我國(guó)油氣資源鉆探開發(fā)已向深層、復(fù)雜、非常規(guī)油氣藏方向發(fā)展。 其復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)及其對(duì)流體流動(dòng)的影響的科學(xué)表征和量化、復(fù)雜基巖巖石變形破壞的熱行為特征及其對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響、巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征、聲電響應(yīng)流體和熱特性及其月球化學(xué)反演、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)已成為油氣資源高效鉆探和開發(fā)所必需的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。 傳統(tǒng)石化實(shí)驗(yàn)存在難以研究多尺度石化特征、難以實(shí)現(xiàn)多激勵(lì)綜合效果、重復(fù)性和可視性差、巖心獲取困難、測(cè)試分析耗時(shí)、成本高等客觀激勵(lì)因素的阻礙。 熱巖理論與應(yīng)用技術(shù)研究需求及日常教學(xué)需求。 為此，中心建設(shè)了巖石化學(xué)與巖石熱學(xué)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 該平臺(tái)基于復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)定量表征和孔隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型，建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖石湍流虛擬模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、巖石電關(guān)系數(shù)字虛擬模擬系統(tǒng)等。 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、復(fù)雜介質(zhì)巖心超聲傳播虛擬模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、巖心巖石熱性質(zhì)超聲響應(yīng)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由五部分組成。
巖石化學(xué)與巖石熱虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為巖石化學(xué)、巖石熱、油氣層化學(xué)、滲流熱、工程地質(zhì)等課程提供了強(qiáng)大有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。 該平臺(tái)以較為簡(jiǎn)單、直觀、方便的方式生動(dòng)地詮釋了復(fù)雜巖石孔隙結(jié)構(gòu)、聲電傳播、巖石變形斷裂等冗長(zhǎng)抽象的石油化工和巖石熱學(xué)理論和現(xiàn)象，極大地激發(fā)了中學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提升課程教學(xué)效果。
(1) 復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征及建立孔隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
功能介紹：
孔隙結(jié)構(gòu)是巖石中流體分布、滲流特性、巖石熱特性、聲電傳播特性的重要影響和控制因素。 孔隙結(jié)構(gòu)的科學(xué)定量表征以及不同孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的合理建立是探索和揭示巖石孔隙滲透特征的關(guān)鍵，是聲學(xué)、電學(xué)特征等宏觀數(shù)學(xué)特征與巖石孔隙結(jié)構(gòu)之間內(nèi)在聯(lián)系的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。力學(xué)特性和多尺度孔隙結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)巖心分析無法準(zhǔn)確表征巖石真實(shí)的三維孔隙結(jié)構(gòu)，且?guī)r心成本高、分析時(shí)間長(zhǎng)、無法實(shí)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整。 因此，我們的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征和孔隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型的建立。 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)可視化（圖2）和定量表征（圖3），建立等效孔隙網(wǎng)絡(luò)模型（圖4），快速有效分析孔隙度、滲透率、比表面等眾多石化基礎(chǔ)參數(shù)區(qū)域。 具有孔結(jié)構(gòu)可控、重復(fù)性大、可視化直觀等特點(diǎn)。 它不僅為油氣層化學(xué)、石油化學(xué)、滲熱、油藏地質(zhì)等課程提供了基于數(shù)值模擬的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 為復(fù)雜儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的科學(xué)表征、儲(chǔ)層的精細(xì)評(píng)價(jià)以及實(shí)現(xiàn)最大油氣采收率提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。
教學(xué)效果：
