毕业设计（论文）-数字岩心孔隙结构的分形性质.doc

学号：201006476 毕业论文(设计) 题目名称： 数字岩心孔隙结构的分形性质 题目类型： 研 究 论 文 学生姓名： 院 (系)： 物理科学与技术学院 专业班级： 物理10703 指导教师： 辅导教师： 时 间： 2011年1月至2011年6月 目 录毕业论文（设计）任务书I毕业论文（设计）开题报告毕业论文（设计）指导教师审查意见毕业论文（设计）评阅教师评语毕业论文（设计）答辩会议记录中文摘要英文摘要1 绪论11.1分形的定义11.2研究目的及意义31.3国内外研究现状51.4 CT扫描建立数字岩心的方法61.5论文研究的主要内容82 数字岩心样品及岩心的三维图像重构及孔隙结构评价函数82.1数字岩心样品及岩心的三维图像重构8 2.2孔隙长度及体积的汁算方法112.3连通孔隙体积比122.4孔隙尺寸分布函数122.5局部孔隙度分布函数132.6局部渗流概率函数143 数字岩心孔隙相和固体相结构的分形表征153.1弯曲毛细管的迂曲度分维153.2数字岩心表征单元体尺寸分析153.3确定孔隙相和固相的豪斯道夫维数和自相似区间164 数字岩心的孔隙度和渗透率184.1数字岩心渗透率的分形理论184.2 预测数字岩心的孔隙度和固相的体积分数194.3预测数字岩心的渗透率205 结束语21参考文献22致谢24长江大学毕业论文 (设计)任务书学院（系） 物理科学与技术学院 专业 物理学 班级 物理0703班 学生姓名 李俊杰 指导教师/职称 赵明教授 1. 毕业论文 (设计)题目：数字岩心孔隙结构的分形性质2.毕业论文（设计）起止时间：2011年1月10日20011年6月10日3毕业论文 (设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1YU B M. Analysis of Flow in Fractal Porous MediaJ. Appl. Mech. Rev., 2008,61: 050801.2TOMUTSA L, SILIN D, RADMILOVIC V. Analysis of chalk petrophysical properties by means of submicron-scale pore imaging and modelingJ. SPE Reservoir Evaluation & Engineering, 2007,10: 285-293.3SILIN D, PATZEK T. Pore space morphology analysis using maximal inscribed spheresJ. Physica A, 2006, 371: 336-360.4FREDRICH J T, MENENDEZ B,WONG T F. Imaging the pore structure of geomaterialsJ. Science, 1995,68: 276-2795ARNS C H, BAUGET F, LIMAYE A. Pore-scale characterization of carbonates using X-ray microtomographyJ. SPE Journal, 2005, 10(4):475-484, 6ADLER P M, JACQUIN C G, QUIBLIER J A. Flow in simulated porous mediaJ. Int . J. Multiphase Flow , 1996 , 16(4) : 169-7127ADLER P M, JACQUIN C G, THOVERT J F. The formation factor of reconstructed porous-mediaJ. Water Resources Research, 1992,28: 1571-15768HAZLETT R D. Statistical characterization and stochastic modeling of pore networks in relation to fluid flowJ. Mathematical Geology, 1997, 29(4):801-822.9BRYANT S, BLUNT M. Prediction of relative permeability in simple porous mediaJ. Physical Review A, 1992,46(4): 