关键词： grouting material   pore microstructure   pore interconnectivity   trans-scale study   nuclear magnetic resonance   thin-section analysis   random walk pore spectral dimension  

摘要： The pore structure and porosity of three kinds of mine grouting materials were characterized based on a thin-section analysis and low-field nuclear magnetic resonance (NMR) technique. The macroscopic pore interconnectivity was investigated using binary images captured from thin sections and a random walk pore spectral dimension (RWPSD) algorithm. The experimental results show that the microstructure of the grouting materials used consisted of interlayer pores, gel pores, capillary pores, circular air holes, and small fractures, and tailings can fill some gaps in the hydration product structure and dense hydration products. There is a positive correlation between pore interconnectivity and curing time. In addition, there is a relationship between pore interconnectivity and porosity. With increasing porosity and pore interconnectivity, a non-uniform pore structure occurs in mine grouting materials with an accelerator and results in reduced setting time and later strength.

关键词： 致密砂岩   孔隙尺度   应力敏感   有限元  

摘要： 油田开发过程中,有效应力随地层压力减小而增加,储层岩石发生形变,孔隙度及渗透率降低,应力敏感现象明显。基于应力敏感实验以及岩心CT扫描图像,采用MIMICS和ANSYS软件,利用有限元方法从孔隙尺度对致密砂岩岩心单轴受力及三轴受力过程进行模拟,分析了应力条件下孔隙结构的变化规律。结果表明:非均质性对储层应力敏感具有明显影响;单轴应力作用下,岩心孔隙边缘和孔隙连接处存在应力集中现象;节点位移呈层状分布且受应力传递的影响;三轴应力作用下,岩心骨架受力变形,孔隙概率分布左移,导致平均孔径、孔隙度及渗透率损失。孔隙度越高,其平均孔径降低幅度越大,即孔隙度降低幅度越大。

关键词： 水敏   CT原位扫描   QEMSCAN   孔隙尺度   岩心重构   不均匀伤害   有效渗透率  

摘要： 新疆莫北油田是典型的砂砾岩油田,矿场实践表明油藏存在严重的水敏伤害问题。为防止水敏伤害后储层物性变差,针对该地区砂砾岩水敏损伤机理展开研究,提出了一种基于CT扫描实验进行三维矿物分布重构研究水敏损伤机理的方法。通过对比QEMSCAN确定的矿物分布图和Micro-CT扫描岩心切片的灰度图,建立CT扫描灰度值与不同矿物组分的对应关系。然后对CT扫描的整块岩心矿物组分进行识别,并利用X射线衍射分析的矿物含量对识别结果进行验证。通过对比水敏前后重构的三维数字岩心,对水敏损伤机理进行了分析,利用重构的数字岩心并基于侵入-逾渗理论模拟了两相渗流过程,获得了伤害前后相渗曲线的变化特征。结果表明,造成水敏损伤的主要原因是非晶体矿物(黏土)的膨胀、分散和运移,在这一过程中大孔喉被分割成小孔喉,且喉道的损伤程度大于孔隙的损伤程度,进而导致了渗透率的下降。通过相渗曲线分析可知,发生水敏后,不仅绝对渗透率降低,相对渗透率亦降低,水敏对于油水两相的总有效渗透率的伤害是绝对渗透率伤害的1.6～2.0倍。

关键词： 煤炭自然发火   介尺度   表征体元   孔隙   尺度上联  

摘要： 煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提,煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是"尺度上联"。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元,以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法,相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法,由此明确了煤自燃研究中介尺度Ⅱ所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义,考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征,建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程,简述了求解过程,指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型,并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系,提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法,从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递,从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。

