关键词： 微观孔隙结构特征   SEM图像   铸体薄片   Avizo   Image Pro Plus  

摘要： 本文以华北型石炭-二叠纪煤田,煤层间或煤层上部赋存的厚层砂岩含水层为主要研究对象,在了解和熟悉研究区域地质背景的基础上,对五个典型矿井（马兰矿、屯兰矿、李雅庄矿、吉宁矿、葛泉矿）主采煤层顶底板砂岩含水层组进行选点取样,以勘探钻孔为主要手段共获取砂岩岩心32块。为了探究砂岩微观孔隙结构特征电镜观察尺度的优质区间,以矿井地质学、水文地质学和分形理论为指导,综合运用岩石铸体薄片鉴定、CT三维重建、扫描电子显微镜（SEM）等多种分析测试技术,并结合已有的致密砂岩孔隙度和渗透率方面的研究成果,主要得到以下结论:1.经室内实验室测定得知,本次采集五个矿区的砂岩岩心均具有极低的孔隙度和渗透率。2.偏光显微镜观察铸体薄片可知,岩性为细粒砂岩和粉砂岩不等粒砂岩,颜色以灰白色、黑灰色为主,主要成分为岩屑,石英、长石次之;砂岩粒度级别以细粒为主,含有少量中粒;填隙物含量较高,以高岭石、菱铁矿、伊利石为主。***扫描结果可知,砂岩样品内多为连通度较差的小孔隙,不支持液体或气体流通。4.利用“小岛法”模型,应用Avizo、Image Pro Plus图像处理软件提取砂岩SEM图像微观孔隙结构的面积和周长,基于泊肃叶公式、达西渗流理论等计算了砂岩微观孔隙结构理论渗透率,结果表明:砂岩微观孔隙结构特征电镜观察尺度的优质区间是×200×1000,其中×500尺度下所计算的理论渗透率与实测渗透率最为接近,误差约为2.1%,即局部与整体反应出较强的自相似性;在该尺度下,得出理论渗透率与实测渗透率具有较强的相关性,这对矿区的煤层顶板防治水工作提供了一定的帮助。该论文有图50幅,表5格,参考文献75篇。

关键词： 地震勘探   频散   衰减   全频段   多尺度   孔隙介质  

摘要： 实际的油气储层和海底介质都是典型的孔隙介质。地震勘探和声学探测技术分别是油气资源勘查与海底调查的重要手段。弹性波的频散和衰减在孔隙介质波传播过程中尤为突出,更是油气地震预测及海底底质参数声学反演所需的重要属性。因此,对孔隙介质的弹性波传播规律进行研究,具有重要的科学与现实意义。弹性波在孔隙介质中传播时发生频散和衰减的主要原因是孔隙介质中固相与流相的相对运动造成,主要包括宏观全局流动,微观喷射流动及中观局部流动。本文将孔隙介质中三种尺度流体流动对弹性波传播的影响综合到一个理论模型当中。模型将孔隙介质等效表示为“十字型”结构,由固体骨架和两种孔隙流体组成,其中“十字型”内部和外部分别由不同性质流体饱和。基于弹性动力学机制,从基本的势能,动能和耗散函数出发,推导了该模型的波动方程,应用平面波分析法得到了弹性波的复波数,得到了三类波速度和逆品质因子的解,最后通过数值计算,分析了不同参数条件下,弹性波传播速度和衰减等传播特征。油气地震勘探的弹性波为低频,频率范围一般在5Hz至2kHz之间。而海底声学探测技术所采用弹性波频率一般为5kHz到数百kHz。因此,本文研究了1～10～8Hz频段内不同物性参数时弹性波的频散和衰减特征。

