一种变孔隙度多孔介质构建方法与流程

本发明涉及多孔介质的构建，具体涉及一种变孔隙度多孔介质构建方法。

背景技术：

多孔介质是一种典型的复杂三维结构，具有连接孔隙，流体可以很容易地穿透其中。多孔介质问题常见于诸多工业应用领域，例如低渗透和特地渗透油气田开发、地下水利用、煤气层的开采以及金属材料的制备等。在地下水污染问题研究中，含水层中多孔介质通道形态特征对于地下水流流动和污染物的迁移过程有重要影响，如优先流现象、不同渗透性含水层之间的污染物扩散。多孔介质的微观结构导致了宏观性质的差异，如孔隙度大小、孔隙通道形态特征、颗粒间距等不同导致污染物在其中的移动、扩散及反应过程的差异。对于这类问题的研究，不同孔隙通道特征的多孔介质模型的构建和对其特征的描述十分关键。

多孔介质内的微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值被定义为多孔介质的孔隙度。孔隙度是影响多孔介质内流体容量和流体渗流状况的重要参量，孔隙度改变会导致孔隙通道形态变化，使得多孔介质中流体的流速分布以及溶质运移下浓度分布显著不同。变孔隙度多孔介质模型是开展此类研究的基础，准确构建符合真实情况的变孔隙度多孔介质模型十分关键。目前，对于不同孔隙度多孔介质模型的构建，往往直接采用两个独立模型。两个模型颗粒的数量、位置以及孔隙通道特征完全不同，导致了模型的结构差异较大影响了计算结果。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种变孔隙多孔介质构建方法，通过控制初始多孔介质中颗粒半径的增长来改变多孔介质模型的孔隙度，进而生成新的多孔介质的模型。另外，在预设多个目标孔隙度的情况下，可以构建以下列孔隙度不同的多孔介质模型，且其孔隙通道呈现不断缩减的变化过程。

技术方案：一方面，本发明公开了一种变孔隙度多孔介质构建方法，该方法包括：(1)生成初始模型：在区域内随机分布多个球状颗粒，生成多孔介质初始模型；(2)设定目标参数：确定多孔介质目标模型的目标孔隙度；(3)根据颗粒分布情况和目标孔隙度确定颗粒半径每次的增加长度；(4)改变孔隙度：保持初始模型中的颗粒球心坐标固定，游历区域内的所有颗粒，在原颗粒半径的基础上，逐一使得颗粒的半径增加相同长度，改变模型孔隙度；(5)生成目标模型：若在游历过程中的模型孔隙度达到目标孔隙度的要求，则结束游历，生成并输出目标模型；若一轮游历结束后的模型孔隙度未达到目标孔隙度的要求，则重复步骤(3)(4)继续构建。

进一步地，步骤(4)还包括，在颗粒半径增长后对其与相邻颗粒的接触状态进行判断，若该颗粒与相邻颗粒接触，则该颗粒的半径恢复至此次增长前大小，且在之后的游历中，保持该颗粒半径不变。

进一步地，若相邻颗粒的球心距离小于颗粒半径之和，则判定此次增长会导致颗粒接触。

进一步地，目标参数包括k个目标孔隙度，k为大于1的正整数，步骤(2)还包括对k个目标孔隙度从大到小进行排序，依次作为第一至第k个目标模型的目标孔隙度。

进一步地，本发明的构建方法还包括，以前一目标模型作为初始模型，根据后一目标模型的目标孔隙度，重复步骤(3)(4)(5)继续构造后一目标模型。

进一步地，后一目标模型构建过程中颗粒半径每次的增加长度不超过前一目标模型构建过程中颗粒半径每次的增加长度。

另一方面，一种包括计算机可执行指令的计算机可读存储介质，计算机可执行指令在执行时，使计算机系统执行变孔隙度多孔介质构建方法，该方法包括：(1)生成初始模型：在区域内随机分布多个球状颗粒，生成多孔介质初始模型；(2)设定目标参数：确定多孔介质目标模型的目标孔隙度；(3)根据颗粒分布情况和目标孔隙度确定颗粒半径每次的增加长度；(4)改变孔隙度：保持初始模型中的颗粒球心坐标固定，游历区域内的所有颗粒，在原颗粒半径的基础上，逐一使得颗粒的半径增加相同长度，改变模型孔隙度；(5)生成目标模型：若在游历过程中的模型孔隙度达到目标孔隙度的要求，则结束游历，生成并输出目标模型；若一轮游历结束后的模型孔隙度未达到目标孔隙度的要求，则重复步骤(3)(4)继续构建。