关键词： 煤   多尺度孔隙结构   扫描电镜   液氮-压汞联合实验   恒速压汞   渗透率   变质程度  

摘要： 煤中孔隙大小分布不均且分布范围较广,因而利用单一的方法难以对煤的多尺度孔隙结构进行有效地表征。为此,综合运用扫描电镜、低温液氮吸附、高压压汞、恒速压汞等实验方法,对煤的多尺度孔隙结构特征进行综合分析,并揭示变质作用对煤孔体积、孔比表面积的影响,以及煤岩渗透率与孔隙结构特征参数的关系。研究结果表明:(1)随煤变质程度增强,煤中纳米孔体积及孔比表面积均呈现先减小后增大的趋势,并且在R_(o,max)为1.8%左右时达到最小值;(2)煤样孔隙半径、喉道半径整体均呈现正态分布,并且随着煤变质程度的增加,最大分布频率对应的孔隙半径增大;(3)低煤阶烟煤煤样的喉道半径分布范围最宽,最大连通喉道半径及喉道半径平均值均最大;(4)无烟煤煤样的喉道半径分布范围最窄且最大连通喉道半径最小;(5)低、中煤阶烟煤煤样的孔喉比分布存在着单一主峰,并且主峰对应孔喉比相对较小;(6)煤岩渗透率与孔隙度、喉道半径平均值表现出了较好的正相关关系,其与孔喉比平均值呈负相关关系,而与孔隙半径平均值的关系则不明显。

关键词： 无膜微流体燃料电池   空气自呼吸阴极   孔隙尺度模拟   传质   格子Boltzmann方法  

摘要： 作为面向便携式移动电子设备的微型电源,微型燃料电池是燃料电池技术的重要分支,有重要的科学研究价值和工程应用前景。常规的微型直接液体燃料电池存在水管理困难、质子交换膜降解老化等问题,而无膜微流燃料电池（MMFC）利用微通道内平行层流自然地分隔燃料和氧化剂,去除了质子交换膜及复杂的流场板,已成为微型燃料电池领域新的技术发展方向和关注热点。空气自呼吸MMFC直接利用空气中的氧气消除了阴极侧采用溶解氧作为液态氧化剂引起的传质限制,提升了电池性能。近年来由于新型阳极结构和燃料传质强化,空气自呼吸阴极在高电流密度下会出现传质限制,影响了电池性能的进一步提高。因此有必要研究MMFC空气自呼吸阴极内的物质传输及电化学反应转化过程,揭示其影响规律和作用机制。但现目前MMFC空气自呼吸阴极已有数值模拟研究主要基于宏观模型,将扩散层、催化层等多孔介质简化为均质、各向同性多孔材料,对扩散层和催化层微观结构特征、物质传输和转化过程之间相互影响规律和作用机制尚不明确。针对上述研究不足,本课题针对MMFC空气自呼吸阴极,从介观角度探究各部件内部多组分传输过程和电化学反应相互耦合机制,为空气自呼吸多孔阴极结构设计提供指导性的研究成果。主要内容包括:（1）基于随机数值重构方法建立了扩散层和催化层微观结构的三维模型,通过参数调整控制生成多孔介质的形貌特征,同时预测了传输特性参数。（2）基于重构的催化层微观结构,采用BGK-LBM建立了耦合主流道影响的催化层内单相模型,研究了催化层孔隙率、过电位、各向同性/各向异性、聚合物电解质质量分数、电解液流量、铂载量对氧气传递过程和电化学反应动力学的影响。（3）针对耦合电解液主流道的空气自呼吸阴极内多组分物质传输与电化学反应转化过程,基于Fortran语言自编程开发了LBM模型,解决了大扩散系数比导致的数值不稳定性问题,研究了孔隙率、过电位、电解液流量、各向同性/各向异性扩散层、相对湿度对氧气、水蒸气在孔内、催化界面处、电解液内的扩散以及电化学反应的影响。主要研究成果包括:（1）常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数和有效质子电导率,从而高估空气自呼吸阴极性能。本文拟合Deff计算值得到公式:Deff=ε3.5Dbulk。（2）在催化层中,影响氧气传输的反应速率的主要原因是催化层微观结构的变化导致孔隙大小、聚合物电解质分布、反应位点数量及分布差异。孔隙率增大,传质阻力减小,反应位点数量降低,氧气浓度增大,平均电流密度越大。聚合物电解质质量分数的改变会改变氧气传输阻力和反应位点数量,聚合物电解质质量分数为0.3时,平均电流密度较高。催化剂制备须慎重选择聚合物电解质质量分数,既需要保证足够的反应位点数量,也需要避免因聚合物电解质质量分数过高导致氧气传输过于困难。相比于各向同性和横向排布各向异性,纵向排布各向异性结构的催化层电化学性能较好,因此有序电极开发是下一阶段催化层结构设计的发展方向。电解液流量对氧气传输影响不显著,但提高电解液进口流量会略微降低平均电流密度。当进一步考虑铂颗粒的影响时,缓慢的反应动力学和铂颗粒数量成为了影响电化学性能的主要因素,催化剂制备不能单纯增加或降低铂载量,应同时考虑成本和铂颗粒有效利用率的问题。（3）扩散层微观结构对反应气体的传输有重要影响,孔隙率减小导致传输阻力增大、局部氧气浓度和水蒸气浓度降低,并且复杂的多孔结构会造成局部反应速率不均匀分布。各向异性的扩散层性能优于各向同性。空气中相对湿度增大,扩散层中水蒸气浓度增大,高电流密度时可能发生水蒸气冷凝形成液滴堵塞扩散层孔隙,降低氧气传质速率,因此电池应尽可能运行在较低的相对湿度工况。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度模拟   格子Boltzmann法   生物质炭   流动模拟   溶质运移  

