Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Прямое численное моделирование ядерного магнитного резонанса в насыщенных пористых средах с учетом движения фаз Клименок Кирилл Леонидович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Клименок Кирилл Леонидович. Прямое численное моделирование ядерного магнитного резонанса в насыщенных пористых средах с учетом движения фаз: диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 05.13.18 / Клименок Кирилл Леонидович;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт (государственный университет)»], 2018.- 104 с.

Введение к работе

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) является одним из самых

информативных классических физических методов исследования микроструктуры вещества. В методе условно выделяют два основных направления: спектроскопию и релаксометрию, к которой, в частности, относится магнитно-резонансная томография. ЯМР, как физическое явление, основан на резонансном поглощении радиочастотных квантов веществом в сильном магнитном поле. Этот метод широко используется в химии и биологии для структурных исследований макромолекул, например, белков. Релаксометрия ЯМР рассматривает процессы установления равновесного состояния ядерной макроскопической намагниченности в статическом магнитном поле. Процесс ядерной магнитной релаксации определяется интенсивностью флуктуирующих магнитных полей в веществе, поэтому изучение этих процессов представляет собой исследование взаимодействий ядерных магнитных диполей с магнитными полями в веществе, а также характера и скорости их молекулярного движения.

Физическими предпосылками эффективного применения ядерно-магнитных исследований нефтегазовых месторождений являются прямая связь измеряемой ядерной намагниченности с количеством водородосодержащей жидкости, насыщающей горные породы, а также высокая чувствительность к ее подвижности на молекулярном уровне.

Чтобы оценить надежность метода ЯМР для оценки петрофизических свойств пород с одно- или многофазной насыщенностью, крайне важно иметь детальное теоретическое понимание ядерного магнетизма насыщающих породу жидкостей в условиях сложной геометрии. В случае равновесных флюидосодержащих систем динамика ядерных магнитных моментов содержит информацию об общих значениях насыщения, геометрии и внутренней структуре пор, распределении жидкости, ее составе

и взаимодействии с твердой фазой на границе флюид-порода (адгезия, адсорбция, степень смачиваемости и др.). В неравновесных случаях (течения, фазовые переходы, химические реакции) ЯМР также уверенно отражает гидродинамические и кинетические свойства системы флюид-порода. Таким образом, разработка надежных интерпретационных подходов для анализа ЯМР-релаксации в присутствии молекулярного транспорта требует возможности моделирования многофазных насыщающих жидкостей в пористых средах, которая явно может учитывать динамику ядерной намагниченности в сочетании с конвективным и диффузионным переносом флюидов в порах, а также поверхностным взаимодействием и межфазным обменом.

Цель работы

Целью работы является разработка систем компьютерного и имитационного

моделирования процессов ЯМР-релаксации в пористых средах с учетом различной насыщенности и движения фаз, а также их использование для исследования и описания характеристик молекулярного транспорта в поровом пространстве.

Задачи работы

1. Разработка нового математического метода моделирования

эволюции намагниченности флюида в пористой среде, его верификация и обобщение для случая многофазного насыщения.

  1. Разработка комплекса программ для численной реализации построенной математической модели для томографических образцов реальных горных пород.

  2. Использование разработанного комплекса для исследования и расчетов среднего относительного смещения молекул (потокового ЯМР-пропагатора) флюида в образце путем моделирования реальных ЯМР-экспериментов. Проверка соответствия полученных распределений смещений сданными расчета методом переноса пассивной примеси.

4. Описание влияния ЯМР-свойств образца на потоковый ЯМР-пропагатор для модельных и реальных течений.

Научная новизна

Все результаты диссертации являются новыми, в частности:

Аналитически доказано совпадение потокового пропагатора, построенного методом ЯМР, и суммарного относительного смещения молекул. Сформулированы условия, при которых это совпадение достигается.

Показано влияние поверхностной релаксационной активности типов горных пород в зависимости от их пористости на структуру потокового ЯМР-пропагатора.

Предложенная схема моделирования одномерного потокового ЯМР-пропагатора обобщена на двумерный случай.

Показано использование потокового ЯМР-пропагатора, как инструмента для определения порога подвижности одной из фаз в задачах вытеснения одного флюида другим.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы представлена доказательством

эквивалентности потокового пропагатора, рассчитанного методом ЯМР, и суммарного относительного смещения молекул в образце, которое позволяет проводить обоснованную интерпретацию результатов лабораторных экспериментов.

Практическая значимость и возможность применения новых научных результатов отражена несколькими направлениями:

  1. Предложенная методика позволяет рассчитывать эволюцию сигнала ЯМР в образцах горной породы, полученных на основе данных томографии реальных кернов (цифровой керн),с учетом их геометрических и физических свойств, без различных упрощений.

  2. Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными может быть использовано для оценки и учета влияния

свойств породы, например, эффективной поверхностной релаксационной активности.

  1. Развитие принципов построения потокового ЯМР-пропагатора на двумерный случай позволяет определять корреляции между характеристиками молекулярного транспорта во взаимно перпендикулярных направлениях.

  2. Применение методики расчета потоковых ЯМР-пропагаторов для многофазных течений, в случаях вытеснения одной фазы другой, позволяет определять порог подвижности фаз при построении кривых относительных фазовых проницаемостей.

Методология и методы исследования

В работе использовались методы математического моделирования,

вычислительной математики, проведения численных экспериментов на многопроцессорных ЭВМ, в частности, метод Маккормака.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанный математический метод позволяет моделировать

сигнал ядерного магнитного резонансана ядрах водорода в пористых средах с учетом движения фаз, различные последовательности радиочастотных импульсов, используемые в лабораторных ЯМР-экспериментах, а также влияние неоднородностей магнитного поля и поверхностной релаксационной активности.

  1. Разработанный программный комплекс, реализованный на параллельных системах вычислений с распределенной памятью на ускорителях вычислений на основе GPU, позволяет рассчитывать эволюцию намагниченности для томографических образцов реальных горных пород.

  2. Вычислительные эксперименты, подтверждающие оптимальность использования выбранных численных методов для решения задач на реальных образцах породы.

4. Использование разработанной модели и программного комплекса при имитационном и компьютерном моделировании для расчета влияния поверхностной релаксационной активности на структуру потокового ЯМР-пропагатора, а также его применение для определения порога подвижности фаз.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов обеспечена корректным

проведением теоретических исследований с применением методов математического моделирования, совпадением с известными аналитическими решениями, экспериментальными данными, результатами альтернативных методов моделирования, а также согласованностью с теоретическими выводами в работах других авторов.

По теме диссертации автором опубликовано 7 научных работ[1-7], 3 из которых [1-3] в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Результаты исследований докладывались на 57–60-ой научных конференция МФТИ (Москва, 2014–2017), а также на семинарах Московского научно-исследовательского центра Шлюмберже (Москва, 2011-2018) и кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ.

Личный вклад соискателя в работах с соавторами

Все работы, кроме одной, выполнены в соавторстве с научным

руководителем. Личный вклад автора – разработка метода моделирования и вычислительного алгоритма для расчета сигнала намагниченности, разработка соответствующего комплекса программ, проведение вычислительных экспериментов и анализ результатов. Основной вклад научного руководителя заключается в постановке задачи и интерпретации некоторых полученных результатов.

Структура и объем диссертации