关键词： 泡沫金属   多孔复合系统   孔隙尺度和宏观尺度   应力跳跃系数   对流换热   相间传热系数  

摘要： 多孔介质中的动量和能量传输机理复杂,涉及多尺度效应问题,一直是研究的热点。泡沫金属作为一种强化传热多孔介质,具有优异的高导热性和强热扩散性的特点,广泛应用于工程领域,如:热管,工业换热器,蓄热器和多孔质气体轴承等。因此,多孔泡沫金属内流动和传热的研究具有重要的工程价值和科学价值。鉴于多孔泡沫金属内动量和热量传递研究的重要性,本文构建了Weaire-Phelan泡沫结构,以及多孔复合系统的孔隙模型和宏观模型,主要研究了多孔泡沫金属与自由流体交界面的动量传递以及旋转条件下高孔隙率泡沫金属内对流换热。 本文对多孔复合系统孔隙模型和宏观模型内流动进行模拟,确定了多孔层与自由流体层交界面的应力跳跃系数,并对应力跳跃系数特性进行研究。结果表明,应力跳跃系数与孔隙结构有关,但是与流动形式无关,即使旋转条件下产生了二次流,相较于非旋转情况流动变得复杂,但应力跳跃系数不变;并且,在自由流体层厚度较大时,应力跳跃系数也是与流体层厚度无关的。 本文对旋转条件下高孔隙率泡沫金属内对流传热进行数值研究,基于孔隙尺度模拟,分析了泡沫单元中的流体流动及其对传热的影响。同时,获得了空气和泡沫金属系统的相间传热系数,并研究分析了相间传热系数的特性。结果表明,增大雷诺数、旋转数和旋转距离,以及降低孔隙率,都能增大相间传热系数。基于225组数据点,拟合了空气和泡沫系统的相间传热努塞尔数关联式,分析了该关联式的预测误差。另外,模拟了更大的旋转距离和通道尺寸,该关联式在一定程度上也适用。

关键词： 三维重构   孔隙网络模型   多尺度孔隙   孔隙连通性   致密储层  

摘要： 为了研究致密油储层的三维孔隙结构,以鄂尔多斯盆地延长组S113井粉砂质页岩样品为研究对象,采用XRD衍射实验、TOC测试、岩石热解实验、FE-SEM、氮气吸附和高压压汞实验对该井样品的矿物成分、有机地化特征、孔隙类型和孔隙结构参数等储层特征进行评价。然后选取有代表性的样品进行微米CT、纳米CT和FIB-SEM等多尺度扫描实验,并对扫描结果进行图像预处理、图像分割、孔隙网络模型构建、孔隙结构定量计算以及绝对渗透率模拟,从而对致密储层样品进行三维孔隙结构多尺度表征。研究区致密油样品以黏土矿物层间粒内孔为主。样品经过抽提后S1和S2的大幅下降表明较大的可动油比例;抽提前后氮气吸附结果指示样品中可动油主要存在于2～4 nm和60～100 nm范围的孔隙中。基于最大球算法和中轴线算法两种算法提取了致密油样品的孔隙网络模型。通过对比这两种孔隙网络模型,发现基于最大球算法的孔隙网络模型展示的三维孔喉空间信息和孔隙喉道定量参数更全面,准确性更高。以基于最大球算法的孔隙网络模型为基础,计算了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间的孔隙、喉道大小以及配位数等孔隙结构参数。根据分割的孔隙相数据体,定量计算了孔隙长宽比、圆球度等孔隙形貌参数,并分析了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中不同形貌孔隙的发育情况;同时,定量计算了孔隙方位角和极角,绘制出孔隙方位角和极角的玫瑰图,评价致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中的优势孔隙。总体而言,优势孔隙方向与层理面之间的夹角较小。对比分析了氮气吸附、纳米CT和微米CT三种技术在孔隙测量方面的优势,绘制了典型致密油样品的全孔径分布曲线,计算了微米孔和纳米孔的体积百分比。结合三维孔隙网络模型和连通孔体积百分比定量评价了致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中孔隙连通性,发现在这三种尺度下,尽管非连通孔在数量上都占据绝对优势,但这些孔隙体积都比较小,而连通孔的体积大多较大,这三种技术评价的连通孔体积百分比分别为10.22%、50.75%、90.51%。因此致密油样品的孔隙连通性在FIB-SEM的观测尺度下最好,在纳米CT的观测尺度下居中,在微米CT的观测尺度下最差。在此基础上,构建了孔隙连通性的二维概念模型,以便直观地理解致密油储层岩样的三维多尺度孔隙连通性特征。最后,利用FIB-SEM三维孔隙空间开展了流动模拟,计算典型致密油样品的绝对渗透率为0.41m D,并通过渗流流线场展示了渗流的优势通道。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   煤堆自燃   孔隙尺度   自然对流   多场耦合  