摘要： 研究孔隙尺度上的土壤水流与溶质运移过程对于了解植物根际养分吸收、微生物活动、地下水污染过程有重要意义。由于在微观尺度上进行实验研究具有较大难度,利用微观CT技术获取较高精度的土壤孔隙结构信息,再基于CT图像进行直接建模已成为孔隙尺度研究的热点方法。在孔隙结构给定的情况下,水流过程的模拟可以通过计算流体力学方法求解Navier-Stokes(N-S)方程实现。传统的数值模拟手段主要通过有限元法、有限体积法、有限差分法等对N-S方程进行离散求解。但是,这些方法在处理多孔介质的复杂边界时常常遇到困难,模拟结果难以收敛。格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是一种联系宏观与微观,具有动力学背景的介观数值模拟方法,可有效解决在多孔介质复杂边界内模拟的难题。本文基于格子Boltzmann法在同步辐射X射线显微CT获取到的高精度多孔介质结构中进行水流运动和溶质运移的模拟,实现了对真实三维土壤团聚体(分辨率3.7μm,节点数达64,000,000)中水流运动和溶质运移过程的直接模拟,探究了多孔介质空间异质性对土壤水力学特性以及溶质运移特性的影响,并利用发展起来的模型方法量化分析了生物质炭在改良土壤团聚体结构中的水力学效应及对溶质运移的影响。具体工作如下:(1)开发了一套基于LBM和GPU(Graphics Processing Unit)并行技术的孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法。利用基于BGK(Bhatnagar、Gross、Krook)近似的单松弛度模型进行孔隙水流和溶质的模拟。这一方法采用了格子Boltzmann法D3Q19模型分别对N-S方程和对流-扩散方程进行回溯,并基于GPU架构实现水流和溶质运移的并行模拟。(2)我们采用开发的方法首先对人工构建多孔结构中的水流运动和溶质运移过程进行模拟,并在异质性程度不同的孔隙结构内进行测试,得到了渗透率、迂曲度、纵向弥散系数等宏观参数以描述多孔介质的水力学特性。随后,将三维格子Boltzmann法应用于真实土壤样品结构的水流运动和溶质运移模拟中。经过多次GPU并行优化之后,计算效率得到极大提升,实现了更大尺度样品的模拟,为后续进行更深入的研究提供了有力支持。(3)将该方法用于研究生物质炭添加对于土壤团聚体水力学性质的影响。为探明生物质炭用于黏土改良时对土壤饱和水力学特性的影响的微观机理,我们选择红壤和砂姜黑土作为低产土壤的代表,利用杂木炭来进行培育改良。在由同步辐射X射线显微CT获取生物质炭添加前后的团聚体结构图像的基础上,直接进行三维格子Boltzmann法的孔隙水流模拟,得到了完整的流场;进而研究了生物质炭改良引起的渗透率、迂曲度的变化情况,发现弯曲无定向的孔隙结构造成了测试样品的渗透率和迂曲度的各向异性,这种特性较难通过传统实验来确定。另外,我们探究了渗透率、迂曲度与样品尺寸的关系,即尺度效应。(4)最后,在流动模拟的基础上,利用LBM模拟孔隙结构中溶质的对流弥散运移过程,进一步探索生物质炭添加对于溶质运移的影响。研究发现,生物质炭改良降低了黏土孔隙水流速的空间变异性,在改良团聚体内部的弥散系数提高了一个数量级,这不仅与溶质的扩散有关,更由孔隙结构变化引起的流场变化直接决定。我们观察到在相同的水力梯度下,生物质炭改良后的土壤中更容易发生反常弥散,即弥散通量与浓度梯度之间的关系偏离菲克(Fick)关系。而这一现象的产生,是由机械弥散、分子扩散等不同机制所主导,可通过不同Pe数下的弥散系数分区进行进一步界定。本研究开发了一套高性能孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法,首次结合同步辐射X射线显微CT和孔隙尺度物理模型研究了生物质炭改良对土壤团聚体水力学特性和其内部的溶质运移过程的影响。论文中提出的理论和方法对于认识多孔介质中水流运动和养分迁移的微观机制有着重要意义。

