Формирование синтетических структур и текстур горных пород при их моделировании в среде COMSOL Multiphysics

Текстура и структура горных пород играют существенную роль в формировании их физических свойств, а также несут информацию о генезисе. В статье рассматривается моделирование методом конечных элементов (МКЭ) геометрических форм различных структур и текстур горных пород. Оно осуществляется путем программной детализации свойств элементов и их пространственного расположения в моделируемом объекте. При программировании структур возможно также задание физических свойств различных частей модели, сеток, начальных и граничных условий, которые могут изменяться в соответствии со сценариями проведения численных экспериментов. В работе на основе МКЭ реализуется моделирование в COMSOL Multiphysics в связке с Matlab различных структур и текстур горных пород с включениями и нарушениями. Такие структуры используются для проведения компьютерных экспериментов по определению физических свойств геоматериалов и исследованию влияния на них воздействий различной физической природы. Рассмотрены построения нескольких моделей: образца горной породы с включениями в форме эллипсов равных размеров с различной ориентацией; образца песчаника, содержащего включения с высоким модулем упругости в цементирующей матрице при его деформировании; образца известняка при определении его удельного электрического сопротивления с трещинами, заполненными нефтью и минерализованной водой. В качестве примера анализа трещиноватой структуры рассмотрено влияние заполнителя на электросопротивление образца известняка, содержащего систему тонких эллиптических трещин с преимущественно горизонтальным расположением. Наглядно показано изменение линий протекания тока при разных соотношениях между проводимостью матрицы и заполнителем трещин и их влияние на эффективную (усредненную) проводимость образца породы. Меньшая проводимость заполнителя трещин приводит к увеличению длины и уменьшению сечения линий протекания тока, что в свою очередь приводит к существенному снижению проводимости трещиноватого образца породы. Большая проводимость заполнителя имеет своим результатом незначительное увеличение проводимости трещиноватого образца по сравнению с однородным изотропным образцом. Полученные структуры могут быть использованы для проведения численных экспериментов по исследованию физических свойств пород.

1. Ivankina T. I., Matthies S. On the development of the quantitative texture analysis and its application in solving problems of the Earth sciences. Physics of Particles and Nuclei. 2015;46:366–423. https://doi.org/10.1134/S1063779615030077

2. Daryono L. R., Titisari A. D., Warmada I. W., Kawasaki S. Comparative characteristics of cement materials in natural and artificial beachrocks using a petrographic method. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2019;78:3943–3958. https://doi.org/10.1007/s10064-018-1355-x

3. Nachev V. A., Kazak A. V., Turuntaev S. B. 3D digital mineral-mechanical modeling of complex reservoirs rocks for understanding fracture propagation at microscale. In: Society of Petroleum Engineers – SPE Russian Petroleum Technology Conference 2020, RPTC 2020. Society of Petroleum Engineers; 2020. https://doi.org/10.2118/201979-MS

4. Sangirardi M., Malena M., de Felice G. Settlement induced crack pattern prediction through the jointed masonry model. In: Carcaterra A., Paolone A., Graziani G. (eds.) Proceedings of XXIV AIMETA Conference 2019. AIMETA 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-41057-5_158

5. Bradbury K. K., Davis C. R., Shervais J. W., Janecke S. U., Evans J. P. Composition, Alteration, and Texture of Fault-Related Rocks from Safod Core and Surface Outcrop Analogs: Evidence for Deformation Processes and Fluid-Rock Interactions. Pure and Applied Geophysics. 2015;172:1053–1078. https://doi.org/10.1007/s00024-014-0896-6

6. Nikitin A. N., Ivankina T. I., Ullemeyer K., Vasin R. N. Similar quartz crystallographic textures in rocks of continental earth’s crust (by neutron diffraction data): II. Quartz textures in monophase rocks. Crystallography Reports. 2008;53:819–827. https://doi.org/10.1134/S1063774508050167

7. Abd Elmola A., Charpentier D., Buatier M., Lanari P., Monié P. Textural-chemical changes and deformation conditions registered by phyllosilicates in a fault zone (Pic de Port Vieux thrust, Pyrenees). Applied Clay Science. 2017;144:88–103. https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.05.008

8. Allo F. Consolidating rock-physics classics: A practical take on granular effective medium models. The Leading Edge. 2019;38(5):334–40. https://doi.org/10.1190/tle38050334.1

9. Hu X., Huang S. Physical Properties of Reservoir Rocks. In: Hu X., Hu S., Jin F., Huang S. (eds) Physics of Petroleum Reservoirs. Springer Geophysics. Springer, Berlin, Heidelberg. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-662-55026-7_2

10. Frischbutter A., Janssen C., Scheffzük C., Walther K., Ullemeyer K., Behrmann J. H., et al. Strain and texture measurements on geological samples using neutron diffraction at IBR-2, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna (Russia). Physics of Particles and Nuclei. 2006;37:S45–S68. https://doi.org/10.1134/S1063779606070033

11. Hudleston PJ, Lan L. Rheological information from geological structures. Pure and Applied Geophysics. 1995;145:605–620. https://doi.org/10.1007/BF00879591

