得到各层孔隙分布的黑白图像. 通过Particle 程序[27]和MatLab编程[28]分别计算得出各扫描层内孔隙的位置坐标, 包括单个孔隙的形心坐标和孔隙群的形心坐标(,)i j 、孔心距R (即单个孔隙形心坐标到孔隙群形心坐标的距离)、孔隙圆心角θ (即单个孔隙形心与孔隙群形心的连线与参考坐标轴的夹角)以及孔隙间距L (即两两孔隙形心之间的距离), 这些参数完整地描述了孔隙的相互位置关系. 图2给出了孔心距R 、孔隙圆心角θ 以及初始参考坐标轴的几何定义. 孔隙群的形心坐标(,)i j 可表示为 ,,,,, ,i j i j i j i jA i A j i j A A ⋅⋅==∑∑ (2) 其中A i ,j 表示像素点(,)i j 的面积. 实际上每个像素点放大后是具有一定宽度和高度的微正方形, 如图3所示, 每个像素点代表约0.00238 mm 2的实际面积. 每个孔隙包含一定数目的像素点, 孔隙面积等于所包含的所有像素点的面积之和. 由于i , j 分别表示像素点的横纵坐标, 因此孔隙群的形心坐标(,)i j 是以像素点位置来表示的.图3 孔隙图像结构与像素点(a) 灰度图像; (b) 二值化图像图2 孔隙群的形心坐标、圆心角、参考坐标轴的定义鞠杨等: 岩石孔隙结构的统计模型1030单个孔隙形心到孔隙群形心的距离即孔心距为R , 可表示为R =(3) 面内孔隙孔心距的平均值和均方差写成R µ=, (4)R σ= (5)这里孔心距也是采用像素点的数目来表示的.类似地, 孔隙圆心角的均值θµ和均方差θσ可表示为11,N i i Nθµθ==∑ (6) θσ=, (7) 与孔心距不同, 这里孔隙圆心角的单位为度.表1列出了#1~#4号试件各层孔隙群的形心坐标),(j i 、孔心距R 和孔隙圆心角θ 均值和均方差的计算结果, 该数据给出了各扫描层内孔隙相对于整个圆形截面的位置关系.为获得孔隙数的分布规律, 本文将360°圆周角划分为20个等间隔区间, 利用自编程序计算出每个角度区间内孔隙的数量, 以及占整个圆形截面孔隙总数的比例, 即圆周孔隙密度, 得到孔隙数沿周向的概率密度分布. 图4~7绘出了#1~#4号试件各层孔隙数沿周向的概率密度分布.对于孔隙间距的分布情况, 考虑到孔隙间距的范围为0<L ≤25 mm, 我们将孔隙间距也划分为20个相等的区间, 运用上述自编程序计算出落入每个区间内的孔隙间距的个数, 得到各层孔隙间距的累计分布. 图8~11绘出了#1~#4号试件各层孔隙间距的分布.为获得孔隙孔径的分布规律, 我们再利用二值化CT 图像, 如图3(b), 根据每个孔隙包含的像素点的数目确定出各个孔隙的面积, 假设单个孔隙为圆形, 则可以得到孔隙的“等效半径”r , 由此确定最大的“等效半径”为0.9 mm. 将孔隙“等效半径”r 按照0.05 mm 间隔分成18个相等的区间, 计算出不同孔径区间内孔隙的个数及其占整个图像孔隙总数的比例, 即孔径密度. 图12~15绘出#1~#4号试件各扫描层孔径r 的概率密度分布情况.2.2 概率分布函数CT 实验结果与统计分析的结构如下.1) 各层孔隙群的形心基本位于像素点(,)i j (2562,2562)=±±范围内, 十分接近圆形截面的中心. 孔心距R 和孔隙圆心角θ 的均值以及较大的均方差表明, 各层孔隙均匀地散布在一个较宽的范围内, 基本覆盖圆形截面.