数字岩石:多孔介质中的多相流模型

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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
  • Pöyry公司的TransAT ©CFD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

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Pöyry公司的TransAT CFD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TransAT 用户界面读取

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,TransAT基于Simpleware的STL文件重构了CFD网格。在Pöyry HPC集群下运行TransAT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 1283
  • 入口流速 = 1 m/s
  • 密度 = 1000 kg/m3
  • 粘度 = 1 cP

图:利用TransAT CFD软件得到样品中的压力场

使用Simpleware网格的TransAT模拟结果在下图中呈现,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。

图:利用TransAT CFD得到在岩石孔隙中的油气前缘传播

结论

Simpleware软件和Pöyry AMS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。


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