2004-2012.10OKABE H, BLUNT M J. Prediction of permeability for porous media reconstructed using multiple-Point statisticsJ. Physical Review E, 2004, 70:l-10.4毕业论文 (设计)应完成的主要内容1）利用指导教师提供的数字岩心数据，对若干岩心样品进行三维数值重建；2）研究数字岩心的孔隙相与固相的尺寸分布维数，及其与孔隙度的关系；3）研究数字岩心密度-密度相关函数与局域孔隙度的相互关系；4）通过数值计算，得到数字岩心孔隙相的多重分形谱。 5毕业论文 (设计)的目标及具体要求 目标：通过毕业论文的撰写，掌握毕业论文撰写的技巧和方法，培养自学能力和综合运用所学知识独立分析和解决问题的能力，培养和提高创新意识和实践能力，获得科学研究的基础训练。具体要求：1) 了解论文的写作规范，学会一种数学作图软件；2) 收集文献资料，了解国内外数字岩心研究的现状； 3) 论文要结构严谨、层次分明、无科学性错误；4) 论文要有所创新，有一定的学术水平和实际意义；5) 论文格式要规范，装订符合要求；6) 毕业设计期间应严格遵守学校的各项规章制度，保证论文的写作时间。6、完成毕业论文 (设计)所需的条件及上机时数要求1）与课题相关的参考文献与书籍；2）计算机编程软件VCF；3）上机学时120学时以上。任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） III长江大学毕业设计(论文)开题报告题 目 名 称 数字岩心孔隙结构的分形性质 学 院（系） 物理科学与技术学院 专 业 班 级 物理10703 学 生 姓 名 李 俊 杰 指 导 教 师 赵 明（副教授） 辅 导 教 师 赵 明（副教授） 开题报告日期 2011年3月24日 数字岩心孔隙结构的分形性质 学 生：李俊杰，长江大学，物理科学与技术学院 指导老师：赵 明，长江大学，物理科学与技术学院一. 题目来源指导老师的科研项目二. 研究目的和意义众所周知，储层的许多宏观性质(如渗透率、毛管压力等)均取决于它的微观结构和组成它的固体及其孔隙空间中流体的物理性质，即岩石的微观结构、岩石及流体的性质是根本，宏观性质、现象是表象。因此，要实现大幅度提高原油采收率的开发目标，其理论研究和技术开发不能仅停留在宏观层次上而必须深入石油的储集、运移空间多孔介质内部，从微观层面上开展研究。只有通过对多孔介质内部决定流体宏观流动现象的本质问题开展研究(如孔隙空间的发育规模、空间分布对流体渗流的影响，流体在其中的分布规律、相互作用机理等)，才能从根本上认识微观与宏观的联系，也只有在此基础上才能真正找到研究提高原油采收率技术的正确方向和应该采取的技术手段，从而为现场生产提供有力的技术指导。以往，多孔介质中流体渗流的微观机理大多通过实验来定性研究，因此，研究得到的渗流理论实际仍停留在宏观尺度上，很多微观机理均无法考虑。为对微观尺度上的渗流问题进行定量描述，近年来，国内外学者在该领域开展了大量研究，归结而言，研究思路主要有以下两类：一、以数字岩心为基础，采用格子子Boltzman方法进行流动模拟；二、以孔隙网络模型为基础，根据所研究的问题定义具体的流动规则进行流动模拟。可见，微观渗流理论研究都是以数字岩心或孔隙网络模型为平台开展的，由于多孔介质的孔隙形态及空间分布对流体在其中的分布、运移等均产生极为重要的影响，因此，数字岩心及孔隙网络模型能否较好的反映真实岩心孔隙空间特征将直接决定以它们为基础开展的微观渗流研究所得结果是否具有实际意义。所以，以数字岩心为基础对微观渗流规律的研究，为在微观尺度上开展提高原油采收率技术的研究奠定坚实的基础。因此，本课题研究具有重要的理论意义和实际应用价值。三阅读的主要参考文献及资料名称1YU B M. Analysis of Flow in Fractal Porous MediaJ. Appl. Mech. Rev., 2008,61: 050801.2TOMUTSA L, SILIN D, RADMILOVIC V. Analysis of chalk petrophysical properties by means of submicron-scale pore imaging and modelingJ. SPE Reservoir Evaluation & Engineering, 2007,10: 285-293.3SILIN D, PATZEK T. Pore space