中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第7期1031表1 孔隙群的形心坐标,()i j 、孔心距R 和孔隙圆心角θ 的均值和均方差 孔心距R 孔隙圆心角θ 扫描层编号 i j µR σR µθ σθ1015 256.0 256.3 158.98 70.07 178.41 104.67 1030 254.3 254.6 159.90 62.81 183.94 103.81 1045 253.8 254.1 158.64 62.81 178.32 104.03 1060 261.5 261.8 158.42 61.62 179.67 104.89 1075 255.8 256.0 156.86 60.06 176.26 103.83 1090 254.8 255.0 159.39 59.00 178.28 103.92 1105 257.0 257.2 157.75 57.16 180.25 104.34 1120 252.0 252.2 154.18 58.29 178.17 103.02 1135 253.6 253.8 154.09 58.66 172.43 102.48 1150 253.3 253.6 153.88 58.27 176.94 103.30 #1 号 试 件平均值 255.2 255.5 156.91 60.88 178.27 103.83 2015 257.4 257.6 156.51 65.34 178.61 104.84 2030 254.7 254.9 157.19 67.03 177.85 103.99 2045 257.0 257.2 157.44 65.91 180.33 104.72 2060 255.8 256.0 157.79 66.05 182.26 104.54 2075 257.4 257.6 156.99 68.43 183.83 104.59 2090 254.3 254.5 160.00 67.20 177.29 104.47 2105 263.9 264.0 161.74 65.66 182.77 105.592120 259.4 259.6 160.01 67.02 183.66 104.93 2135 253.1 253.3 160.92 69.18 174.76 103.46 2150 253.7 253.9 158.30 68.50 174.50 103.63 #2号试件 平均值 256.7 256.9 158.69 67.03 179.59 104.48 3015 252.0 252.1 161.34 72.51 180.75 102.72 3030 256.8 257.0 160.85 69.35 176.81 103.89 3045 254.7 254.9 160.36 66.16 179.85 104.18 3060 256.5 256.7 158.31 63.94 183.25 104.93 3075 253.2 253.3 161.99 62.01 177.26 105.01 3090 258.8 257.9 157.34 61.09 178.95 105.07 3105 254.7 254.8 157.26 62.01 174.97 104.62 3120 256.1 256.3 158.53 62.07 177.44 105.57 3135 257.3 257.5 155.84 60.99 181.01 105.14 3150 256.3 256.5 158.59 61.02 180.83 104.56#3 号 试 件 平均值255.6 255.7 159.04 64.12 179.11 104.57 4015 253.6 253.8 159.81 70.07 174.77 104.08 4030 255.0 255.2 159.05 67.64 173.76 103.81 4045 255.9 256.1 157.15 70.22 177.83 104.48 4060 256.3 256.5 156.74 67.38 176.76 104.73 4075 257.7 257.8 156.64 64.21 179.05 105.25 4090 252.9 