該模擬系統(tǒng)以顯微CT掃描測(cè)試為核心。 通過系統(tǒng)的模擬分析過程，中學(xué)生可以直觀地了解巖石內(nèi)部三維復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和孔隙連通性大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過定量統(tǒng)計(jì)獲得巖心的孔徑。 分布、孔隙配位數(shù)等微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。 與傳統(tǒng)的二維平面鑄體薄片孔隙結(jié)構(gòu)觀察和巖心壓汞獲得巖心孔隙轟鳴結(jié)構(gòu)參數(shù)的物理實(shí)驗(yàn)相比，該模擬平臺(tái)將巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)充分可視化地展現(xiàn)在中學(xué)生面前，參數(shù)量化程度強(qiáng)，使中學(xué)生對(duì)復(fù)雜微孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)有更深刻直觀的認(rèn)識(shí)和認(rèn)識(shí)，并可以利用該平臺(tái)進(jìn)行巖石電性、滲流機(jī)理、巖石微熱變形等方面的研究、多場(chǎng)耦合下巖石孔隙結(jié)構(gòu)變形等。促進(jìn)和爆發(fā)中學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（表1）：
表1 復(fù)雜孔隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型建立及孔隙結(jié)構(gòu)量化實(shí)驗(yàn)課程及項(xiàng)目
序列號(hào)
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱
小時(shí)
服務(wù)課程
專業(yè)服務(wù)
實(shí)驗(yàn)類別
1個(gè)
數(shù)字核心建立及孔隙網(wǎng)絡(luò)模型建立
2
石油化學(xué)基礎(chǔ)、油藏化學(xué)、油藏地質(zhì)學(xué)
資源勘探工程、勘探技術(shù)與工程、石油工程
綜合的
孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔徑、配位數(shù)、孔喉比等）提取與評(píng)價(jià)
2
綜合的
儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)（孔隙度、滲透率、比表面等）
2
綜合的
(2)復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖石湍流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
功能介紹：
系統(tǒng)研究復(fù)雜油藏油氣湍流特征及油氣湍流機(jī)理，是油氣高效開發(fā)和最大采收率的基礎(chǔ)和核心。 常規(guī)巖心湍流實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)湍流數(shù)值模擬存在流動(dòng)不可見、驅(qū)替流體損傷范圍和波及效率難以量化、無法真實(shí)表征兩相流、難以研究不同孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)流體的影響等缺點(diǎn)流動(dòng)。 鑒于此，中心搭建了復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖石湍流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于數(shù)值巖心或孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，以有限元為手段，進(jìn)行兩相流體流動(dòng)數(shù)值模擬（圖5）。 三相、兩相流體下連通性和滲透率參數(shù)的定量提取，以及流動(dòng)過程和流體分布的動(dòng)態(tài)可視化，極大地提升了復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)湍流流動(dòng)機(jī)制的研究水平，使流體力學(xué)性能得到顯著提高。湍流理論相關(guān)課程的教學(xué)效果該系統(tǒng)基于復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征和孔隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立。
（左圖為水驅(qū)氣過程中巖心剖面圖，下圖為水驅(qū)氣過程三維圖。圖中藍(lán)色代表液相，白色代表水相，箭頭方向代表位移方向）
教學(xué)效果：
通過該系統(tǒng)，中學(xué)生可以獨(dú)立開展孔隙網(wǎng)絡(luò)中油、氣、水三相流體以及氣水兩相、油水兩相流體的驅(qū)替和流動(dòng)研究微孔介質(zhì)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整個(gè)湍流過程的動(dòng)力學(xué)和孔隙網(wǎng)絡(luò)中流體的分布狀態(tài)都可以可視化。 同時(shí)，借助仿真系統(tǒng)，中學(xué)生可以對(duì)潤(rùn)濕性、孔配位數(shù)、孔徑分布等影響流體流動(dòng)的單因素和多因素進(jìn)行綜合分析。 在物理石化試驗(yàn)中是完全不可能實(shí)現(xiàn)的。 該系統(tǒng)的建成和應(yīng)用，對(duì)于鞏固和提高中學(xué)生對(duì)復(fù)雜微孔介質(zhì)、驅(qū)油水、驅(qū)氣水等過程和內(nèi)在機(jī)理的流體流動(dòng)規(guī)律的理解和分析，起到了極其重要的作用，如并開展相關(guān)研究。 。
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（表2）：
表2 堆芯三相/兩相湍流機(jī)理數(shù)值模擬平臺(tái)
序列號(hào)
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱
小時(shí)
服務(wù)課程
專業(yè)服務(wù)
實(shí)驗(yàn)類別
1個(gè)
三相和兩相湍流的數(shù)值模擬
2
石油化學(xué)基礎(chǔ)、工程地質(zhì)學(xué)、滲熱、油氣地層化學(xué)
資源勘探工程、勘探技術(shù)與工程、石油工程、地質(zhì)學(xué)、城市地下空間工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、海洋油氣工程
綜合的
微驅(qū)（水驅(qū)、氣驅(qū)等）過程數(shù)值模擬
2
綜合的
孔隙結(jié)構(gòu)、表面特征與湍流、驅(qū)油特征
2
綜合的
(3)巖力關(guān)系數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
功能介紹：
