本发明专利技术涉及估计通过流体饱和或气体饱和的多孔固体的物质和场输运的过程的通量的方法。该方法包括通过但不限于X射线微断层摄影、3DNMR成像、根据岩石薄片分析的3D重建等，来获得三维多孔固体图像；通过连续应用图像滤波、分割以及多特性识别来对3D核心图像进行数字处理和形态分析，用以获得多孔固体样品的数字3D模型并且执行一组形态和几何的统计学特性分析。对于上述3D模型(多个模型)，利用数值解法在给定的边界条件下，(单独或组合地)对热量、质量、化学和电通量进行建模。利用随机场和随机几何理论来生成在统计学上等价于上述模型(多个模型)的新模型；针对所述新模型，模拟热量、质量、化学和电通量。基于以上实现，对所获得的通量进行平均以用于宏观计算。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及估计通过流体饱和或气体饱和的多孔固体的物质和场输运(transport)的过程的通量(flux)的方法。具体来说，本专利技术涉及三维多孔介质的热量、质量、化学以及电输运的计算。
技术介绍
多孔介质的宏观描述是基于两个基本假设连续介质近似，其忽略材料的微观结构并且假设物质在空间中连续分布；以及唯象(phenomenological)响应系数近似,其忽略材料的内部自由度并且假设材料作为具有特定响应系数(导热率、渗透率、导电率等)的非结构化体对外力(温度或压力梯度、电势等)作出响应。 因为宏观建模是许多工业和科学应用中的主要工具，因此微观建模常常被认为是用于估计宏观响应系数的辅助工具。然而，大量实验数据表明宏观模型存在不足。对于第一个示例，单相宏观流体输运模型是基于渗透系数。众所周知，大量的单相输运现象存在于渗透系数概念(热毛细、渗透的、格雷厄姆(Graham)、科林贝尔(Klinkenberg)以及其他效应)之外。对于第二个示例，多相流体输运模型是基于相渗透系数。许多观察到的输运现象表明该方法存在不足，并且微观过程是重要的(相渗透率迟滞、交叉项效应、液体润滑效应、毛细管数影响等)。美国专利6516080描述了估计三维多孔介质的期望的物理特性的数值方法，所述期望的物理特性选自由流体流动特性、电气特性、弹性特性、渗透率、导电率以及弹性波速组成的组。根据该方法，通过统计学手段由实验二维图像重建三维模型；使用Navier-Stokes方程的数值解法、或Lattice-Boltzmann流量模拟法、或任何有限元数值解法,来计算特性。该专利的局限性如下该专利致力于获取宏观特性而未验证这些特性；没有提及可能的多相和热效应；没有提及可能的流体非牛顿流变；没有提及可能的流体-流体(像气体-冷凝)以及流体-固体(像从油中析出蜡、从水溶液中析出盐)的相变；没有提及可能的表面活性剂的影响(像润湿性或界面张力的改变)；没有提及可能的地球化学的影响(像粘土渗吸)；没有提及可能的化学反应。这些示例证明存在许多显著影响通过饱和多孔固体的输运的现象；并且无法先验地确定，在现实条件下所考虑的材料能够由某个标准宏观连续介质模型充分地描述。微观模型能够提供宏观描述以外的大量信息。它能够验证宏观模型，或显示出宏观模型的局限性，或者甚至能够显示出宏观模型的不适用性。现代计算设施提供了直接使用多孔固体的微模型以在给定的外部条件下计算热量、质量、化学以及电通量的可能性。通过统计学手段能够归纳该数据以用于大规模的输运建模。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于计算三维多孔介质的热量、质量、化学和电输运的方法。该方法包括通过但不限于X射线微断层摄影、3D NMR成像、根据岩石薄片分析的3D重建等，来获得三维多孔固体图像；通过连续应用图像滤波、分割以及多特性识别来对3D核心图像进行数字处理和形态分析，用以获得多孔固体样品的数字3D模型并且执行一组形态和几何的统计学特性分析；对于上述3D模型(多个模型)，利用数值解法在给定的边界条件下，(单独或组合地)对热量、质量、化学和电通量进行建模，该数值解法基于统计学多体问题方法并且考虑了系统的熵或亥姆霍兹能的函数式。