12. Howarth D. F., Rowlands J. C. Development of an index to quantify rock texture for qualitative assessment of intact rock properties. Geotechnical Testing Journal. 1986;9(4):169–179. https://doi.org/10.1520/GTJ10627J

13. Howarth D. F., Rowlands J. C. Quantitative assessment of rock texture and correlation with drillability and strength properties. Rock Mechanics and Rock Engineering. 1987;20:57–85. https://doi.org/10.1007/BF01019511

14. Azzoni A., Bailo F., Rondena E., Zaninetti A. Assessment of texture coefficient for different rock types and correlation with uniaxial compressive strength and rock weathering. Rock Mechanics and Rock Engineering. 1996;29:39–46. https://doi.org/10.1007/BF01019938

15. Kamani M., Ajalloeian R. Evaluation of Engineering Properties of Some Carbonate Rocks Trough Corrected Texture Coefficient. Geotechnical and Geological Engineering. 2019 Apr 15;37:599–614. https://doi. org/10.1007/s10706-018-0630-8

16. Ajalloeian R, Mansouri H, Baradaran E. Some carbonate rock texture effects on mechanical behavior, based on Koohrang tunnel data, Iran. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2017;76:295–307. https://doi.org/10.1007/s10064-016-0861-y

17. Ömer Ü., Florian A. Influence of micro-texture on the geo-engineering properties of low porosity volcanic rocks. In: Engineering Geology for Society and Territory – Volume 6: Applied Geology for Major Engineering Projects. Springer International Publishing; 2015. P. 69–72. https://doi.org/10.1007/978-3-319-09060-3_12

18. Song R., Zheng L., Wang Y., Liu J. Effects of Pore Structure on Sandstone Mechanical Properties Based on Micro-CT Reconstruction Model. Advances in Civil Engineering. 2020;2020: 9085045. https://doi.org/10.1155/2020/9085045

19. Zhou J., Zhang L., Yang D., Braun A., Han Z. Investigation of the quasi-brittle failure of alashan granite viewed from laboratory experiments and grain-based discrete element modeling. Materials (Basel). 2017;10(7):835. https://doi.org/10.3390/ma10070835

20. Zhao X., Wang T., Elsworth D., He Y., Zhou W., Zhuang L., et al. Controls of natural fractures on the texture of hydraulic fractures in rock. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2018;165:616–626. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.02.047

21. Rahimi M. R., Mohammadi S. D., Beydokhti A. T. Effects of Mineral Composition and Texture on Durability of Sulfate Rocks in Gachsaran Formation, Iran. Geotechnical and Geological Engineering. 2020;38:2619–2637. https://doi.org/10.1007/s10706-019-01173-9

22. Ozturk C. A., Nasuf E. Strength classifi of rock material based on textural properties. Tunnelling and Underground Space Technology. 2013;37:45–54. https://doi.org/10.1016/j.tust.2013.03.005

23. Wang L. Automatic identification of rocks in thin sections using texture analysis. Mathematical Geology. 1995;27:847–865. https://doi.org/10.1007/BF02087099

24. Prince C. M., Ehrlich R. Analysis of spatial order in sandstones. I. Basic principles. Mathematical Geology. 1990;22:333–359. https://doi.org/10.1007/BF00889892

25. Luthi S. M. Textural segmentation of digital rock images into bedding units using texture energy and cluster labels. Mathematical Geology. 1994;26(2):181–196. https://doi.org/10.1007/BF02082762

26. Ye S. J., Rabiller P., Keskes N. Automatic high resolution texture analysis on borehole imagery. In: SPWLA 39th Annual Logging Symposium 1998. Society of Petrophysicists and Well-Log Analysts (SPWLA); 1998.

27. Wang L. Automatic identification of rocks in thin sections using texture analysis. Mathematical Geology. 1995;27:847–865. https://doi.org/10.1007/BF02087099

28. Xiao H, He L, Li X, Zhang Q, Li W. Texture synthesis: A novel method for generating digital models with heterogeneous diversity of rock materials and its CGM verification. Computers and Geotechnics. 2021;130:103895. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2020.103895

29. Algive L, Bekri S, Lerat O, Nader F, Vizika O. Reactive pore network modeling technology to evaluate the impact of diagenesis on the petrophysical properties of a rock. In: Society of Petroleum Engineers – International Petroleum Technology Conference 2009, IPTC 2009. 2009, pp. 3452–3461. https://doi.org/10.3997/2214-4609-pdb.151.iptc14049

30. Kazerani T, Nilipour N, Garin E, Seingre G. Application of numerical modelling for large-scale underground excavation in foliated rock mass. In: ISRM Regional Symposium, EUROCK 2015. International Society for Rock Mechanics; 2015, pp. 931–936.

31. Coelho G., Branquet Y., Sizaret S., Arbaret L., Champallier R., Rozenbaum O. Permeability of sheeted dykes beneath oceanic ridges: Strain experiments coupled with 3D numerical modeling of the Troodos Ophiolite, Cyprus. Tectonophysics. 2015;644:138–150. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2015.01.004