一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法及系统与流程

本发明涉及地热勘探开发技术领域，特别涉及一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法及系统。

背景技术：

地热资源是一种储量大、稳定性好的清洁可再生能源，对于节能减排、应对全球变暖、治理雾霾具有重大意义。然而，由于地热资源分布和地下水运移情况的不确定性，在进行地热资源开发利用之前，需对当地地下热流和水流情况进行有效分析和预测，以提高勘测精度、降低开发风险，从而降低地热开发利用全流程的时间投入和资金投入。

数值模拟是对地下热流和水流进行预测的重要手段之一，可用于在未进行大规模勘探之前对当地的地质情况进行初步摸底，所构建数值模型的仿真程度是决定摸底情况有效与否的关键因素之一。地下岩石同时存在两种特性：一种是渗透性，即流体在岩石中存在一定的流动性；另一种是孔隙性，即一定粒径的固体颗粒可在岩石中穿过。然而，目前在建模时，对地下岩石的处理方式主要有两种：一种是将岩石模型简化为具有一定孔隙度和渗透率的模型，但仅可通过流体，不可通过固体颗粒；另一种是将岩石模型简化为带有一系列孔道的固体密实模型，除孔道外均为不具备孔隙度和渗透率的实体，实体不可通过任何流体和固体颗粒。可见，以上两种模型仅能表征地下液-固物理作用的单一方面特性，在仿真程度上仍具有一定缺陷。

技术实现要素：

为了更真实地反映地下流体的运移特性，充分表征地下岩石既具有孔隙度(可通过某些固体颗粒)、又具有渗透率(可一定速率地通过流体)的物理属性，有必要对现有模型进行一定程度地融合与改进，本发明的目的在于提供一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法及系统，解决了目前地热流体-岩石作用仿真模拟精度低的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，采集研究地区对应岩层的岩石样品和流体样品；

步骤2，获取步骤1中得到的岩石样品的孔隙度、渗透率和平均孔径；获取步骤1中得到的流体样品中的固体成分占比、固体颗粒的平均粒径；

步骤3，根据步骤2中得到的岩石参数构建孔隙型岩石模型；根据流体参数构建流体模型；

步骤4，根据岩石模型和流体模型构建得到孔隙型可渗透岩石模型。

优选地，步骤2中，获取步骤1中得到的岩石样品的孔隙度、渗透率和平均孔径，具体方法是：

对步骤1中得到的岩石样品进行孔渗测试分析，获取岩石样品的孔隙度和渗透率；

利用气体吸附分析法获取岩石样品的孔径分布特征曲线，根据孔径分布特征曲线计算得到岩石样品的平均孔径。

优选地，步骤2中，获取步骤1中得到的流体样品中的固体成分占比和固体颗粒的平均粒径，具体方法是：

对采集的流体样品进行成分分析，获得流体样品中的固体成分占比；

并利用固体颗粒粒级分析法，确定流体样品中的固体颗粒的粒级分布规律，并根据固体颗粒的粒级分布规律计算得到流体样品中的固体颗粒的平均粒径。

优选地，步骤3中，根据步骤2中得到的岩石参数构建孔隙型岩石模型，具体方法是：

所述孔隙型岩石模型包括基质，所述基质上开设有呈矩阵式布置的多个孔道，所述孔道沿基质的任意一方向贯通；

根据岩石样品的可渗透性和孔隙特性，设定基质的孔隙度为0；孔道直径为岩石样品的平均孔径；

根据岩石样品的孔隙度和平均孔径，计算得到孔道的孔道间距；

根据岩石样品的渗透率计算得到基质的渗透率。

优选地，所述孔隙型岩石模型为l×l×l的立方体结构，其中，l＞10d，d为岩石样品的平均孔径。

优选地，步骤3中，根据流体参数构建流体模型，具体方法是：

所述流体模型包括固相流和液相流，其中，固相流包括若干个圆球模型，每个圆球模型的粒径分布规律与步骤2中所得的流体样品中的固体颗粒的粒级分布规律一致，且若干个圆球模型的平均粒径与流体样品中的固体颗粒的平均粒径一致；

所述固相流的占比与流体样品中的固体成分占比相同；

液相流的参数与流体样品的参数一致。

优选地，步骤4中，根据岩石模型和流体模型构建得到孔隙型可渗透岩石模型，具体方法是：

将岩石模型和流体模型导入流体计算软件，建立几何模型，该几何模型为孔隙型可渗透岩石模型。

一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟系统，该系统能够运行所述的一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法，包括数据采集单元、数据处理单元和建模单元，其中：