关键词： 界面追踪   相场模型   移动接触线模型   表面活性剂   孔隙尺度  

摘要： 多孔介质内两相流现象广泛存在于油气田开发中,深刻认识其流动特征对油气田开发具有重要意义。多孔介质两相流现象具有典型的多尺度特征,达西定律是从宏观尺度描述多孔介质内流动,不能直接刻画多孔介质结构和油水在孔隙内的流动过程,因此有必要从孔隙尺度探究多孔介质内两相流动机理。本文基于相场模型和Navier-Stokes方程建立了一套孔隙尺度两相流数值模拟理论和方法,研究了多孔介质内的渗流规律,主要结论如下:首先,基于标量辅助变量法构建了相场两相流模型线性解耦的数值格式,并严格证明了提出的数值格式的无条件稳定性,且数值结果表明新的数值格式比传统的数值算法更加精确。第二,基于热力学第一定律、昂萨格变分原理以及相应的热力学关系式推导出相场移动接触线模型。考虑两种相场移动接触线模型:基于纳威边界条件的等密度相场移动接触线模型和基于一般纳威边界的变密度相场移动接触线模型。针对等密度模型,采用标量变量法和稳定法构造了线性解耦的数值格式,针对变密度模型构造了非线性耦合的数值格式,并严格证明了上述数值格式的无条件稳定性。数值结果表明在相同网格精度和时间步长下新的数值算法计算效率和精度更高。第三,提出了相场表面活性剂两相流模型高效稳定的数值算法。考虑等密度和变密度的相场表面活性剂两相流模型,分别构造了一阶线性解耦的数值格式和一阶线性耦合的数值格式,并在此基础上提出了的高阶数值格式。一阶的数值格式具有无条件稳定性而高阶格式是有条件稳定的。数值结果表明构造的数值算法可以很好的模拟表面活性剂在两相界面吸附和降低界面张力的性质。第四,提出了相场表面活性剂移动接触线模型,并基于热力学平衡推导出表面活性剂的吸附平衡性质以及状态方程。采用标量辅助变量法和稳定法构造了非线性耦合但是具有能量稳定性的数值算法。利用提出的模型和数值算法研究表面活性剂对化学非均质壁面上液滴运动的影响,观察到液滴三种不同的运动模式并给出了判别运动模式的相图。采用孔隙尺度两相流模型和提出的数值算法研究了特高含水期数字岩心内剩余油流动规律以及多孔介质内渗吸过程,并提出了对渗吸过程所属的不同流域进行划分的能量毛细数和相图,且对前缘形态进行定量分析验证提出的能量毛细数和相图的正确性。

关键词： 孔隙尺度   X射线断层扫描   Navier-Stokes方程   格子Boltzmann   土壤孔隙   水运移  

摘要： 土壤水运移控制着陆地生态系统中几乎所有的物理和生物地球化学过程,对土壤水运移的研究具有非常重要的意义。土壤水运移发生在土壤孔隙中,但多数研究都是基于宏观数值模型,往往忽略微观特征。实际上,宏观现象是所有孔隙尺度过程的综合,因此孔隙尺度过程的模拟对于改善宏观模型以及了解土壤水运移微观机理至关重要。孔隙尺度模拟方法的发展加深了人们对水运移规律及水运移情况的了解掌握,但目前针对高密度比不混溶流体的方法还存在短板,并且鲜见用于真实土壤结构中接触角以及人为耕作活动对土壤水影响的研究。针对这些问题,本文采用孔隙尺度模拟方法结合X射线断层扫描技术开展了以下研究工作:1.提出了应用孔隙尺度Navier-Stokes方法模拟非饱和土壤水运移(水流模型),此方法在确定孔隙几何结构中的水分布,水-空气界面固定在空间的前提下,直接求解将水-空气界面视为边界的Navier-Stokes方程来数值模拟水运移。水流模型的正确性通过防滑固体壁上薄水膜流动的解析解进行了验证,然后采用提出的水流模型结合形态学模型模拟了3D土壤结构中的水运移,计算了不同饱和度下的渗透率,并与通过van Genuchten公式估算的渗透率进行了良好的拟合。2.采用非饱和土壤水运移格子Boltzmann方法结合X射线断层扫描技术,模拟了两个土样中不同接触角的孔隙水运移及重分布,分析了接触角对孔隙水分布状态的影响。结果表明:在接触角较小的土壤中,液态水会优先填充直径较小的孔隙,排挤出空气,使空气在大孔隙中汇集形成气泡;土壤中液-固界面面积随接触角减小而增大,气-固界面面积则刚好相反;液体输运通道直径随接触角减小而变小,气体输运通道直径则随接触角的减小先增大,后减小;土壤中固相表面的水密度最大,液态水的密度随接触角变化很小,但水蒸气密度随接触角减小显著降低;接触角较大时,饱和度对水蒸气密度无明显影响;接触角较小时,饱和度的增大会显著提高水蒸气的密度。3.在三种土壤质地类型的背景下,三种长期田间耕作系统的土壤通过X射线断层扫描技术在三维实现可视化并定量分析孔隙系统性质,然后采用饱和土壤水运移格子Boltzmann方法模拟计算了不同结构土壤的渗透率。结果表明:在微米尺度上,与免耕地土壤相比,草地和耕地导致粘土的孔隙率显著增加,连通性更高,并且植物的覆盖也是产生这种影响的主要因素;然而对于砂土,耕作和植物的覆盖对土壤结构没有明显影响;肥料可以促进耕作对土壤结构的影响,肥料种类影响促进程度。渗透率计算结果表明:在微米尺度上,耕作和植物覆盖对三种质地土壤渗透率都有明显影响;从土壤渗透率情况可以看出肥料并非全部促进耕作对土壤渗透率影响。综合不同土壤质地下土壤特性的情况得知,耕作方式对土壤特性的影响与土壤质地有关。通过本文的研究,从微观机理方面揭示了土壤水运移的规律及影响因素,为进一步模拟土壤中流体运动及物质迁移提供基础,并为土壤水资源研究及优化农业生产提供理论指导。对了解和研究其它多孔介质中流体情况也有非常重要的指导意义。