morphology analysis using maximal inscribed spheresJ. Physica A, 2006, 371: 336-360.4FREDRICH J T, MENENDEZ B,WONG T F. Imaging the pore structure of geomaterialsJ. Science, 1995,68: 276-2795ARNS C H, BAUGET F, LIMAYE A. Pore-scale characterization of carbonates using X-ray microtomographyJ. SPE Journal, 2005, 10(4):475-484, 6ADLER P M, JACQUIN C G, QUIBLIER J A. Flow in simulated porous mediaJ. Int . J. Multiphase Flow , 1996 , 16(4) : 169-7127ADLER P M, JACQUIN C G, THOVERT J F. The formation factor of reconstructed porous-mediaJ. Water Resources Research, 1992,28: 1571-15768HAZLETT R D. Statistical characterization and stochastic modeling of pore networks in relation to fluid flowJ. Mathematical Geology, 1997, 29(4):801-822.9BRYANT S, BLUNT M. Prediction of relative permeability in simple porous mediaJ. Physical Review A, 1992,46(4): 2004-2012.10OKABE H, BLUNT M J. Prediction of permeability for porous media reconstructed using multiple-Point statisticsJ. Physical Review E, 2004, 70:l-10.11WU K, DIJKE M I J V, COUPLES G D, et al. 3D stochastic modelling of heterogeneous porous media applications to reservoir rocksJ. Transport in Porous Media, 2006, 65(3): 443-46712XU Y S, LIU Y, HUANG G X. Using Digital Imaging to Characterize Threshold Dynamic Parameters in Porous Media Based on Lattice Boltzmann MethodJ. Chin. Phys. Lett., 2004, 21: 2454245713MANWART C, ALTOSALMI U, KOPONEN A, et al. Lattice-oltzmann and finite-difference simulations for the permeability for three dimensional porous mediaJ. Physical Review E, 2002, 66:doi:10.110314LIU C F, NI Y S. The fractal roughness effect of micro Poiseuille flows using the lattice Boltzmann methodJ. International Journal of Engineering Science, 2009, 47:660-66815LINDQUIST W B, LEE S M, COKER D, et al. Medial axis analysis of void structure in three-dimensional tomographic images of porous mediaJ. Journal of Geophysical Research, 1996,101(B): 8297.16蒋海岩, 袁士宝, 陶军. 