253.1 155.76 62.89 173.47 102.85 4105 252.6 252.8 156.01 61.51 175.99 103.38 4120 251.8 251.9 155.63 63.04 177.45 103.11 4135 252.4 252.5 156.42 63.53 174.50 103.80 4150 254.7 254.9 156.53 64.75 178.51 104.08#4 号 试 件平均值 254.3 254.5 156.97 65.52 176.21 103.96鞠杨等: 岩石孔隙结构的统计模型1032图4 #1试件各层孔隙数沿周向的概率密度分布图5 #2试件各层孔隙数沿周向的概率密度分布图6 #3试件各层孔隙数沿周向的概率密度分布图7 #4试件各层孔隙数沿周向的概率密度分布图8 #1试件扫描层内孔隙间距的累计分布图9 #2试件扫描层内孔隙间距的累计分布中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第7期1033图10 #3试件扫描层内孔隙间距的累计分布 图11 #4试件扫描层内孔隙间距的累计分布图12 #1试件各层孔隙孔径的概率密度分布 图13 #2试件各层孔隙孔径的概率密度分布图14 #3试件各层孔隙孔径的概率密度分布 图15 #4试件各层孔隙孔径的概率密度分布鞠杨等: 岩石孔隙结构的统计模型1034 2) 各层孔隙数沿周向的概率密度分布集中在一个很窄的范围内(见图4~7), 近似为一个常量, 表明孔隙数沿圆周近似于均匀分布.3) 孔隙间距的分布曲线以均值为中心, 左右对称; 间距分布的峰值由中央向两侧逐渐均匀递减, 间距在10~13 mm 的孔隙数量居多. 随着各层孔隙数目的增多, 孔隙间距分布曲线的峰值增大. 表明: 孔隙间距的分布符合高斯正态分布.4) 孔隙孔径由小到大其密度呈递减趋势, 其概率密度为指数分布规律.针对这些特征, 本文以下给出孔隙数沿周向均匀分布的概率密度函数, 孔隙间距的高斯分布函数以及孔隙孔径的指数概率密度函数.孔隙数沿周向分布的概率密度函数可表示为 1, (),()0, ().a x b f x b a ⎧⎪=−⎨⎪⎩≤≤其他 (8) 由于随机孔隙数目沿圆周方向均分为20个等长区间, 若孔隙数均匀分布, 则应满足 1()0.05, (020).200f x x ==−≤≤ (9) 我们对各层孔隙数进行拟合, 得到随机孔隙数沿周向均匀分布的概率密度函数近似为()0.05150.0000189,f x x =− (10)其中()f x 表示周向分布的孔隙数的概率密度;x 为随机变量(孔隙数). 公式右边第二项系数很小, 可以忽略不计. 对比(9)和(10)式表明, 孔隙数沿周向的均匀分布条件得到满足. 作为例子, 图16给出了#1试件#1060层孔隙数周向分布的拟合结果.对于孔隙间距L 分布, 采用如下高斯分布函数对图8~11所测得的孔隙间距进行拟合.2020,L L B y y e −⎛⎞−⎜⎟⎝⎠⎛⎞⎜⎟=+ (11) 其中y 0、L 0、A 和B 均为统计参数. 研究发现, 对于本文实验而言, 公式中的统计参数随砂岩各层孔隙数量呈线性变化, 可以统一地采用孔隙数N 来表示, 即N L 002.04.150−=, (12)0525763.4213.2,y N =−+ (13)1.98476791,A E N =−(14)图16 #1试件#1060层孔隙沿周向分布的拟合中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第7期1035 54.740.0183.B N =+ (15) 代入(11)式即可得到孔隙间距的分布函数y . 作为例子, 图17给出了#1试件#1120层孔隙间距的拟合结果, 表明高斯函数(11)~(15)式较好地反映了孔隙间距的分布状况.