关键词： 纳米级孔隙   过渡流   瓦斯运移机制   微观边界限制   视渗透率  

摘要： 煤体是具有复杂孔隙结构的多孔介质,内部既有微纳尺度孔隙,也有毫米级的裂隙,其中纳米级孔隙数量和结构丰富。由于煤体纳米级孔隙尺度、瓦斯压力和游离态分子扩散效应的影响,微纳尺度孔隙中仍存在着多种气体传输机制。目前,针对连续流区和滑移流区的气体运移研究较为深入,但针对过渡流区的气体流动研究较少,认识不清,关键性因素考虑欠缺,造成许多理论模型难以应用于工程实际,存在着理论计算与实际情况相差较大的现象。因此,深入研究微纳尺度孔隙中过渡流的传输机理显得尤为迫切。论文基于微观边界限制,建立了微纳尺度孔道内气体分子的有效平均自由程模型:=1+9)?;基于Beskok-Karniadakis提出的过渡流气体传输模型,结合孔道内游离态分子传输模型和修正后的气体分子平均自由程,建立了考虑微观边界限制的纳米孔气体流动模型,推导出过渡流区气体流动的等效视渗透率模型;利用扫描电镜考察了定制的阳极氧化铝薄膜孔隙结构,结合MATLAB最大稳定极值区域算法,采用薄膜等效直径与孔隙率,量化表征了薄膜扫描电镜图像纳米级孔隙;利用气体渗透法孔径分析仪（PMI）,开展了不同稀薄程度气体下阳极氧化铝薄膜穿透实验,验证了考虑微观边界限制的纳米孔气体流动模型。研究结果表明:未考虑微观边界限制效应的微纳尺度孔隙中分子平均自由程比考虑的偏大,直接导致努森数的值也偏大;定制阳极氧化铝薄膜纳米孔的理论半径与等效半径相差较大,MATLAB最大稳定极值区域算法更准确、可靠;在0.3MPa～0.7MPa压力范围内,孔径越小,流量增率越大;微纳尺度孔隙的特征尺寸通常和分子平均自由程在相同数量级,孔隙尺度对分子平均自由程影响较大,因此有必要考虑微观边界限制对纳米孔隙气体流动的影响;传统气体渗流模型计算结果与实验结果相差较大,新建的纳米孔气体传输模型结果与实验结果更为相近,更准确,新模型可描述不同稀薄程度气体流动规律。研究结果可为低渗煤层高效抽采瓦斯以及煤层气开发提供理论支撑。

