储层岩石孔隙尺度的化学输运模拟

利用基于图像的模拟进行多孔介质中孔尺度化学输运的分析：方法、实现与应用


摘要

本文讨论了一种基于真实多孔介质结构的体内CT (microCT) 图像数据，使用高级图像处理软件 Simpleware 进行建模和分析，以深入理解流体通过可变尺度孔隙网络的行为。特别关注化学输运机制在岩石微尺度领域的重要性，本研究通过构建高质量三维模型，旨在为新的岩石物理解析提供有效工具。

引言

多孔介质中的传质过程在环境科学、油气工程和材料科学中具有深远影响。其中，化学输运过程不仅关乎物理化学机制的理解，还对流体在地质中的运动、扩散和反应有重要意义。为了更精细地探索这些过程，基于CT图像的真实多孔介质数据及其建模模拟成为研究前沿。




方法和实现

本研究项目的核心在于基于帝国理工学院提供的孔隙尺度模型（PERM）联盟的标准岩石CT图像库获取微CT数据，并通过图像处理和网格生成等技术进行建模。具体流程如下：

数据获取与图像预处理

在Simpleware ScanIP中，利用先进的图像处理技术和一系列视觉滤波器处理RAW微CT图像数据，精准转换为基 于三维体素的几何结构。此阶段针对CT扫描数据中存在的噪声进行精细处理，确保岩石和孔隙相的构造逼真且分 层清晰。这一步骤确保图像数据的质量和真实度，为后续分析和模拟奠定基础。

可视化与分割

使用Simpleware ScanIP的强大功能，将处理过的图像数据可视化，并进行精确分割。分割过程旨在清晰识别和标定每 一孔隙空间和连通构造，为下一步的网格生成做准备。

网格生成与模型优化

借助Simpleware FE模块的强大工具，生成用于多相流模拟的精细CFD网格。该过程不仅确保高质量的网格覆盖前述优化分割的孔隙网络，还在多个域内实现了稳定且高精度的应用。生成的网格在几何准确性和物理维度上体现了多孔介质的微尺度特性，为显著提高模拟的精度和准确度做出了贡献。

模拟与分析

网格模型随后导入至商用偏微分方程（PDE）求解器中，用于求解 NavierStokes 方程等关键公式，以模拟化学成分在真实孔隙网络中的输运过程。这一阶段涵盖了对绝对渗透率等基本参数的精确计算，为深入理解多种复杂的输运现象提供了可能，为岩石物理分析提供了强大的支持。

结果与讨论

本项目通过精准的图像处理与高级网格生成技术，生成了一套高质量的三维模型与稳定网格，展示了对多孔介质中化学输运过程模拟的高效与准确性。这一工作流程为分散、扩散及多相流动等领域的新岩石物理研究提供了宝贵的资产，具体性能与效果取决于所使用的计算资源。

结论

综上所述，基于真实多孔介质结构的数据建模与Simpleware软件的整合，显著提升了对化学输运机制在岩石孔隙网络中行为的解析能力。此技术的实现不仅修正了传统的岩石物理研究局限，还为岩石科学、地球科学和环保科学诸多领域的研究者提供了有力的工具，促进了跨学科合作与知识创新。

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