摘要： 煤堆自燃是一种在全球范围内普遍存在的复杂自然灾害,对经济发展和生态平衡有着严重的威胁。研究煤堆内的流动传热问题对预防煤火,保护能源安全具有重要的意义。煤堆自燃是一种典型的多孔介质流动传热问题,格子玻尔兹曼方法因其物理背景清晰、边界处理简单等优点被广泛应用于多孔介质的流动、传热和反应过程的数值模拟。本文采用多松弛时间的不可压格子玻尔兹曼模型,分别对封闭空间和开放空间中含煤粒多孔层内的反应问题进行了研究。主要研究工作如下:(1)针对规则排列的含煤粒封闭多孔层内的自然对流问题,研究了不同的Rayleigh数、粒径、排列方式和孔隙率对内部流动传热的影响,给出了不同条件下封闭多孔层内部的流场、温度场和流线图,并通过分析对应条件下的对流传热过程总结出了内部升温规律。(2)针对含煤粒多孔通道内流场、温度场和氧化反应的多场耦合问题,研究了不同来流速度、温度、浓度和粒径大小对通道内部流动传热传质过程产生的影响。探究了通道内部温升曲线的变化特征,并给出了不同条件下内部稳态时的流动传热分布云图。本文采用格子玻尔兹曼方法研究了煤堆自燃问题,对含煤粒封闭多孔层及多孔通道进行了微观分析,探究了内部流动传热规律,为预防煤堆自燃提供了理论依据。

关键词： 页岩油   孔隙类型   孔隙结构表征   控制因素  

摘要： 近年来,页岩油气勘探开发在我国油气勘探开发中占有越来越重要的地位,是我国石油开发的重要战略方向。页岩油储层孔隙度低、孔隙结构复杂,原油赋存形式多样,微观的孔隙结构特征及其发育控制因素影响着储层物性的好坏,准确表征其微观孔隙结构,探明其孔隙结构发育控制因素是进行页岩油储层评价和进一步勘探开发的关键。本文针对准噶尔盆地玛湖凹陷页岩油区块,对其储层发育特征,孔隙结构定量定性表征与孔隙发育控制因素等方面展开研究。在储层发育特征研究方面,通过实验数据分析,查明了:(1)储层矿物组分主要为石英和白云石,粘土含量较低,以伊蒙混层为主;(2)有机质为Ⅱ型有机质,平均TOC含量为0.54%,且处于成熟阶段;(3)孔隙度、渗透率低,为特低孔低渗储层。在孔隙结构表征研究方面,首先利用扫描电镜法(FIB-SEM),查明了研究区页岩储层发育无机质孔、有机孔和微裂缝三种类型。其次,利用低温氮气吸附(LTNA)、核磁共振(NMR)以及高压压汞(MIP)等方法完成了研究区页岩孔隙结构多尺度定量表征,从而认识到研究区孔径分布规律,即:总体而言,研究区页岩储层发育微孔、介孔和宏孔三种孔隙,孔隙分布方面,微孔发育数量较多,宏孔发育数量最少;孔体积与比表面积方面,介孔贡献了约79%的孔体积与88%的比表面积,宏孔只贡献了约20%的孔体积,微孔则贡献了10%的比表面积。在孔隙发育控制因素研究方面,建立了控制因素分析多参数回归模型,探明了研究区页岩孔隙发育的主控因素:有机碳含量与粘土、石英和白云石等矿物共同控制储层孔隙的发育。其中,有机碳含量的提高可促进介孔的发育,对微孔和宏孔的发育无明显的影响;粘土含量促进微孔和介孔的发育,对宏孔则无明显作用,粘土含量大于6%时,对储层孔隙体积具有较明显的改善作用;脆性矿物对总孔发育具有正向的控制作用,但其含量并没有与某一尺度的孔隙形成良好的相关性。