关键词： 泡沫材料   热辐射   光谱特性   孔尺度   半透明   双尺度耦合  

摘要： 高孔隙开孔泡沫材料是一种轻质的新型高效换热介质,在太阳能高温热利用、电子器件冷却、高效强化换热、高温储热等技术领域具有广泛的应用需求和发展前景。在高温应用中,泡沫材料内的辐射传输规律与特性对系统技术性能起着关键作用。目前对此类过程的复杂热辐射输运机理与特性缺乏深入研究,尚未掌握辐射能量与孔隙结构的细观作用机制,缺乏高温辐射特性数据及可靠的预测方法,从而制约了高孔隙泡沫材料的高温应用与相关新技术的发展。本文针对耐高温高孔隙开孔泡沫材料的孔隙尺度辐射传输问题,开展孔隙结构的参数化仿真重建、孔隙尺度辐射传输数值建模与机理分析、辐射特性参数预测及实验测量、双尺度耦合分析等研究。采用SEM和μ-CT技术获取镍泡沫和氧化铝泡沫的形貌图像及结构特征数据,统计常用的结构表征参数。采用Voronoi元胞模型对这两类泡沫材料进行参数化结构仿真重建,并进一步对泡沫骨架的典型肋筋进行更细致的结构描述。在上述研究基础上,针对基材不透明(金属)和半透明(陶瓷)两类泡沫材料,在几何光学假设下,采用MCRT法,分别建立孔隙尺度辐射传输的模拟方法和辐射特性参数求解模型,编制计算程序,进行可靠性验证。进一步,针对MCRT计算量大的问题,基于空间剖分算法,构造孔隙尺度辐射传输模拟的加速求解技术。基于μ-CT扫描结构,分析镍泡沫板的发射和反射辐射特性的孔隙尺度特征。基于参数化重建的泡沫仿真结构,计算分析材料的衰减系数、散射反照率、散射相函数等介质辐射特性参数,拟合预测关联式;预测镍、铜泡沫材料的高温介质辐射特性。利用FTIR光谱仪,测量镍泡沫的法向-法向透射比;结合积分球,测量镍泡沫的法向-半球透射比/反射比数据;通过测量数据与孔隙尺度模拟结果、关联式预测结果的对比,验证泡沫仿真结构和孔隙尺度辐射传输模拟方法的可靠性。将孔隙尺度辐射传输模拟应用于高温镍泡沫的等效黑体温度分析,并考察连续尺度模拟方法的可靠性。针对基材半透明的泡沫材料的μ-CT扫描结构,模拟分析氧化铝单肋筋和泡沫板的表观辐射特性。基于参数化表征的泡沫仿真结构,从孔隙尺度计算获取介质辐射特性参数、建立预测关联式;基于关联式,预测氧化铝、氧化锆两种陶瓷泡沫的高温介质辐射特性参数。实验测量氧化铝泡沫的法向-法向透射比、法向-半球透射比/反射比数据,验证半透明肋筋泡沫材料辐射传输的孔隙尺度模拟和预测关联式的可靠性。针对高孔隙泡沫材料辐射传输的孔隙尺度模拟计算效率低、而连续尺度模拟无法直接反映孔隙结构依赖性的问题,提出求解基材不透明和半透明泡沫材料辐射传输的双尺度耦合模拟方法。将该模拟方法分别应用于镍泡沫和氧化铝泡沫的辐射传输分析,发现能够在一次模拟中同时获得孔隙尺度和连续尺度的辐射传输信息,并大幅度提高计算效率。通过本文研究,发展了泡沫材料仿真结构的参数化表征方法;建立了半透明肋筋泡沫材料内辐射传输的孔隙尺度分析模型和模拟方法;构建了高效求解金属泡沫与陶瓷泡沫内辐射传输的双尺度耦合模拟方法;预测了镍、铜、氧化铝等典型泡沫材料的高温辐射特性数据;明确了这些泡沫材料辐射特性与其基材辐射性质、孔隙结构参数之间的定量依变关系。上述研究,为深入认识高孔隙泡沫材料的孔隙结构及辐射传输机理、预测泡沫材料的高温辐射特性参数提供了理论基础和分析方法。