流体在多孔介质仿真模型内的粘性指进研究J. 大庆石油地质与开发，2007 ，26（2):8386 17赵明，张端明，郁伯铭. 多孔介质粘滞指进中的毛细效应J. 华中理工大学学报，1998, 26:596118屈世显，种建华，冯延春，罗俊.粘性指进现象的分形研究J. 西安石油学院学报，1994, 9 (4):606419李贺丽，李怀恩，王智，史文娟. 多孔介质中指流的研究综述及展望z.土壤，2008，40( 1 ):2733 20袁士宝 , 雷光伦 , 张建国 , 陈月明 , 陶军. 利用多孔介质计算机仿真模型研究粘性指进z. 中国学术期刊电子杂志出版社 ，2006, 13 (5):5962四国内外现状和发展趋势以及研究的方向根据模型的自身特点，迄今，储层孔隙空间的所有三维模型可划归两类：数字岩心和孔隙网络模型，数字岩心建模方法可分为两大类：物理实验方法和数值重建方法。物理实验方法均借助高倍光学显微镜、扫描电镜或CT成像仪等高精度仪器获取岩心的平面图像，之后对平面图像进行三维重建即可得到数字岩心；数值重建方法则借助岩心平面图像等少量资料，通过图像分析提取建模信息，之后采用某种数学方法建立数字岩心。(1)物理实验方法建立数字岩心用以建立数字岩心的物理实验方法主要有序列成像法、聚焦扫描法和CT扫描法。序列成像法建立数字岩心的基本过程如下：将准备好的岩样抛光得到平整的岩样面，用高倍显微镜拍摄岩样抛光面获取岩心微观结构图像；平行于抛光面切除一层岩样薄片，将切割后的岩样面做抛光处理并用显微镜取像：重复切割、抛光、取像的实验过程直至获得一定数量的岩心图像为止；最后，将得到的实验图像分离、组合即可得到数字岩心。(2)数值重建方法建立数字岩心数值重建法通常以岩心切片图像为基础借助各种不同的统计方法或模拟岩石的形成过程来建立数字岩心。迄今已发展了多种重建方法，比较典型的有高斯模拟法、模拟退火法、过程模拟法、多点统计法和马尔可夫随机重建法。本课题基于上述重建方法所得数值岩心三维数据，重点研究数字岩心三维孔隙结构的分形性质，包括：利用指导教师提供的数字岩心数据，对若干岩心样品进行三维数值重建；研究数字岩心的孔隙相与固相的尺寸分布维数，及其与孔隙度的关系；研究数字岩心密度-密度相关函数与局域孔隙度的相互关系；通过数值计算，得到数值岩心孔隙相的多重分形谱。五研究内容，需要重点研究的关键问题及解决思路 研究内容：1. 利用指导教师提供的数字岩心数据，对若干岩心样品进行三维数值重建。2. 研究数字岩心的孔隙相与固相的尺寸分布维数，及其与孔隙度的关系。3. 研究数字岩心密度-密度相关函数与局域孔隙度的相互关系。4. 通过数值计算，得到数字岩心孔隙相的多重分形谱。 需要重点研究的关键问题：对若干数字岩心样品的孔隙结构进行三维数值重建。 解决思路：提出一个孔隙结构的三维数字重建的算法，并通过CVF编程实现。六完成毕业论文所须具备的工作条件及解决办法。工作条件：需各种与课题相关的文献，计算机以及相关软件、各种数字图书馆。解决办法：1、在校图书馆及其它各种数字图书馆查阅与课题有关的文献。2、网上查找和搜索与课题相关的论文及期刊资料，以了解国内外这方面的发展趋势及方向。3、计算机由物理学院计算机房提供。4、相关软件由指导教师提供。七、工作的主要阶段、进度与时间安排3月01日3月03日 完成英文翻译，送给指导老师修改3月04日3月11日 指导老师讲解有关课题相关知识3月12日3月18日 完成开题报告，送给指导教师审阅3月19日3月24日 准备开题报告与开题报告答辩3月25日4月2日 查阅参考文献，要作好阅读笔记4月3日4月10日 探讨分形理论在孔隙网络建模理论与方法中的应用4月11日4月18日 提出孔隙网络的分形模型4月19日4月26日 利用上述模型探讨单相流体在多孔介质中的流动4月27日4月30日 完成写作提纲，写出论文初稿5月01日5月15日 根据指导老师意见，完成修改论文第一稿5月16日5月31日 再次修改论文并定稿，总字数达到一万五千字6月01日6月06日 由定稿的论文用PowerPoint制作论文答辩幻灯片6月07日6月10日 根据指导老师意见，完成幻灯片修改并定稿6月11日6月15日 毕业论文答辩八、指导教师审查意见 指导教师签名： 2011.3.20长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名李俊杰专业班级物理10703毕业论文(设计)题目数字岩心孔隙结构的分形性质指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名李俊杰专业班级物理10703毕业论文(设计)题目数字岩心孔隙结构的分形性质评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名李俊杰专业班级物理10703毕业论文(设计)题目数字岩心孔隙结构的分形性质答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)数字岩心孔隙结构的分形性质学 生：李俊杰，长江大学，物理科学与技术学院 指导老师：赵 明，长江大学，物理科学与技术学院 摘要 岩石的孔隙空间具有良好的分形特征, 孔隙结构的分形维数可以描述孔隙结构的复杂程度和非均质性。