数据采集单元用于采集研究地区对应岩层的岩石样品和流体样品；

数据处理单元用于获取岩石样品的孔隙度、渗透率和平均孔径；获取流体样品中的固体成分占比、固体颗粒的平均粒径；

建模单元用于根据岩石参数构建孔隙型岩石模型；根据流体参数构建流体模型；根据岩石模型和流体模型构建得到孔隙型可渗透岩石模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法，在确定研究对象的基础上，采集该研究地区对应岩层的岩石样品和流体样品，并分别获取岩石样品和流体样品的相关参数，根据所测量的岩石参数和流体参数，确定孔道间距、基质渗透率等模型参数，分别构建岩石模型和流体模型，再根据岩石模型和流体模型构建得到孔隙型可渗透岩石模型；本发明涉及的岩石模型是一种同时考虑基质渗流特性和孔道堵塞情况的“蜂窝”岩石模型；且涉及的流体模型包括液相和固相两种不同相态；同时，将岩石模型和流体模型进行统一，能够高仿真地模拟地下水在采灌过程中的真实运移状态，为进一步的地下流体研究提供数据支撑和技术储备，在地热采灌分析阶段的勘探开发领域具有较好的推广意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了弥补孔隙型可渗透岩石有效建模方法的缺乏，本发明的目的在于提供一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法。本发明主要是在确定研究对象的基础上，采集对应地区和岩层的岩石样品和流体样品，岩石样品和流体样品应满足相关要求。其次，针对采集的岩石样品开展孔渗测试分析，获取岩石样品的孔隙度φ和渗透率k，并利用气体吸附分析手段，计算得到岩石的平均孔径d；针对采集的流体样品进行成分分析，确定固体成分占比a％，并利用固体颗粒粒级分析手段，确定其中固体颗粒的粒级分布规律。再次，根据所测量的岩石参数和流体参数，确定孔道间距l、基质渗透率km等模型参数，构建岩石模型和流体模型。最后，将岩石模型和流体模型导入流体计算软件，进行后续运算，为实际地质条件下地下流体的运移状态分析提供数据支撑和技术储备。

如图1、图2所示，下面结合参考附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明的一种孔隙型可渗透岩石的仿真模拟方法，包括以下操作步骤：

步骤1，确定研究对象，采集岩石样品和流体样品。

在确定某研究区和岩层为研究对象后，采集对应地区和岩层的岩石样品。采集样品时，尽量选取具有区域代表的岩石样品，可反映一定区域内岩性、微构造、物性参数等整体水平。岩石样品的尺寸应至少为5cm×5cm×10cm，以开展后续相关测试分析。同时，也应采集岩石附近的流体样品，流体样品采集量应至少为100ml，并确保在运输过程中不发生显著的成分污染。

步骤2，获取岩石和周围流体的基本参数。

对采集的岩石样品开展孔渗测试分析，获取岩石样品的孔隙度φ和渗透率k；并利用n2/co2等气体吸附分析手段，分析岩石的孔径分布特征曲线，并据此计算得到岩石的平均孔径d。同时，对采集的流体样品进行成分分析，确定流体样品中的固体成分占比a％；并利用固体颗粒粒级分析手段，确定流体样品中的固体颗粒的粒级分布规律，并据此计算得到流体样品中的固体颗粒的平均粒径d。依次记录上述参数，为建立岩石模型和流体模型奠定数据基础。

步骤3，根据岩石参数建立岩石模型。

为了更好地描摹岩石可渗透和具备孔隙等两种特性，可建立“蜂窝”模型，其中孔道2可令流体自由通过、但在一定程度上限制流体中固体颗粒通过，而基质1具备一定的渗流能力，可允许流体按达西定律通过、但阻止固体颗粒通过。

在“蜂窝”模型中，根据岩石样品孔隙度和平均孔径d，计算模型中孔道间距l：

即

另外，在“蜂窝”模型中，由于同时涉及基质1和孔道2两个部分，因此需将实际岩石的整体渗透率k转化为基质的渗透率km，计算公式为：

式中，k为岩石样品的渗透率，l为孔道间距，d为岩石样品的平均孔径，kfree为自由流体渗透率。据此，可得出模型中基质渗透率km。

利用上述求得参数，构建孔隙型岩石模型。岩石模型为l×l×l的立方体(l为＞10d的某一长度)，并在立方体内沿某一方向设置贯通孔道，孔道尺寸为孔道间距为l。基质模型孔隙度为0、渗透率为km；孔道为空白模型。

步骤4，根据流体参数建立流体模型。

鉴于流体中涉及液相和固相等两种相态，因此应在流体模型中同时考虑这两个部分。固相流4简化为一系列的圆球模型，其粒径分布规律与固体颗粒粒级分析结果一致，且平均粒径为d；液相流3则应与实测流体的相关参数一致。

步骤5，将岩石模型和流体模型导入流体计算软件，进行后续运算。

基于步骤3和步骤4中所构建的孔隙型可渗透岩石的固体模型和液-固两相流的流体模型，在ansys等软件中建立几何模型，并根据实际边界条件和作用情况，计算流体在孔隙型可渗透岩石中的运动状态，以为实际地质条件下地下流体的运移状态提供数据支撑和技术储备。

本发明弥补了孔隙型可渗透岩石的有效建模方法的缺乏，可提供一种同时考虑基质渗流特性和孔道堵塞情况的“蜂窝”岩石模型，并可将实际岩石参数转化为“蜂窝”岩石模型参数，也可提供一种考虑液相和固相等两种不同相态的流体模型，并将岩石模型和流体模型进行统一，高仿真地模拟地下水在采灌过程中的真实运移状态，为进一步的地下流体研究提供数据支撑和技术储备，在地热采灌分析阶段的勘探开发领域具有较好的推广意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明的实施范围，所以其等同组件的置换，或依本发明保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本发明涵盖的范畴。