考虑到孔隙孔径r 的指数分布规律, 经对各层孔隙孔径数据的拟合, 采用如下的概率密度函数g (r )来反映孔隙孔径的分布. ()exp ,r g r C E D ⎛⎞=×−+⎜⎟⎝⎠(16) 其中C , D 和E 为统计参数, 本文条件下各层孔隙的统计参数的平均值为C =0.6832, D =0.0988, E =−0.0025. 作为例子, 图18给出了#3试件#3135层孔隙孔径的概率密度分布的拟合情况, 概率密度函数g(r )与实测数据相吻合.图17 #1试件#1120层孔隙间距分布的拟合 图18 #3试件#3135层孔隙孔径的概率密度分布的拟合3 统计模型与计算机生成为了模拟岩石三维孔隙结构, 根据所得到的各层孔隙的位置、间距、孔隙数和孔径的统计参数及概率分布函数, 应用Monte Carlo 方法、随机数生成算法和自编程序, 首先生成两个与实测统计参数和分布函数相一致的随机数序列. 一个是N 行3列的随机数序列, 反映孔隙的空间位置和间距分布, 统计参数和概率密度函数符合表1特征、均匀分布((10)式)和高斯分布((11)~(15)式), 该随机数序列控制着孔隙的三维空间分布. 另一个是1行M 列的随机数序列, 反映孔隙孔径的随机分布, 统计参数和概率密度满足指数规律((16)式). 同时, 孔隙个数按照实测孔隙率和孔径分布确定, 孔隙数分布满足周向均匀分布规律.由于孔隙的空间位置、尺寸和数量随机变化, 有限元程序在网格划分、单元尺寸和单元数量的控制方面存在很大困难, 三维孔隙结构的力学计算难以进行. 为解决此问题, 我们利用自编程序将生成的随机数序列导入FLAC 3D 中, 利用NULL 模型命令, 在随机数序列“分配”的单元位置处, “挖空”单元形成孔隙; 再利用FLAC 3D 内嵌的FISH 语言, 按照指定的位置和间距, 不断地循环执行“挖空”命令, 形成包含N 个孔的孔隙网格模型, 这样生成的孔隙结构与真实孔隙结构具有相同的孔隙统计分布特征和规律.鞠杨等: 岩石孔隙结构的统计模型1036图19为应用该方法生成的孔隙率分别为3%, 7%, 15%和23%的岩石三维圆盘模型及其横截面图. 考虑到FLAC 程序对单元最小尺寸的限制, 我们将CT 实验实测的孔隙半径按等比例放大, 保持孔隙率和孔隙统计分布特征不变, 取圆盘模型直径为200 mm, 高100 mm, 最大孔隙半径5.5 mm. 对比发现: 孔隙岩石模型与实际孔隙岩石具有较好的几何相似性.图19 三维孔隙岩石的计算机重建模型上排为孔隙结构的三维全貌图, 下排为对应位置处的横截面图; 孔隙率从左至右分别为3%, 7%, 15%和23%需要注意的是, 圆盘模型中的孔隙位置、间距和孔径大小均由计算机程序按照给定的随机分布函数随机生成, 当孔隙率较大时(>20%), 由于单元最小尺寸和网格划分的原因, 部分孔径较大的孔隙单元在随机“挖空”时出现了相互接触或交叉现象, 导致视觉上部分孔隙单元的尺寸大于试验的砂岩孔隙的尺寸. 此外, 横切面的厚度也会影响孔隙的显示效果和视觉尺寸.4 孔隙圆盘的劈裂过程模拟为校验模型的有效性, 我们利用FLAC 3D 模拟和分析了巴西圆盘的劈裂破坏过程. 圆盘模型中的孔隙单元被赋予Null 材料, 固体介质被赋予Mohr-Coulomb 材料, 剪切模量为7 Gpa, 体积模量26.9 Gpa, 单轴抗拉强度1.2 MPa. 模型左右两端沿X 轴方向施加线荷载, 边界为无约束边界. 为探讨孔隙对岩石劈拉性能的影响, 本文分别计算了3%, 7%, 15%和23%四种孔隙率下圆盘模型的劈拉应力及其分布, 并与无孔巴西圆盘的理论值和数值解进行了对比. 图20分别给出了不同加载时刻下无孔和四种不同孔隙率下圆盘的应力分布、单元破裂状态以及破裂单元的连通情况. 