[发明专利]一种定量表征岩石物质传输非均质性的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种定量表征岩石物质传输非均质性的数值模拟方法，包括以下步骤：针对目标岩石的裂缝分布特征，采用基于离散裂缝网络模型配合有限元数值求解方法对目标岩石的物质传输特征进行求解，并获得出口溶质浓度突破曲线；根据突破曲线的形态，采用多流域模型配合拟合算法对溶质浓度突破曲线进行拟合；如果拟合的过程中误差平方和较大，则视为目前所使用的流域模型无法匹配目标岩石的传输行为，则增加流域数目再次拟合；如果拟合的过程中误差平方和较小，则流域模型的模型参数可作为等效参数表征目标岩石的传输属性，流域数目以及各流域之间的差异可以表征岩石的非均质程度。有益效果：运算简单，适用性强，可以量化地层的传输特性。

技术领域

本发明涉及岩石物质传输非均质性的数值模拟表征方法,具体来说，涉及一种定量表征岩石物质传输非均质性的数值模拟方法。

背景技术

自从20世纪70年代以来，裂缝多孔介质内的化学溶质传输的研究引起了众多学者的兴趣，因为该方面研究涉及了众多自然界规律和工程实际应用，比如核废料处理、二氧化碳地质封存、地下水污染和处理、地热开发等等。众多实验和理论研究都已经证实一些内部非均质的岩石的存在非常强的“非傅里叶”传输行为，表现在出口的浓度突破曲线的长尾效应。

在不考虑岩石表面的吸附作用下，岩石内部化学溶质的传输行为主要是由两部分控制，一部分是基于一阶浓度梯度和流速加权的对流项，另一部分是基于二阶浓度梯度和扩散系数加权的扩散项。在裂缝多孔介质中，由于裂缝的渗透率比基质渗透率大得多，长尾效应通常是由于两个流域的不平衡导致的：以对流为主导的裂缝域和以扩散为主导的基质域。但是，在天然裂缝网络系统中，一方面，裂缝几何拓扑形态千变万化，另一个方面，在不同裂缝位置上，受地应力的影响，开度分布非均质性极强。这同时导致了裂缝系统的传输行为受多种因素控制，十分复杂。

目前，在宏观井场尺度上，由于场地实验开展不确定因素众多，难以排除其他地质因素以及人为因素的影响，通过实验测得系统传输属性十分困难，只能依靠数值模拟方法对突破行为进行模拟。另外，缺少一种对非均质性以及传输特性的整体定量表征的方法。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种定量表征岩石物质传输非均质性的数值模拟方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种定量表征岩石物质传输非均质性的数值模拟方法，包括以下步骤：

针对目标岩石的裂缝分布特征，采用基于离散裂缝网络模型配合有限元数值求解方法对所述目标岩石的物质传输特征进行求解，并获得出口溶质浓度突破曲线；

根据所述溶质浓度突破曲线的形态，选取合适的初值，采用多流域模型配合拟合算法对所述溶质浓度突破曲线进行拟合；

如果拟合的过程中误差平方和较大，则视为目前所使用的流域模型无法匹配目标岩石的传输行为，则增加流域数目再次拟合；

同时，如果拟合的过程中误差平方和较小，则流域模型的模型参数可作为等效参数表征目标岩石的传输属性，流域数目以及各流域之间的差异可以表征岩石的非均质程度。

进一步的，所述离散裂缝网络模型包括流动控制方程和物质传输控制方程。

进一步的，所述流动控制方程包括基质流动控制方程和裂缝流动控制方程；

所述基质流动控制方程为：；

其中，p为流体压力，k_m为基质渗透率，μ为流体压力，Q为源项；

所述裂缝流动控制方程为：；

其中，d_f为裂缝开度，k_f为裂缝渗透率，τ为沿裂缝方向。