最基本的巖電關(guān)系是該關(guān)系，它構(gòu)成了月球化學(xué)地球物理數(shù)據(jù)解釋的核心基礎(chǔ)和支撐。 1940年代開始在國(guó)外物探界得到廣泛應(yīng)用。 電氣參數(shù)不同。 一方面，隨著油氣工業(yè)從常規(guī)基巖向特殊規(guī)則致密巖體發(fā)展，由于巖石的滲透率極低，傳統(tǒng)的巖電實(shí)驗(yàn)（見圖6）獲取巖石電參數(shù)的方法越來越多。而且更難。 另一方面，隨著巖性的復(fù)雜化，對(duì)傳統(tǒng)巖電關(guān)系的指責(zé)和討論也越來越多。 在這種背景下，需要探索和構(gòu)建新的途徑來有效地獲取巖電關(guān)系的認(rèn)識(shí)，以及如何高效地獲取巖電關(guān)系。 為此，石化科研團(tuán)隊(duì)在多年科研積累的基礎(chǔ)上，利用國(guó)際上發(fā)展迅速的數(shù)字化核心技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)字化石油電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由模型創(chuàng)建、模型及邊界設(shè)置、仿真估算、結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入等部分組成。 巖粉仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面及仿真估算結(jié)果如圖6所示。
(a) 巖石內(nèi)電阻率模擬軟件主界面（截圖）
(b) 不同喉徑下的I-Sw仿真結(jié)果曲線
(c) 不同孔喉比下的I-Sw模擬結(jié)果曲線
(d) 不同配位數(shù)下的I-Sw仿真結(jié)果曲線
圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用戶界面及巖石電模擬與估算結(jié)果
教學(xué)效果：通過本系統(tǒng)，中學(xué)生可以獨(dú)立對(duì)巖電關(guān)系及影響因素進(jìn)行研究分析，同時(shí)加深對(duì)巖石內(nèi)電阻率和巖電參數(shù)的內(nèi)在機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提高和激發(fā)中學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造熱情。
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（表3）：
表3 巖電關(guān)系數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)課程及項(xiàng)目
序列號(hào)
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱
小時(shí)
服務(wù)課程
專業(yè)服務(wù)
實(shí)驗(yàn)類別
1個(gè)
真實(shí)致密花崗巖巖電關(guān)系虛擬模擬實(shí)驗(yàn)
2
石油化學(xué)基礎(chǔ)、地球化學(xué)物探、測(cè)井原理及工程應(yīng)用
勘探技術(shù)與工程、資源勘探技術(shù)與工程、石油工程、海洋油氣工程
綜合的
孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖石內(nèi)電阻率的影響
實(shí)驗(yàn)
2
綜合的
巖石表面特性和飽和流體性質(zhì)對(duì)巖石內(nèi)電阻率影響的實(shí)驗(yàn)
2
綜合的
(4)復(fù)雜介質(zhì)巖心中超聲波傳播虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
功能介紹：
超聲波在復(fù)雜微孔介質(zhì)中的傳播規(guī)律和特征是借助月化物探評(píng)價(jià)巖石力學(xué)熱學(xué)性質(zhì)和孔隙度的重要依據(jù)。 嚴(yán)重非均質(zhì)巖體，由于巖心本身的非均質(zhì)性和不可重復(fù)性，長(zhǎng)期以來很難甚至不可能通過巖心實(shí)驗(yàn)獲得規(guī)律性。 有必要了解超聲波在復(fù)雜巖石中傳播的規(guī)律。 鑒于此，中心經(jīng)過多年的積累和努力，自主研發(fā)了一套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可用于研究裂紋、孔洞、層理等尺度和分布對(duì)超聲波傳播的影響。 。 圖7所示為超聲波仿真軟件界面及仿真結(jié)果。
(a) 超聲數(shù)值實(shí)驗(yàn)仿真軟件運(yùn)行結(jié)果及聲波在均質(zhì)介質(zhì)中的傳播（截圖）
（b）超聲數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件運(yùn)行結(jié)果及聲波在坑介質(zhì)中的傳播（截圖）
(c) 不同裂紋密度巖心超聲數(shù)值模擬波場(chǎng)
(d) 模擬超聲波波形（孔隙率 0.72%） (e) 模擬超聲波波形（孔隙率 2.52%）
(f) 裂縫密度與速度的關(guān)系 (g) 裂縫角度與速度的關(guān)系
圖7 超聲波仿真軟件界面及仿真結(jié)果
教學(xué)效果：
借助該系統(tǒng)，中學(xué)生可以根據(jù)研究需要獨(dú)立模擬和設(shè)置模擬巖心中不同類型和分布的孔洞、孔洞、裂縫，并觀察聲波傳播速度、衰減特性和巖心分布內(nèi)波場(chǎng)的研究不僅可以使中學(xué)生對(duì)聲波的傳播和月球在孔隙、孔洞、裂縫、層理等發(fā)育基巖中的化學(xué)反應(yīng)特征有更深入、更直觀的認(rèn)識(shí)，為中學(xué)生進(jìn)行深入研究提供了平臺(tái)。 創(chuàng)新研究熱情迸發(fā)。
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（表4）：
表4 超聲在復(fù)雜介質(zhì)巖心中傳播虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程及項(xiàng)目
序列號(hào)
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱
小時(shí)
服務(wù)課程
專業(yè)服務(wù)
實(shí)驗(yàn)類別
1個(gè)
超聲在均質(zhì)多孔巖石中傳播的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
1個(gè)
巖石化學(xué)基礎(chǔ)、聲波地球物理勘探、地震鉆井原理、地球化學(xué)地球物理勘探、測(cè)井原理及工程應(yīng)用
勘探技術(shù)與工程、資源勘探技術(shù)與工程、石油工程、海洋油氣工程
綜合的