微观孔隙尺度上研究流体在多孔介质中的流动是揭示其流动机制、获得新认知的重要途径，是多孔介质流动模拟领域目前国际学术界研究的热点。首先，依据岩心切片或粒度组成曲线等岩心资料，系统研究了CT扫描法、模拟退火法和过程模拟法建立数字岩心的理论与方法，建立了人造岩心、砂岩和碳酸盐岩等岩样的数字岩心。本文基于多孔介质孔隙结构的分形理论，对9种数字岩心样品的孔隙相和固体相结构进行了分形表征。在此基础上，对9种数字岩心样品的孔隙度、体积分数和渗透率进行了预测。数字岩心和孔隙网络模型为微观尺度上开展多孔介质的流动模拟构建了基础研究平台，具有重要的科学意义、学术价值和应用前景。XIII关键词 数字岩心；分形表征；孔隙结构；渗透率；最大孔隙尺寸；孔隙网络模型The Fractal Nature of the Pore Structure for Digital CoresCandidate: Li Junjie, School of Physical Science and TechnologySupervisor: Zhao Ming, School of Physical Science and TechnologyAbstract There is fractal property in reservoir rocks, and the fractal dimension can describe quantitatively the complexity and the heterogeneity of pore structure. To perform pore-scale study, it is first necessary to construct the research platform，numerical rock and pore networkTo perform pore-scale study, it is first necessary to construct the research platform, numerical rock and pore network. Therefore，we conducted an all-round study in the field of modelbuilding for both of themWe first prepared the input data for numerical rock construction,which include micro-CT images，grain size distribution curves，etcThen, we studied the modelbuilding methodologies of both CT scanning，simulated annealing and process based simulationWith these methods，we constructed numerical rocks for our selected rock samples including a sand pack, two sandstone samples and one carbonate sampleIn this paper, based on the fractal theory about pore structures for porous media, the fractal characterization of pore structure for nine numerical rocks is studied. The porosities, volume fractions and permeabilities of nine numerical rocks are predicted. projectNumerical rock