关键词： 多相流   相场模型   格子Boltzmann方法   部分混溶   孔隙尺度   提高采收率  

摘要： 碳捕获、封存与利用(CCUS)技术是我国低碳经济发展的重要选择。特别是二氧化碳强化采油技术不仅能够实现大规模碳封存,而且符合我国非常规油气开发的现实需求,因此成为CCUS技术的主要发展方向。在二氧化碳强化采油过程中,一个关键科学问题是理解孔隙尺度内部多相多组分流体的流动机理。由于微尺度实验难以采集多孔介质内部流体流动信息,孔隙尺度数值模拟成为渗流微观流动机理研究的一个重要研究手段。在孔隙尺度数值模拟中,格子Boltzmann(LB)方法由于容易处理复杂固体边界和高效并行的优势得到了广泛的关注和应用。但是,目前LB多相流模型在相界面捕捉的准确性和数值稳定性两方面仍然存在不足。本文在理论分析的基础上,首先完善和发展了LB多相流数值方法,然后以二氧化碳强化采油为应用背景,探讨了孔隙尺度内非混相和部分混相驱替过程中提高采收率的微观机理。本文主要研究内容和成果如下:1、通过对现有Cahn-Hilliard(CH)的LB模型进行了高阶多尺度展开分析,确定了恢复的宏观方程和目标CH方程的高阶误差项,通过消除主要误差项,提高了LB方法捕捉相界面的准确性。考虑相场方程描述静止液滴时可能出现的液滴自发消失现象以及壁面润湿性对孔隙尺度两相流的重要性,理论分析了壁面润湿性对液滴消失行为的影响。结果表明,接触角越小,界面厚度越大,计算区域越大,液滴消失的临界半径越大。2、鉴于表面张力作用力对两相界面行为具有关键的影响,然而目前相场LB模型中存在多种表面张力作用力模型,包括张量形式、势能形式、压力形式和水平集形式,如何选取合适的表面作用力模型目前还缺少研究。通过一系列标准算例比较了各种表面张力作用力模型的优势和不足。结果表明,对于稳态和小界面变形问题,势能形式在捕捉界面位置和虚假速度方面表现的更好;对于运动和大界面变形问题,张量形式在捕捉界面位置方面表现的更好。3、鉴于现有相场LB模型中序参量易超出其物理范围以及模拟两相密度比较小的问题,建立了两相多松弛LB模型。该模型能够维持序参量在合理范围之内,更准确地捕捉相界面特征,因此具有更好的数值稳定性。数值结果表明,该模型能够实现密度比高达1000的两相流问题。然后应用该模型研究了单个液滴穿过狭长喉道的动力学行为。结果表明,在亲水条件下,液滴在喉道上表面,喉道内部以及喉道下表面存在四种液滴破裂行为并导致小液滴滞留,其中喉内破裂后的小液滴不受重力影响,只和表面张力和润湿性有关;在疏水条件下,液滴不发生破裂并且总能够通过喉道。4、鉴于二氧化碳地质封存及强化采油过程中可能发生的部分混溶现象,建立了两相两组分部分混溶流体系统的数学模型。除了流动方程外,该模型还包括描述组分演化过程的守恒相场方程和描述相体积分数演化过程的非守恒相场方程,基于该数学模型建立了能够准确恢复控制方程的LB数值方法。该方法能够重现二氧化碳气泡在欠饱和溶液中的溶解现象以及二氧化碳气泡在过饱和溶液中的析出现象。最后,应用该模型模拟了基于真实岩心的均匀孔隙结构和裂缝孔隙结构内的部分混溶驱替过程,重点研究了二氧化碳溶解原油并降低原油粘度的作用。结果表明,对于高渗透率均匀孔隙结构,二氧化碳驱油能够有效提高原油采收率;对于低渗透率裂缝孔隙结构,二氧化碳驱油对原油采收率几乎没有影响。综上所述,本文从相界面捕捉的准确性和数值稳定性两方面改善和发展了现有的相场LB模型。通过研究单个液滴通过喉道的动力学行为和二氧化碳在多孔介质内的部分混溶驱替过程探讨了孔隙尺度内微观流动机理,模拟结果对发展提高二氧化碳封存量和非常规油气藏采收率技术具有一定指导意义。