关键词： 多孔介质   自发渗吸   强制渗吸   格子Boltzmann方法   孔隙尺度  

摘要： 多孔介质渗吸驱替是润湿流体驱替非润湿流体的一种广泛存在于自然界的典型非混溶流体流动现象,在工程和工业领域的许多过程中扮演着重要角色,如油气资源开采、CO2地质封存和地下水污染修复等。由于多孔介质普遍具有复杂的孔隙结构,以及孔隙内非混溶流体界面具有的不稳定性特征,多孔介质渗吸驱替过程中往往伴随着非紧凑的界面形态和不完全孔隙填充现象,进而影响宏观驱替效率。因此,全面表征岩石微观孔隙结构,深入认识孔隙尺度流体流动特征和赋存状态,厘清多因素影响下的微观渗吸机理,具有重要研究意义。本文基于CT扫描及数值重构的多孔介质数字模型,通过格子Boltzmann方法的孔隙尺度数值模拟方法,研究了微裂缝的几何结构、颗粒型多孔介质的几何特征以及渗吸边界条件对自发渗吸过程中流体界面的整体演化规律、局部孔隙填充特征以及渗吸速率和采收率的影响,揭示了关键因素影响下的微观渗吸机理;在此基础上,进一步考虑注采条件,研究了天然储层岩石完全润湿条件下不利粘度比流体强制渗吸过程中的驱替模式和孔隙填充机理,全面评价渗吸过程中的原位流体分布特征和流体几何结构动态演化规律。主要成果与认识如下:（1）微裂缝的几何结构几乎不影响逆向自发渗吸初始阶段渗吸前缘的演化,但强烈影响着渗吸过程中渗吸前缘的整体形态特征。微裂缝的存在显著提高整体采收率,但微裂缝的不同几何结构对渗吸速率有着不同的影响。（2）颗粒形状仅对逆向自发渗吸过程中渗吸界面的演化具有显著影响,而颗粒堆积模式同时影响渗吸和排驱界面的演化以及渗吸采收率。不同边界条件下的渗吸速率和最终采收率差异显著:模型开启面与水接触的面积越大,渗吸速率越快,因此AFO边界条件下的渗吸速率最快;模型开启面与油接触促使油相主要通过同向渗吸方式排出,有利于自发渗吸的持续进行,因此TFO-free边界下的最终采收率最高。（3）不同注入速率下,多孔介质强制渗吸过程中主导的驱替模式和孔隙填充事件显著不同。随着毛管数的对数由-2.5向-4.0变化,侵入流体的流动特征由大孔隙壁面上的先驱流转变为所有尺寸孔隙内的角流,主导的孔隙填充事件由神经节动力学转变为卡断捕获,而驱替前缘的形态由指进转变为粗糙但均匀的形态特征。两相界面形态和演化动力学的这种转变决定着两相流体的空间分布和流体结构,控制着驱替效率、比界面面积、流体连通性和非润湿流体残余捕获。本文工作揭示了多孔介质渗吸驱替过程中的两相界面演化动力学、孔隙填充机制以及孔隙空间内的流体分布特征,厘清了孔隙结构和作业条件等多因素影响下的微观渗吸机理,建立了微观驱替机理与宏观驱替效率间的联系,为石油资源的高效开发、CO2安全存储和地下水污染物有效净化提供了理论依据。