and pore network work as the fundamental research platform for all the pore-scale study of flow through porous media，and thus they have important scientific and academic value as well as promising application prospect Keywords numerical rock; fractal characterization; pore structure; permeability; maximum pore size ；pore networkXV绪论第 1 页 共 24 页绪论数字岩心孔隙结构的分形性质1绪论1.1分形的定义分形（fractal）这个名词是Mandelbrot在20 世纪70 年代为了表征复杂图形和复杂过程首先引入自然科学领域的，它的原意是不规则的、支离破碎的物体。分形可以分为规则分形和不规则分形。在分形名词使用之前，一些数学家就提出过不少复杂和不光滑的集合，如Cantor 集、Koch 曲线、Sierpinski 垫片、地毯和海绵等。这些都属于规则的分形图形，它们具有严格的自相似性。而自然界的许多事物所具有的不光滑性和复杂性往往是随机的，如蜿蜒曲折的海岸线；变换无穷的布朗运动轨迹等。这类曲线的自相似性是近似的或统计意义上的，这种自相似性只存在于标度不变区域，超出标度不变区域，自相似性不复存在。这类曲线为不规则分形。图1 分形海岸线 图2 分形树迄今为止，分形还没有一个严格的定义。1982 年Mandelbrot 将分形定义为Hausdorff（豪斯道夫）维数大于拓扑维数的集合。此定义强调维数，而其中的豪斯道夫维数一般不是整数，下面将介绍如何计算它。这里需要简单介绍拓扑维数。拓扑学是研究可以连续变化的图形的学科，而几何学是研究刚性图形的学科。在几何学中圆和正方形是不同的，但在拓扑学中两者是等价的，因为它们可以连续地相互变换，并且它们都将平面上的点分成三个集合：图形内、图形外和图形上的三个集合，所以它们具有共性。类似地，一条十分曲折但连续的折线和一条直线是等价的，因为它们可以连续地相互变换，而且两者的拓扑维数都是 1。下面我们将结合具体的规则分形的实例说明分形的这个定义。1986 年Mandelbrot 给出了一个更广泛、更通俗的定义：分形是局部和整体有某种方式相似的形（A fractal is a shape made of parts similar to the whole in some way）。该定义强调图形中局部和整体之间（包括小的局部和大的局部之间，如下面的DLA 模型产生的图形中小枝杈和大枝杈）的自相似性。除了几何图形，还可以研究相空间中的轨迹等图形的自相似性，即动力学过程的自相似性。这种自相似性应该有若干层次，其尺度的变化应该尽可能大（规则分形数学上应该有无限多层次、尺度的变化可以无限大）。分数维（Fractal dimension）是分形理论最重要的概念之一。它是分形事物自相似性和标度不变性在数学上的必然表现。欧几里德几何学描述的几何对象都具有规则的、光滑的表面，这类事物的几何维数都为整数，例如直线的维数为1，平面的维数为2，球的的维数为3等。但对于分形几何对象，由于其表面的无限复杂自嵌套结构，其维数不再为整数。豪斯道夫于1919年提出了一种维数的一般表示方法，他的方法取决于标度（Scaling）的概念。标度可以理解为测量几何对象几何尺寸的尺度，例如我们测量一个长度为L的线段，测量的标度为b，测量的次数为N，则应有 L=bN，如改变标度b，则应有关系 (1)如测量面积为A的正方形，其标度为边长为b的小正方形，测量次数为N，有A=bN，如改变标度b，则应有关系 (2)同理，对于球体，可用标度为的小球测量其体积，应有 (3)从上可以看出，在欧几里德几何学中，测量结果与标度b成指数关系，其指数即为相应几何对象欧几里德空间维数的负值。但对分形几何对象比如海岸线，则(1)式不再成立, 因为随着标度的减小，能不断测出标度b较大时被漏掉的精细结构，所有要更多的小线段来近似海岸线，此时(1)式中的指数绝对值将大于1（小于2）。一般的，对几何对象A，用标度b去测量，如有关系 (4)则我们把上式中称为豪斯道夫维数，它可以是整数，也可以是分数。图3 Koch曲线的前三级我们考察如图1-3所示科赫曲线，它是海岸线的一个较好近似，其具体构造方法是：把一条直线分为三等分，将中间一段用夹角为60的两条等长线段代替，形成一个生成元(Generator)，然后再把每一线段用生成元代替，经无穷多次迭代后就呈现出一条无穷多弯曲的科赫曲线。