Understanding and predicting physical properties of rocks through pore-scale numerical simulations

공극스케일에서의 시뮬레이션을 통한 암석물성의 이해와 예측

Earth sciences is undergoing a gradual but massive shift from description of the earth and earth systems, toward process modeling, simulation, and process visualization. This shift is very challenging because the underlying physical and chemical processes are often nonlinear and coupled. In addition, we are especially challenged when the processes take place in strongly heterogeneous systems. An example is two-phase fluid flow in rocks, which is a nonlinear, coupled and time-dependent problem and occurs in complex porous media. To understand and simulate these complex processes, the knowledge of underlying pore-scale processes is essential. This paper presents a new attempt to use pore-scale simulations for understanding physical properties of rocks. A rigorous pore-scale simulator requires three important traits: reliability, efficiency, and ability to handle complex microstructures. We use the Lattice-Boltzmann (LB) method for singleand two-phase flow properties, finite-element methods (FEM) for elastic and electrical properties of rocks. These rigorous pore-scale simulators can significantly complement the physical laboratory, with several distinct advantages: (1) rigorous prediction of the physical properties, (2) interrelations among the different rock properties in a given pore geometry, and (3) simulation of dynamic problems, which describe coupled, nonlinear, transient and complex behavior of Earth systems.

지구과학은 지구와 지구시스템을 기술(description)하던 기존의 역할에서 벗어나, 진화하는 지구 시스템 안에서 일어나는 프로세스의 모델링(process modeling), 시뮬레이션(simulation) 그리고 이러한 현상들을 구상화(visualization)하는 방향으로 그 접근 방법이 서서히 그러나 매우 역동적으로 변화하고 있다. 하지만 이러한 모델링 및 시뮬레이션은 현대의 컴퓨터 기술의 발달에도 불구하고 그 수행이 쉽지는 않다. 그 이유로는 지구의 현상들은 그 현상의 기초원인이 되는 물리적 화학적 프로세스들이 비선형적이며, 서로 다른 프로세스들이 상호 연동되어 발생하고, 시간에 따라 변화를 보이기 때문이다. 더구나 이러한 복잡한 프로세스들이 암석의 공극구조라는 매우 복잡한 구조 안에 일어날 때, 그 현상의 모델링 및 시뮬레이션은 그 어려움이 더욱 커지게 된다.따라서 이러한 지구시스템의 여러 가지 프로세스들에 대한 효과적인 모델링 및 시뮬레이션을 위해선 지구의 기본 구성단위인 암석의 구조, 즉 복잡한 공극구조의 이해 및 그 형태를 효과적으로 컴퓨터상에서 수치적으로 기술하는 방법의 개발이 선행되어야 한다. 본 발표에서는 이러한 공극스케일의 모델링을 위한 격자볼츠만 방법, 유한요소법을 이용한 수치방법과 그 결과와, 지구의 여러가지 비선형적이고 시간종속적인 프로세서의 모델링에의 응용가능성에 대한 내용을 제시한다.