关键词： 低渗透区   孔隙尺度物性   裂缝   双孔隙度   CMG  

摘要： 随着常规天然油气藏产量下降和对天然油气资源需求的增加,传统的天然油气资源越来越不能满足经济发展的需要。非常规来源的天然气和石油被视为最有前途的能源。例如,渗透性能好的油气藏已成为非常规油气资源开发的重点。四川盆地古老地层裂缝-孔隙型碳酸盐岩油气藏高渗部位储量已基本开发完毕。低渗透区域剩余储量大、采收率低,是减缓递减速率和提高采收率的关键潜在区域。 为实现微观认识与宏观认识的结合,有必要深入研究储层内部的微观孔喉特征和渗流机理,并对低渗透储层高效生产的边界条件进行协同分析,以便进一步分析影响低渗透储层高效生产的因素。通过本文研究,可以更好地了解低渗透储层的微观渗流特征和宏观开发特征,对于低渗透油气田的开发具有重要意义。在此基础上,对研究结果采用了升尺度方法,将孔隙尺度物性应用于CMG软件,对双孔隙度模型进行数值模拟并预测了储层未来油气产量。 结合孔隙尺度物性的大尺度分析结果表明,从微观尺度上在数字岩心中添加裂缝后,由于整个岩石系统的连通性得到改善,渗透能力提高,因此岩石渗透率增加。在此基础上进行宏观数值模拟时,由于岩石的流体流动特性得到提升,可以以较高的速度开采出更多的原油。

关键词： 格子Boltzmann方法   粘性指进   化学反应   固态物质析出   溶解模式   孔隙尺度  

摘要： 反应流体的输运过程广泛存在于自然界与工业应用中,如二氧化碳地质封存、油藏增产、环境污染物处理以及燃料电池等。由于孔隙结构复杂,且流体输运、溶质传输及化学反应之间互相耦合,因此多孔介质内反应流体的输运行为非常复杂。本文从孔隙尺度出发,基于格子Boltzmann方法研究多孔介质内反应流体的混合析出过程以及流-固反应导致的溶解现象,详细分析化学反应对界面组分分布特征的影响以及溶解产物对溶解过程的影响,为实际工程应用提供技术指导及理论依据。论文的主要工作包括: 首先采用分层模块化的设计方法,开发了多孔介质中反应流体输运的并行计算程序。通过模拟顶盖驱动方腔流及方解石颗粒的溶解过程,验证了并行计算程序的可靠性,并对计算程序进行了测试,结果表明计算程序具有较好的并行效率。 其次基于反应流体输运的并行计算程序,模拟研究了多孔介质内的反应流体粘性指进析出过程,分析了反应速率、成核速率以及聚集速率的影响。结果表明,化学产物、固相组分主要集中在指进界面处,且浓度分布受到反应速率和Peclet数的影响。另外,研究结果表明多孔介质结构会对流体输运过程产生明显影响。 最后研究了多孔介质中反应流体驱替过程中的溶解模式。重点分析了五种不同的溶解模式:致密溶解、锥形溶解、优势虫洞、分枝虫洞以及均匀溶解。此外,产物粘性变化会导致溶解模式改变,即分枝虫洞与优势虫洞之间的转变。