这里所说的加载时刻由荷载比来定义, 所谓荷载比是指某种孔隙率下模型各个阶段实际施加的劈裂荷载与模型发生劈裂破坏时的最大荷载之比. 图20显示了荷载比5%、20%、50%、70%和100%时模型的破坏情况.计算模拟表明, 高拉应力和材料单元破坏总是首先出现在邻近加载端的表面上, 随后拉应力和单元破坏开始在试件内部扩展. 孔隙显著影响试件劈裂破坏时的应力分布、单元破坏方式以及破裂连通区的分布.对于无孔圆盘而言, 试件的应力和单元破坏对称分布. 拉应力区和破坏单元首先出现在加载端附近, 随后开始在试件内部由两端沿圆盘X 轴方向对称地向中心扩展. 劈裂过程中出中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第7期1037(a)(b)(c)鞠杨等: 岩石孔隙结构的统计模型1038(d)(e)图20 不同孔隙率岩石圆盘的劈拉应力分布、单元破坏状态与破裂单元的连通情况(a) 孔隙率0%的无孔圆盘; (b) 孔隙率3%的圆盘; (c) 孔隙率7%的圆盘; (d) 孔隙率15%的圆盘; (e) 孔隙率23%的圆盘. 第一种孔隙率情况下, 上、中、下排分别显示了试件表面、中间横截面以及中部纵向剖面的应力分布、单元破坏状态以及破裂单元的连通情况, 从左至右各个级段的荷载比依次为5%, 20%, 40%, 50%, 70%和100%现了两种类型的单元破坏方式, 即拉应力引起的破裂, 图中深红色区域所示, 以及拉应力引起的屈服, 图中的粉红色区域所示. 随荷载增大, 拉应力引起的单元破裂区按“沙漏”形状不断地扩展连通, 即表面破裂单元的连通速度高于内部单元, 这种扩展连通一直延续到试件中部的纵向剖面完全破坏, 试件劈裂成两部分. 图20(a)深红色和粉红色区域直观地显示了破裂单元和屈服单元的连通情况. 试件最终破坏时在表面形成一个较窄的对称于X 轴的破裂带. 观察表明: 无孔圆盘的单元破坏只有拉应力引起的破裂和屈服两种类型.孔隙率3%时, 在峰值劈裂荷载的30%以前, 高应力和破坏单元的出现与无孔圆盘的相类似. 但随荷载增加, 应力分布和单元破坏的对称性消失, 开始显现孔隙的影响. 材料单元的破坏方式仍然是拉应力引起的破裂和屈服两种. 拉应力引起的破裂单元分布逐渐远离圆盘中部的纵向剖面, 如图20(b)深红色区域, 破裂单元区逐个相互连通, 并非如无孔圆盘所观察到的中国科学E辑: 技术科学 2008年第38卷第7期由两侧逐步向中间扩展, 不再出现“沙漏”状的破裂连通区. 最终破坏时圆盘表面的破裂带不对称、粗糙且偏离表面中心轴. 图20(b)由拉应力引起的破裂区显示了这种破坏方式与无孔时的差别. 同样地, 伴随破裂区的发展, 试件中部的纵向剖面附近出现了不规则的由拉应力引起的塑性屈服破坏区.孔隙率7%时, 由于孔隙的影响, 当荷载增加至峰值劈裂荷载的20%时, 试件加载端附近就开始出现不对称的应力和单元破坏现象. 破坏单元连通和扩展的模式与孔隙率3%时的情形十分类似. 试件表面以及中间横截面上的粗糙破裂带的范围与孔隙率3%的相接近. 与孔隙率3%的情形相比, 一个显著的差别是由拉应力引起的粉红色的塑性屈服区的扩展范围明显增大, 如图20(c). 材料单元的破坏模式仍然是由拉应力引起的破裂和屈服两种类型.孔隙率达到15%时, 当施加的荷载小于峰值劈裂荷载的10%时, 试件加载端邻域开始出现了不对称应力和单元破坏现象. 与低孔隙率情况相比, 试件较大范围内出现了不对称应力和由拉应力引起的破裂连通区. 劈裂破坏发生时, 试件表面和中间横截面上破裂带的范围分布更宽、形状更粗糙. 这些特征体现了孔隙对应力分布和破坏规律的影响. 大孔隙率对材料性能的另一个显著影响是劈裂过程中部分单元出现了剪切失效, 如图20(d)中的绿色区域所示, 表明孔隙数量较多时部分孔隙周边出现了较大的剪应力, 这部分单元破坏可能是拉应力或剪应力作用的结果.