根据豪斯道夫维数的定义，显然这里，式中k为迭代阶数 ,则科赫曲线的豪斯道夫维数为： (5)显然科赫曲线的豪斯道夫维数为大于1的非整数，它描述了科赫曲线的复杂程度。分形和分维描述的事物是多种多样和千变万化的，由于侧重点不同，分维可以有多种形式。目前分形理论正在迅速发展，广义维数和广延维数的提出拓展了分维的概念；多重分形理论可以了解分形体形成过程中局域条件的作用；分形子的引入使得人们能更加深入的研究分形动力学；小波变换的应用给人们确定复杂分形体局部分维（局域标度指数）的空间分布提供了有力的数学工具。总之，分形理论至诞生之日起就日益显示出它的重要性，正焕发出无穷的生命力。12研究目的及意义众所周知，储层的许多宏观性质(如渗透率、毛管压力等)均取决于它的微观结构和组成它的固体及其孔隙空间中流体的物理性质，即岩石的微观结构、岩石及流体的性质是根本，宏观性质、现象是表象。因此，要实现大幅度提高原油采收率的开发目标，其理论研究和技术开发不能仅停留在宏观层次上而必须深入石油的储集、运移空间多孔介质内部，从微观层面上开展研究。只有通过对多孔介质内部决定流体宏观流动现象的本质问题开展研究(如孔隙空间的发育规模、空间分布对流体渗流的影响，流体在其中的分布规律、相互作用机理等)，才能从根本上认识微观与宏观的联系，也只有在此基础上才能真正找到研究提高原油采收率技术的正确方向和应该采取的技术手段，从而为现场生产提供有力的技术指导。以往，多孔介质中流体渗流的微观机理大多通过实验来定性研究，因此，研究得到的渗流理论实际仍停留在宏观尺度上，很多微观机理均无法考虑。为对微观尺度上的渗流问题进行定量描述，近年来，国内外学者在该领域开展了大量研究，归结而言，研究思路主要有以下两类：一、以数字岩心为基础，采用格子Boltzmann方法进行流动模拟；二、以孔隙网络模型为基础，根据所研究的问题定义具体的流动规则进行流动模拟。可见，微观渗流理论研究都是以数字岩心或孔隙网络模型为平台开展的，由于多孔介质的孔隙形态及空间分布对流体在其中的分布、运移等均产生极为重要的影响，因此，数字岩心及孔隙网络模型能否较好的反映真实岩心孔隙空间特征将直接决定以它们为基础开展的微观渗流研究所得结果是否具有实际意义。所以，对储层孔隙空间进行研究并建立能够有效体现其空间分布和形态特征的三维模型(包括数字岩心和孔隙网络模型)将为以它们为平台而开展的所有后续渗流理论研究奠定坚实的基础，因而具有十分重要的意义。迄今，国内外学者能够借助物理实验手段或数值重建方法建立可以准确描述孔隙空间分布及孔隙形态特征的数字岩心。然而，以数字岩心为基础，采用格子Boltzmann方法开展的流动模拟计算量十分庞大；此外，尽管格子Boltzmann方法在处理单相流动问题时效果良好，但它对两相及多相流动问题的研究面临很大挑战，如它无法有效考虑影响流动性质的重要因素润湿性。因此，研究人员偏向于采用第二类研究思路。此时，建立一个能够保留真实岩心孔隙空间拓扑结构同时又能有效反映孔隙空间几何特征的孔隙网络模型至关重要。如前所述，数字岩心已具备了真实岩心的孔隙拓扑及形态特征，因此，本文将以数字岩心为基础，建立一种具有等价的孔隙空间拓扑结构且有效包含孔隙几何特征的孔隙网络模型。以该模型为基础，不但可以方便的研究流体在其中的分布规律，计算流体的传导性能，还可以充分克服数字岩心计算时间长的缺点，从而为后续微观渗流规律研究和提高原油采收率技术的开发奠定基础。综上所述，以数字岩心为基础建立岩心孔隙网络模型可以为微观渗流规律的研究搭建研究平台，为在微观尺度上开展提高原油采收率技术的研究奠定坚实的基础。理论上，借助孔隙网络模型，研究人员能够充分认识流体在多孔介质中的分布规律、渗流机理等微观本质。实际中，以孔隙网络模型为依托可以开展多方面研究，如：水驱过程中油水两相的具体分布特征、流动规律；聚合物以及各种化学驱过程中，在各种药剂的作用下原油在多孔介质中各种物理性质的转变以及由此引起的渗流规律的变化等。因此，本课题研究具有重要的理论意义和实际应用价值。13国内外研究现状根据模型的自身特点，迄今，储层孔隙空间的所有三维模型可划归两类：数字岩心和孔隙网络模型。以下将分别对这两类模型的构建技术进行归纳并分析现有理论、方法的优缺点。131数字岩心建模技术研究进展数字岩心建模方法可分为两大类：物理实验方法和数值重建方法。