关键词： 土壤孔隙结构   生物膜代谢功能   生物膜群落结构   代谢组学   微流控技术  

摘要： 土壤微生物是驱动陆地生物地球化学循环的引擎。活性微生物主要以生物膜的形式存在于土壤环境中,其生物膜形成量、群落结构多样性和代谢功能差异与周围土壤的理化环境密切相关。前人研究表明土壤的空间结构是影响生物膜形成的重要因素。多孔网络结构的理化性质决定了液相流动,影响了细胞的空间分布、群体行为及进化过程。但是前人的研究大部分是基于实际土壤粒径分离和高通量测序技术研究土壤不同粒径团聚体中的微生物群落组成。而由于土壤不透光性和高度的时空理化异质性,土壤孔隙结构对生物膜形貌特征、代谢功能及群落结构等的影响鲜少有研究。为此,本研究采用微流控技术设计并制作四种孔径(20 μm、50μm、100 μm和300 μm)微流控芯片模拟土壤微环境,通过荧光示踪剂及显微成像表征土壤生物膜形成,结合扩增子测序及代谢组学来研究不同孔隙结构对生物膜群落组成的影响。本研究的主要结果如下:显微成像结果显示,土壤菌群的生长过程主要可以分为初始附着、表面定殖、发育成膜、生物膜成熟和生物膜衰亡五个阶段。随着孔径尺寸增加,土壤菌群形成生物膜至成熟的时间也逐渐增加。土壤菌群在小孔径芯片(20μm和50μm)中主要围绕着微柱生长成膜,成熟期能填满孔隙,造成生物堵塞;而在大孔径芯片(100 μm和300μm)中,土壤菌群主要分布在孔隙间,形成团聚体后逐渐连成带状、片状生物膜。胞外聚合物(EPS)组分含量随着孔径尺寸的增加而减少,蛋白在生物膜形成过程中起主导作用。大孔径芯片(100μm和300 μm)中具有呼吸活性细胞数量占比较高,分别为50%与48%。而小孔径芯片(20 μm和50 μm)中微生物对养分的利用更充分,摄取葡萄糖的细胞分别占63%与87%。16S rRNA测序结果表明,孔径大小显著影响土壤生物膜群落多样性。在生物膜成熟期,不同孔径芯片中的生物膜微生物类群存在显著差异。初始菌群中相对丰度最高的优势细菌类群是γ-变形菌纲、放线菌纲和β-变形菌纲。在生物膜成熟期,放线菌纲和β-变形菌纲的相对丰度增加,γ-变形菌纲的相对丰度降低。在20 μm芯片中,最优势细菌类群是放线菌纲,300 μm芯片中的最优势细菌类群为β-变形菌纲。其中,伯克氏菌属的相对丰度与芯片孔隙尺度成正相关。微生物种类数量随着孔径增大而增多。在大孔径芯片(100 μm和300 μm)中,微生物种类数量较多,竞争较激烈,影响了 土壤生物膜的形成。进一步通过代谢组学分析不同孔隙结构对土壤微生物代谢功能的影响,结果显示在土壤微生物生物膜成熟时期的代谢物中,脂类及类脂分子、有机酸及其衍生物所占的比例较多,占26.15%。20 μm芯片中筛选出的代谢物种类最多,50 μm芯片中筛选出的代谢物最少。小孔径芯片(20 μm)中代谢物之间相关性较复杂,存在各类代谢物共同调节,有机杂环化合物和有机氧化合物在共调节中起重要作用。另外,在20、50、100 μm芯片中主要是ABC转运蛋白的代谢受到了扰动,而在300 μm芯片中主要是硫胺素代谢存在显著差异。本研究结果揭示了不同孔隙结构对土壤生物膜形貌与群落特征的影响,为了解微生物在土壤界面上定殖过程及生物膜群落多样性与功能提供理论依据。

关键词： 两相流   驱替过程   孔隙尺度   孔喉结构   离散统一气体动理学格式   相场模型  

摘要： 在二氧化碳驱油过程中,充分理解地层孔隙内剩余油团的形成机理和分布规律对提高非常规油藏的原油采收率具有重要意义。地层孔隙由许多孔喉结构组成,对其中的微观流动机理研究面临巨大挑战。离散统一气体动理学格式(Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,DUGKS)具有数值稳定性好和网格灵活性高等优势,适用于处理孔喉结构内的两相流动问题。但由于DUGKS发展时间尚短,其关于两相流的研究仍然缺乏。因此本文首先发展相场DUGKS模型和边界条件,然后研究孔喉结构中的两相驱替过程。主要研究内容如下: 1、使用三阶WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)插值格式改善了DUGKS方法的求解精度。数值结果表明,该方法降低了相界面处的数值振荡,并且能模拟密度比达1000的静止液滴问题。 2、基于自由能模型,在相场DUGKS中实现了润湿性边界格式,并数值比较了线性格式、立方格式和正弦格式的优劣。结果表明,对于静态和动态润湿角,立方格式和正弦格式在模拟润湿角的准确度和有效范围两方面皆优于线性格式。 3、构造了能够求解大粘度比两相流动过程的DUGKS模型。该模型在水动力学方程的平衡态中添加剪切速度场信息,使得松弛时间与流体粘性解耦,降低了粘性对于数值稳定性的影响。数值实验证明该模型能准确而有效地模拟大粘度比流动过程。 4、基于上述模型及边界条件,研究了孔喉结构中驱油过程以及残余油滴流动机理。研究结果表明,剩余油存在两种形成机理:亲油润湿边界的束缚作用和孔喉骨架的剥离作用。经分析,得到了残余油滴的捕捉形态和释放形态之间的分界线表达式。