孔隙率增至23%时, 同样, 试件荷载小于峰值劈裂荷载的10%时, 试件加载端邻域出现了不对称应力和单元破坏现象. 当荷载进一步增至峰值劈裂荷载的40%时, 与低孔隙率情况相比, 无论在试件表面还是在中间横截面上, 由拉应力引起的单元破坏, 包括破裂和屈服两种模式, 均占据了较大的面积. 当所施加的荷载接近峰值时, 破裂单元在中部纵向剖面内完全连通, 试件劈裂成两部分. 与此同时, 试件外表面和内部中间横截面出现了大面积的由拉应力引起的屈服区, 如图20(e). 这些特征均体现了孔隙对岩石劈裂力学性质的影响. 此外, 由于高孔隙率的影响, 该阶段更多的单元出现了剪切失效的现象. 单元破坏形式表现为拉伸与剪切共同作用的方式.除了影响材料内部的应力分布、单元破坏与失效机制外, 数值模拟还表明: 孔隙也直接影响岩石的强度. 孔隙率3%时模型劈裂破坏时的最大拉应力1.04 MPa; 孔隙率7%时该值降为0.97 MPa; 孔隙率15%时最大拉应力计算值0.82 MPa; 孔隙率23%时最大拉应力计算值0.76 MPa. 与无孔岩石介质劈裂破坏时的最大拉应力相比分别下降了11%, 17%, 30%和35%, 表明孔隙率的增加降低了岩石的劈裂抗拉强度.上述观测和分析表明: 孔隙显著影响孔隙岩石的应力分布、单元破坏方式、破裂单元的连通性质以及劈裂抗拉强度. 孔隙岩石劈裂过程中材料单元的破坏方式主要表现为拉应力引起的破裂和屈服, 当孔隙率达到15%时, 少量单元出现了剪切失效模式. 也就是说, 当孔隙率达到15%时, 材料单元破坏表现为拉伸与剪切共同作用, 而不仅仅是由拉应力引起的破坏. 显然, 这些性质不同于弹性理论假设岩石为无孔连续介质的计算结果, 这可以解释岩石劈裂抗拉强度实验值总是小于弹性理论值的原因. 此外, 所得到的破裂单元的连通情况及分布区域有助于分析孔隙岩石的连通性、浸透性以及多相流与孔隙相互作用的机制.1039。

流动模拟法预测三维孔隙介质的渗透率彭勃;韩宏学;李洁【期刊名称】《大庆石油地质与开发》【年(卷),期】2002(021)006【摘要】介绍一种通过岩心薄片预测渗透率的新方法.该方法首先对薄片图像进行分析,确定薄片孔隙度和自相关函数,然后应用地质统计方法建立三维孔隙介质模型,最后采用LATTICE-BOLTZMANN方法直接进行三维流动模拟,从而通过计算流体流量估计渗透率.经验关系式法预测的渗透率、流动模拟法预测的渗透率和实验室测量渗透率的对比结果表明,基于经验关系式的传统方法预测的渗透率和三维孔隙介质流动模拟的渗透率值表现出了相同的误差趋势,但流动模拟方案的渗透率值比经验关系式的渗透率值更符合实验室测量结果,条件流动模拟的结果比非条件流动模拟的结果稍好.【总页数】3页(P19-21)【作者】彭勃;韩宏学;李洁【作者单位】大庆油田有限责任公司,第四采油厂,黑龙江,大庆,163511;大庆油田有限责任公司,第四采油厂,黑龙江,大庆,163511;大庆油田有限责任公司,开发事业部,黑龙江,大庆,163453【正文语种】中文【中图分类】TE319【相关文献】1.四步法三维编织预制件的渗透率 [J], 吴晓青;李嘉禄2.速度异常测井:用声波-中子测井法或声波-密度测井法预测碳酸盐岩地层中孔隙类型和渗透率变化的工具 [J], Flavio;S.Anselmetti;Gregor;P.Eberli;孙占东;陈冬梅;李光云;3.三维裂缝预测与渗透率建模研究 [J], 刘卫丽;王秀娟;程洪亮;连晟;杨秀玲4.三维CFD模型预测热压作用下冷库门的冷风渗透率 [J], 何媛;南晓红5.三维非轴对称流动模拟中的极点特殊网格法研究 [J], 吴君棋;陆继东;胡芝娟;黄来因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。