作为对上述计算机可读存储介质的进一步限制，步骤(4)还包括，在颗粒半径增长后对其与相邻颗粒的接触状态进行判断，若该颗粒与相邻颗粒接触，则该颗粒的半径恢复至此次增长前大小，且在之后的游历中，保持该颗粒半径不变；其中，若相邻颗粒的球心距离小于颗粒半径之和，则判定此次增长会导致颗粒接触。

作为对上述计算机可读存储介质的进一步限制，目标参数包括k个目标孔隙度，k为大于1的正整数，步骤(2)还包括对k个目标孔隙度从大到小进行排序，依次作为第一至第k个目标模型的目标孔隙度。

作为对上述计算机可读存储介质的进一步限制，构建方法还包括，以前一目标模型作为初始模型，根据后一目标模型的目标孔隙度，重复步骤(3)(4)(5)继续构造后一目标模型。

有益效果：与现有技术相比，根据本发明的多孔介质构建方法，在保持颗粒位置不变的情况下增长颗粒半径达到孔隙度减小的目的。此外，本发明的构建方法的构建过程可控，不同孔隙度多孔介质的通道特征之间具有关联，并且可通过具体的参数反映。

附图说明

图1为变孔隙度多孔介质构建方法的流程图；

图2为实施例中的初始模型以及构建出的三个变孔隙度模型二维平面图；

图3为实施例中构建出的变孔隙多孔介质模型的局部孔隙通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，利用本发明的变孔隙多孔介质的构建方法构建目标孔隙度分别为0.50、0.45、0.40的多孔介质模型，步骤如下：

(1)生成初始模型：在区域内随机分布多个球形颗粒，生成一个多孔介质初始模型pm0。经测算，该初始模型pm0的初始孔隙度为n0＝0.55，初始平均半径为r0＝0.001m，本实施例中初始模型的颗粒数量为343个。

(2)设定目标参数：根据构建需求，确定目标模型的数量以及对应的孔隙度大小nk。本实施例中，目标模型的数量设置为3个，对应的孔隙度大小分别为n1＝0.50，n2＝0.45，n3＝0.40，将上述孔隙度按照从大到小的进行排序，分别对应第一目标模型、第二目标模型和第三目标模型。

(3)根据颗粒分布情况和目标孔隙度nk确定颗粒半径每次的增加长度dk。在本实施例中设定第一目标模型的构建过程中，颗粒半径每次的增加长度d1设置为d1＝r0*1/500；第二目标模型和第三目标模型构建过程中颗粒半径每次的增加长度d2、d3依次减小，本实施例中分别取d2＝r0*1/500、d3＝r0*1/2500。

(4)改变孔隙度：保持初始模型pm0中的343个颗粒球心坐标固定，游历区域内的每个颗粒，在原颗粒半径的基础上，使每个颗粒的半径增加相同长度d1，改变模型孔隙度；每个颗粒半径改变后，计算该颗粒与相邻颗粒之间的球心距离，若相邻颗粒的球心距离小于颗粒半径之和，则判定此次增长会导致相邻颗粒接触，则该颗粒半径恢复至此次增长之前大小，且在之后的游历中，保持该颗粒半径不变，以此实现模型孔隙度的改变。

(5)生成目标模型：每个颗粒后，判定当前模型孔隙度是否小于第一目标孔隙度，若达到要求，则生成并输出第一目标模型；若改变后的模型孔隙度未达到目标孔隙度的要求，则重复步骤(3)(4)继续构建。

(6)在第一目标模型的基础上，即以第一目标模型作为初始模型，重复重复步骤(3)(4)(5)继续构造第二目标模型；同理，在第二目标模型的基础上，通过同样的方法可构建出第三目标模型。

根据本发明的构建方法构建的初始模型pm0、第一目标模型pm1、第二目标模型pm2、第三目标模型pm3如图2、3所示，各目标模型的颗粒球心均固定为初始模型的颗粒球心，通过改变颗粒半径实现多孔介质模型孔隙度的改变，使本发明的孔隙度变化过程可控。

本发明中权利要求中方法步骤的序号不作为对构建方法执行顺序的限制。本发明公开的实施例可采用计算机可用或计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，计算机可用或计算机可读存储介质具有具体实现在该介质中的供指令执行系统使用或结合指令执行系统使用的计算机可用或可读程序代码。