关键词： 含铀砂岩   全尺度孔径分布   酸法浸出   孔隙结构演化   氮气吸附   核磁共振  

摘要： 含铀砂岩孔隙结构包含孔隙-裂隙双重介质,具有强烈的非均质性,这种复杂的特性对溶浸液的运移和铀浸出都有着重要的影响。因此,本文以伊犁盆地某铀矿床的含铀砂岩为研究对象,通过文献调研、现场取样和资料收集,结合多种室内岩石物理化学分析和酸法铀浸出实验,综合研究了此类含铀砂岩矿物组成、微纳米级孔径分布特征、非均质性以及各孔隙类型对孔隙度和渗透性的影响。并分析了在酸浸过程中,含铀砂岩微观孔隙结构演变特征及其主要控制因素,从而为提高含铀砂岩的铀浸出率和制定合理、高效和绿色的开采方案提供理论指导,为地下水对碳酸盐岩类地基和隧道工程的影响分析提供参考。主要研究内容与结论如下:（1）融合氮气吸附和核磁共振实验,获得含铀砂岩的全尺度孔径分布曲线。约60 nm和1μm孔径的粒间孔是该含铀砂岩的主要孔隙类型,控制孔隙度的大小,且其累积孔体积与岩石渗透性呈正相关。而溶蚀孔与其渗透性无明显相关性,但影响砂岩型铀矿床的采收率。（2）通过分析砂岩的微观孔隙非均质性和层间非均质性,该砂岩不同孔隙结构参数相对偏差变化趋势不一致,孔隙形态差异大且多变。砂岩孔径越小,微观孔隙非均质性越强。砂岩间孔径分布差异越大,含铀砂岩层的层间非均质越强。这种层间的非均质性导致岩层水平方向的渗透率变化,为合理设置井型井距参数提供依据。（3）开展含铀砂岩酸法浸出实验,该类铀矿床浸出过程中的浸出液铀浓度遵循指数函数规律。结合孔隙度变化过程分析,可将酸法浸出过程分为三个阶段。第一和第二阶段为表面化学反应控制的沉淀物堵塞,其中第一阶段是铀置换的主要完成阶段并伴随着CaSO4饱和沉淀,第二阶段主要为Fe（OH）3和Al（OH）3的析出。第三阶段为物理扩散控制的微小颗粒堵塞。通过不同阶段的堵塞机制和主控因素,可精确制定防堵措施。（4）分析每个浸出阶段孔径分布的变化规律,第一阶段产生大量的溶蚀孔,小孔径粒间孔被沉淀物堵塞,孔间连通性减弱,阻碍了溶浸液流通。第二阶段粒间孔和溶蚀孔的数量皆增加,渗透性有所提高。第三阶段粒间孔发生扩展-贯通,但部分溶蚀孔被微粒堵塞,总孔容减小,最终导致浸出液中溶质的运移速度减缓,影响铀浸出液回收。

关键词： 甲烷水合物   格子Boltzmann方法   分解   孔隙尺度   多场耦合   渗透率变化  

摘要： 天然气水合物是一种资源量丰富的潜在能源,天然气水合物藏开发是存在相态变化的多组分多相、非等温渗流过程。对多孔介质中甲烷水合物分解的基本认识对天然气水合物资源的开发利用和海底斜坡稳定性评价具有重要意义。在本文中,建立了一种基于格子Boltzmann方法的多孔介质中耦合非等温多物理化过程的反应输运孔隙尺度框架。该反应输运框架结合了甲烷水合物分解动力学模型,单相流动格子Boltzmann模型,传质格子Boltzmann模型和共轭传热格子Boltzmann模型。采用多个基准问题案例对该模型进行了验证,之后,利用该模型研究孔隙充填型水合物和颗粒包裹型水合物的吸热分解过程。分析了温度场、入口温度、入口压力对甲烷水合物分解过程的影响。此外,还采用线性回归分析渗透率、孔隙度、迂曲度和水合物饱和度的变化关系,建立渗透率变化模型,为宏观研究提供理论指导。研究结果表明,该模型能够很好的捕捉甲烷水合物分解过程中耦合的非线性非等温多物理化学过程,包括水合物固有分解动力学,气体流动,传质,相变传热以及共轭传热。较好的描述了不同水合物赋存状态下甲烷水合物分解的相态变化和孔隙结构演化,并对水合物分解前缘的演化和温度分布有了一定的认识。增大入口温度能够加速甲烷水合物分解过程,同样,降低入口压力也能加速甲烷水合物分解过程。另外,不同赋存状态水合物的归一化渗透率模拟结果与文献研究结果一致,这也说明了基于格子Boltzmann方法的水合物反应输运模型在水合物孔隙尺度生成/分解研究中具有广阔应用前景。