物理实验方法均借助高倍光学显微镜、扫描电镜或CT成像仪等高精度仪器获取岩心的平面图像，之后对平面图像进行三维重建即可得到数字岩心；数值重建方法则借助岩心平面图像等少量资料，通过图像分析提取建模信息，之后采用某种数学方法建立数字岩心。(1)物理实验方法建立数字岩心用以建立数字岩心的物理实验方法主要有序列成像法、聚焦扫描法和CT扫描法。序列成像法建立数字岩心的基本过程如下：将准备好的岩样抛光得到平整的岩样面，用高倍显微镜拍摄岩样抛光面获取岩心微观结构图像；平行于抛光面切除一层岩样薄片，将切割后的岩样面做抛光处理并用显微镜取像：重复切割、抛光、取像的实验过程直至获得一定数量的岩心图像为止；最后，将得到的实验图像分离、组合即可得到数字岩心。采用聚焦扫描微观成像技术获取数字岩心的基本原理如下：向岩心孔隙中灌注染色环氧树脂，借助聚焦扫描仪器对岩心切片逐点扫描并记录环氧树脂对光的反射强度，将强度信号转换为灰度图像从而得到岩心图像。Fredrich等旧曾采用该方法建立了数字岩心。虽然岩心图像具有较高的分辨率，但是，该方法只能对岩心薄片进行成像处理，因而得到的数字岩心呈薄片状规模很小。(2)数值重建方法建立数字岩心数值重建法通常以岩心切片图像为基础借助各种不同的统计方法或模拟岩石的形成过程来建立数字岩心。迄今已发展了多种重建方法，比较典型的有高斯模拟法、模拟退火法、过程模拟法、多点统计法和马尔可夫随机重建法。高斯模拟法由Joshi于1974年提出该方法以分析岩石薄片所得的统计资料为基础。首先随机产生一个由相互独立的高斯变量组成的数据集(称为高斯场)集合中所有变量组成的总体满足标准正态分布；之后对高斯场作线性变换使最初独立的变量具有相关性，该过程中使用孔隙度和两点相关函数作为约束条件。最后通过非线性变换将高斯场转化为数字岩心。1.4CT扫描建立数字岩心的方法数字岩心可以采用物理实验或数值重建的方法建立，在各类方法中，CT扫描法建立的数字岩心具有很高的精度，故此，本文将采用该方法建立数字岩心。CT扫描法建立数字岩心主要包括以下三步：一、对岩样预处理后开展CT实验获得投影图4 帝国理工大学材料系的台式CT机图5意大利Trieste市Elettra synchmtmn研究中心的同步加速CT机SYRMEP数据；二、选取某种图像重建方法由投影数据重建岩心灰度图像；三、采用图像二值分割方法分离灰度图像中的孔隙空间和岩石骨架建立数字岩心。本节将分别讨论上述三个步骤中涉及的基本原理和采用的数学处理方法。1.41CT扫描获取投影数据的基本原理CT技术在石油勘探开发领域有许多重要应用，如：岩心微观孔隙结构研究、特殊岩性岩心孔洞、裂缝分布研究、岩心驱替特征和剩余油分布规律研究等。目前，应用在石油科技领域的CT机可分为两类：台式CT机和同步加速CT机。图1-4所示为帝国理工大学材料系XMT实验室的台式CT机Phoenix vltomelx，该CT机由德国Phoenixlxray公司生产。vltomelx配有图像自动获取及处理软件SIXTOS，其X射线管的焦点精度可达l微米；vltomelx的X射线光子探测器为平板式，其视域为512x512个像素。图1-5为意大利Trieste市Elettra Synchrotron研究中心的同步加速CT机SYRMEP，该CT机的x射线由同步加速器产生，其X射线光子探测器的视域为2048x2024个像素。台式CT机与同步加速CT机的本质区别在于X射线的发生器不同，除此以外，其基本构成、工作过程及工作原理相同。台式CT机和同步加速CT机的基本构成相同，包括：X射线源、样品夹持器、X射线探测器。X射线源用来生成扫描样品所需的X射线，样品夹持器用于固定和精确旋转待扫描的样品，X射线探测器用于检测经样品衰减后的X射线。各部件均与计算机相连，计算机作为操作平台精确控制X射线源的射线强度、样品夹持器的旋转角度以及其他扫描参数：此外，探测器所检测的信号最终由计算机所配备的成像软件处理并输出样品的CT扫描图像。CT扫描实验过程如下：将样品固定好后，开启x射线源，由射线源发出的射线穿过样品，该过程中X射线强度衰减，衰减后的X射线照射到探测器上，该信号被图像获取软件自动捕获并存储。之后，通过控制样品夹持器将样品精确旋转一定角度，重新扫描并记录衰减后的X射线，将样品累计旋转1800后结束实验过程。当X射线穿过物质时，它会与物质的原子相互作用而引起能量衰减，并且物质不同的组成成分对X射线具有不同的吸收系数(即衰减系数)，反而言之，通过测量物质对x射线的吸收系数可以判定物质的组成成分。当一束X射线穿过物体时，它所穿透路径上的所有物质对X射线吸收系数的总和都将反映在对X射线强度的测量结果中，如公式(6)所示： (6)式中，为X射线的初始强度，I为x射线穿过物体后的强度，