[发明专利]基于微尺度重建模型的热-流-固多场耦合模拟方法

说明书

本申请公开了一种基于微尺度重建模型的热‑流‑固多场耦合模拟方法。该方法利用岩石微CT图像，基于重建的岩石孔隙尺度结构化网格模型，构建热‑流‑固三场耦合的数学模型，并通过数值模拟研究实现应力作用和温度变化对岩石孔隙结构演化和流动特性的预测。不同于传统宏观尺度的热‑流‑固耦合理论研究，本方法基于孔隙尺度的重建模型，从微观尺度深入揭示热‑流‑固多场耦合的相互作用机制。不仅有助于油气田开发过程中应力及温度参数对于开发效果影响的预测，同时，也能促进地下核废料处理、CO2封存以及地热开发等岩土工程领域内涉及多孔介质多场耦合问题的研究，更好的指导工程实践的开展。

技术领域

本发明涉及岩石物理技术领域，特别是涉及一种利用微CT图像，结合微尺度模型重建技术的岩石热-流-固多场耦合模拟方法。

背景技术

研究表明，自然界中的岩石作为一种强非均质性多孔介质，其中往往存在着气相、液相和固相相互作用的流-固耦合系统。流-固耦合系统对岩石的宏观物理力学特性及流体的输运特性起着重要的控制作用，同时这类流-固耦合系统也往往受控于自然界中温度变化的影响。大量工程实践表明：诸如石油天然气开发、地热能利用、CO2地质封存和水电及隧道等与岩石相关的工程领域的建设中，均存在着应力场、渗流场和温度场等多场耦合的相互作用、相互影响的动态过程，从而使得工程建设过程的影响因素更加复杂化。因此，开展岩石热-流-固耦合机理的深入研究更有助于工程实践的实际需求。

总体来看，基于已有的研究成果，目前岩石热-流-固耦合理论主要是基于Terzaghi有效应力原理和Biot三维土体固结理论的基础，通过对原始基本假设的修正，使方程更接近于真实的岩石赋存环境。然而，现阶段对于岩石热-流-固耦合理论的研究往往基于宏观的连续介质思想，将岩石骨架和孔隙流体当做一个连续体元来表征多孔介质，局限于宏观尺度，从而忽略了岩石中大量存在的复杂无序的孔隙结构对于岩石力学性能、流体输运特性和热力学性能的影响。而这些恰恰是开展岩石热-流-固多场耦合机理研究的基础。由于真实环境的岩石中，固体骨架和孔隙流体各自占有一定空间，并且骨架在外部环境的作用下发生变形，从而导致孔隙形状的不断改变；同时在多相流体赋存的情况下，流体物性与分布形态也时时变化。因此，本申请公布了一种基于岩石CT扫描图像，利用孔隙尺度重建模型开展岩石热-流-固多场耦合理论研究的数值分析方法。该方法分别建立骨架和孔隙的孔隙尺度结构化网格模型，能更好的从微观的角度揭示多孔介质中热-流-固相互作用机制，为与岩石相关的工程实践提供科学的技术指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微尺度重建模型的热-流-固多场耦合模拟方法。

为了达到上述目的，本申请采用下述技术方案来实现：

(一)以岩心微CT图像为基础数据，通过自主开发的模型重建算法构建孔隙尺度的结构化网格模型，分别构建固体骨架和孔隙流体的网格模型。

(二)在渗流力学和流-固耦合理论的基础上，通过引入与温度变化相关的参数对岩石变形与流体项进行修正，建立热-流-固耦合数学模型，作为后续数值模拟的控制方程。

(三)本方法采用双向耦合的计算方法，在重建的岩石骨架模型和孔隙结构模型上分别进行固体变形和流体场的求解，然后通过中间数据平台实现耦合变量的传递与求解控制。

(四)本方法中采用非耦合方程的形式进行求解，因此耦合效应的具体表现为：温度引起的热应变分别导致骨架模型和孔隙模型网格的变形与重新划分；骨架变形引起流体通道的改变，流体压力又导致骨架的变形；骨架的变形将影响温度场的分布情况，孔隙流体的流动以对流换热的形式改变骨架壁面处的温度，从而影响骨架的热传导。三者的相互影响通过在数值计算中不断的迭代收敛达到最终的平衡。

(五)由于本申请中采用的孔隙尺度模型，其物理尺寸较小，因此骨架模型上的温度梯度可以忽略不计，骨架与流体间的热传导也在极短的时间达到平衡，所以本方法主要研究不同温度对岩石变形与流体特性的影响。