超聲在層狀非均質(zhì)巖石中傳播的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
2
綜合的
超聲波在巖石裂隙中傳播的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
2
綜合的
洞室?guī)r石中超聲傳播的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
2
綜合的
裂縫和洞穴巖石中超聲波傳播的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
2
綜合的
(5) 巖心熱特性超聲響應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
功能介紹：了解巖石的熱性質(zhì)以及巖石變形破壞的規(guī)律和機(jī)制，對(duì)于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)和認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象、特征、演化機(jī)制非常重要。 是其他學(xué)科非常重要的基礎(chǔ)研究工作。 直接的巖石壓縮、拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)對(duì)于中學(xué)生來說非常直觀和重要，但很難在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中看透巖心內(nèi)部發(fā)育的裂縫和孔洞對(duì)巖石變形、開裂和破壞的影響的固體核心。 眾所周知，它不能滿足中學(xué)生深入學(xué)習(xí)的需要。 因此，與南京力軟科技有限公司合作，利用其RFPA巖石破壞模擬軟件系統(tǒng)，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，很好地解決了這一困境。 中學(xué)生除了能夠更好地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律，也極大地激發(fā)了中學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析問題、解決問題的內(nèi)在主動(dòng)性。
將該仿真系統(tǒng)與上述超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合，建立了巖心巖石熱性質(zhì)超聲響應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)除了通過RFPA模擬系統(tǒng)直接觀察不同巖樣在外荷載或孔隙流體壓力的單一誘因和綜合影響下的變形破壞特征外，還使中學(xué)生了解變形破壞規(guī)律，不同巖石的影響。 激勵(lì)有了深刻的理解和理解，同時(shí)將數(shù)值破壞實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)字巖石樣本輸入到上述復(fù)雜介質(zhì)巖心超聲傳播虛擬模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，可以獲得巖石樣本的超聲響應(yīng)，并可進(jìn)一步研究巖石熱學(xué)與巖石超聲響應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)系。 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)界面及仿真結(jié)果如圖8所示。
(a) RFPA軟件主界面（截圖）
(b) 不同角度層理巖石壓縮模擬結(jié)果
(c) 不同孔徑巖石的壓縮模擬結(jié)果
(d) 巖石斷裂硬度模擬結(jié)果
?(e) 探頭頻率下的壓縮硬度 (f) 50KHz 探頭頻率下的壓縮硬度
與衰減系數(shù)與衰減系數(shù)的關(guān)系
(g) 探頭頻率下的楊氏彈性撓度和 (h) 50KHz 探頭頻率下的楊氏彈性
衰減系數(shù)的關(guān)系 偏轉(zhuǎn)與衰減系數(shù)的關(guān)系
(i) 探頭頻率下的偏轉(zhuǎn)和 (k) 50KHz 探頭頻率下的偏轉(zhuǎn)和
衰減系數(shù)關(guān)系 衰減系數(shù)關(guān)系
圖8 RFPA軟件界面及巖石熱特性模擬結(jié)果
教學(xué)效果：
借助該仿真平臺(tái)，中學(xué)生可以根據(jù)需要在虛擬巖芯內(nèi)部設(shè)置不同規(guī)模、形狀、分布的孔洞、孔洞、斷裂，并進(jìn)行壓縮、拉伸（法式劈裂）、斷裂硬度實(shí)驗(yàn)獲取巖石變形、開裂等信息。了解開裂、破壞的宏觀和微觀內(nèi)部機(jī)制。 同時(shí)，中學(xué)生還可以將真實(shí)巖心的切片照片直接輸入到模擬系統(tǒng)中，真實(shí)體驗(yàn)巖心破壞機(jī)理。 虛實(shí)結(jié)合的形式極大地激發(fā)了中學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析問題、解決問題的內(nèi)在主動(dòng)性和創(chuàng)新性。
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（表5）：
表5 巖心巖石熱性質(zhì)超聲響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)課程及項(xiàng)目
序列號(hào)
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱
小時(shí)
服務(wù)課程
專業(yè)服務(wù)
實(shí)驗(yàn)類別
1個(gè)
復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖石法式劈裂數(shù)值模擬試驗(yàn)
2
石油化學(xué)基礎(chǔ)、工程地質(zhì)學(xué)、石油熱能基礎(chǔ)
勘察技術(shù)與工程、石油工程、地質(zhì)學(xué)、城市地下空間工程、土木工程、工程管理
綜合的
復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖石單軸/三軸數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
2
綜合的
復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖石斷裂硬度數(shù)值模擬試驗(yàn)
2
綜合的
巖石流固耦合數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
2
綜合的