该建模(单独或组合地)涵盖纯物质或多组分混合物的具有或不具有相变的单相饱和或多相饱和，具有或不具有与固体自身的化学相互作用，具有牛顿或非牛顿流变，具有或不具有表面活性剂，具有同质或异质润湿性，具有或不具有化学反应的热物理学、化学以及电磁现象；利用随机场和随机几何理论来生成在统计学上等价于上述模型(多个模型)的新模型；针对新模型，模拟热量、质量、化学和电通量；基于以上实现，对所获得的通量进行平均以用于宏观计算；可以检查现有的宏观模型 对于所获得的通量的适用性，并且随后根据肯定的结果，可以估计对应的宏观系数。然而在否定结果的情况下，将直接利用通量对于边界条件的依赖性。附图说明图IA是多孔固体样品的3D X射线微断层摄影图像的单个2D切片的示意图。图IB在孔空间和岩石识别之后图IA的示意性二进制索引图像视图。图2是示出岩石(白色)和空洞(黑色)的空间分布的3D模型的示意图。图3是示出在压力梯度等于50bar/m下，水和碳氢化合物流体的相速度作为水饱和度的函数的曲线图。具体实施例方式本专利技术以下所阐述的优选实施例并非旨在限制所要保护的专利技术。在本专利技术的实施例中，获得多孔固体样品的3D X射线微断层摄影图像(参见图1A)。随后，执行微断层摄影图像的处理，这有助于识别具有不同矿物成分的孔和颗粒(grain)。图IB中示出孔空间和岩石识别的结果。对在先步骤中构建的3D模型的统计学特性进行分析。这能够有助于生成统计学上与初始3D模型的部分相同的3D对象(参见图2的示例)。随后，对通过3D模型的油水混合物的输运进行模拟。可以考虑两种情况。在情况I中，两个流体均是牛顿流体。在情况2中，水是牛顿流体，而油是非牛顿流体。要强调的是，在情况2中，油的相渗透率是不存在的，因为无法定义油的粘度。对于以下不同参数的数值进行该模拟流体特件:情况I :水具有牛顿流变，碳氢化合物流体具有牛顿流变。水Pw = 1000kg/m3、mw = 18kg/m3、μ sw = 0. OOlPa · s、μ = 0. IPa · s碳氢化合物流体Ph = 800kg/m3、mh = 100kg/m3、μ sh = 0. 003Pa · s、μ vh =0. IPa · s水-碳氢化合物流体界面的表面张力σ wh = 0. 022N/m情况2 水具有牛顿流变，碳氢化合物流体具有非牛顿流变，即碳氢化合物流体是剪切增稠，也称作胀流性(dilatant)。在该情况下，无法定义宏观相渗透率。水Pw = 1000kg/m3、mw = 18kg/m3、μ sw = 0. OOlPa · s、μ = 0. IPa · s碳氢化合物流体Ph = 800kg/m3、mh = 100kg/m3、kh = 0. 003Pa · sn、nh = I. I水-碳氢化合物流体界面的表面张力σ wh = 0. 022N/m其中P w-水质量密度；P h-碳氢化合物流体质量密度；mw-水摩尔质量；mh-碳氢化合物流体摩尔质量；μ sw，μ 分别为水的剪切和体积粘度；μ sh，μ vh_分别为碳氢化合物流体的剪切和体积粘度；khPa · Sn-碳氢化合物流体稠度指数；nh-碳氢化合物流体稠度幂(power)；多孔固体的特件:岩石是均匀水湿的，接触角是25°。边界条件:由等于50bar/m的宏观压力梯度来驱动流体流动。将在先步骤中获得的通量平均到所生成的3D微模型上。该结果在图3中示出。权利要求1.一种用于计算三维多孔介质的热量、质量、化学和电输运的数值方法，所述数值方法包括 获得所述三维多孔介质的样品的三维多孔固体图像； 通过连续应用图像滤波、分割以及多特性识别来对所述3D多孔固体图像进行数字处理和形态分析，用以获得所述样品的数字3D模型并且执行一组形态和几何的统计学特性分析； 对于所述3D模型，利用数值解法在给定的边界条件下，单独或组合地对热量、质量、化学和电通量进行建模，该数值解法基于统计学多体问题方法并且考虑了系统的熵或亥姆霍兹能的函数式； 利用随机场和随机本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：S·S·萨福诺夫，O·Y·迪纳利夫，N·V·叶夫谢耶夫，
申请(专利权)人：普拉德研究及开发股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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