关键词： 孔隙尺度   格子Boltzmann模型   渗透率   四参数生长法   随机多孔结构  

摘要： 孔隙尺度下非牛顿流体模拟广泛应用于石油开采、生物医学中动脉瘤诊疗等领域,具有重要的实用价值和指导意义。由于非牛顿流体通常具有更复杂的本构方程,其粘度与剪切速率或速度梯度有关,传统计算方法难以有效处理这一问题。格子Boltzmann(LB)方法,作为一种具有动理学背景的介观数值方法,被广泛应用于非牛顿流体流动研究。它易于处理复杂边界、计算效率高、易于并行化,在模拟复杂流体流动时展现了极大优势。本文利用多松弛(MRT)格子Boltzmann模型研究孔隙尺度下非牛顿流体流动,并预测了多孔介质中非牛顿流体的渗透率的变化。首先,利用该模型数值模拟非牛顿流体(幂律流体和Bingham流体)在二维管道中的流动,验证了当前模型的有效性。当前MRT模型比传统Lattice-Bhatnagar-Gross-Krook(LBGK)模型更加稳定,且同样具有二阶精度。其次,将微观结构理想化为圆形、方形、三角形组成的三种多孔介质形状,其介质大小的变化产生了具有不同孔隙率的多孔介质,其渗透率随孔隙率呈现一定的变化趋势。相同孔隙率下,多孔介质渗透率受到其微观结构排列的影响,其中方形排列相比圆形排列下的渗透率低,三角形排列最低。受惯性效应的影响,孔隙下的渗透率在不同雷诺数下发生变化,且与非牛顿流体本身性质有关。最后,利用随机重建技术(四参数生长法)生成更接近现实孔隙的随机多孔结构。模拟随机多孔介质内流体的流动,基于孔隙内剪切速率计算等效粘度,定性的给出粘度对流体流动的影响。相比于理想化多孔介质,现实多孔介质下非牛顿流体与介质间的接触相对增多,渗透率在相同低孔隙率下更小且变化范围更小。同样,随机多孔介质中的流动也受非牛顿流体本身性质影响。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   CDI   多孔电极   Langmuir   孔隙尺度  

摘要： 电容去离子(Capacitive deionization,CDI)技术是一种能够快速去除盐溶液中带电离子的新技术。该技术是使盐溶液流过一对带电电极构成的通道,在电场的作用下实现对溶液中离子的吸附分离。与蒸馏、反渗透等传统脱盐技术相比,由于CDI操作成本低、环境友好、脱盐效率高等优点,近年来受到越来越多的关注。为了研究电容去离子技术的脱盐机理,首先设计并组装了电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元实验装置,并利用该装置在不同运行参数下进行了CDI脱盐性能实验研究,在此基础上,开展CDI脱盐机理分析。另外,结合格子Boltzmann方法在孔隙尺度下对CDI多孔电极内部离子的动态传质和吸附过程进行模拟与分析。主要研究内容如下:(1)宏观实验研究设计组装小型电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元,并构建完整的CDI脱盐系统,开展电容去离子脱盐性能研究。利用扫描电子显微镜(SEM)分析活性炭电极的表观形貌;利用循环伏安(CV)法分析了CDI多孔电极的电化学性能;研究了工作电压、溶液初始浓度以及进口流速等参数对CDI脱盐效果的影响,为CDI脱盐过程中运行参数的选择提供依据;利用等温吸附模型、吸附动力学模型分析了CDI多孔电极对溶液中离子的脱盐机理。(2)孔隙尺度下LBM模拟研究针对电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元的多孔电极负极,采用简化结构构造出CDI多孔电极二维骨架数字模型;将Navier-Stokes方程、浓度扩散方程以及Langmuir吸附模型耦合求解,提出了一种描述CDI多孔电极内部动态传质和吸附过程的LBM模型;对CDI多孔电极内盐溶液的动态传质和吸附过程进行模拟,探究了孔隙尺度下进口流速、孔隙率、颗粒粒径对CDI多孔电极吸附性能的影响。