关键词： CO2封存   润湿性   非均质性   孔隙尺度   X射线CT  

摘要： CO2咸水层封存作为一种封存潜能巨大的碳减排技术,是实现我国碳减排目标、缓解温室效应与全球气候变化有效且迅速的手段。微观尺度阐明CO2咸水层封存机理对于评估其封存潜能与安全性具有重要意义。咸水层具有岩石矿物组成多样、地质结构复杂的特点,因此岩层润湿性与非均质性研究对于CO2咸水层封存至关重要。以此为背景,本文开展了孔隙-岩心尺度润湿性与非均质性对CO2咸水层封存的影响机理研究。搭建了CO2封存模拟可视化实验平台,开发孔隙尺度气-液-固三相识别与分析方法,实现了岩心孔隙壁面的局部润湿性表征,阐明了地层温度、压力、盐度等因素对岩石润湿性的影响;研究了孔隙-岩心尺度岩石润湿性与非均质性对气-水两相流动和CO2捕获的影响机理,发现了CO2-咸水在孔隙内的微观运移机理与形态分布特点。具体研究内容如下:设计搭建了基于微焦点X射线CT与微孔玻璃板模型的CO2封存模拟可视化实验平台,开发了气-液-固三相CT扫描与灰度分析技术,采用局部阈值分割法解决了CT图像中气液两相因灰度值接近难以识别的问题,并基于CT图像获得了玻璃砂、石英、长石与白云石填砂多孔介质的孔喉分布、迂曲度、孔隙特征和相表面曲率等重要参数。提出了应用孔隙尺度局部接触角表征多孔介质润湿性的方法,实现了 CO2-咸水接触角孔隙尺度原位测量,发现多孔介质局部接触角具有正态分布特性,驱替与吸入过程存在接触角迟滞现象,其主要原因是受流速影响区域相界面会产生膨胀或收缩,盐度、温度和压力的增加均会使岩石的润湿性变差。研究了驱替过程非均质性与润湿性对多孔介质内CO2-咸水流动影响。非均质条件下,驱替稳定性会随驱替前缘的发展而变差,毛细管力“栅栏效应”破坏了均质条件下CO2饱和度与局部孔隙度的线性关系;对于垂直向上驱替过程,非均质性对CO2分布的影响随着注入速度的增大而增强,对于垂直向下驱替过程结论则刚好相反。在相同注入流速下,多孔介质润湿性越强,越容易发生CO2对咸水的局部不稳定驱替,驱替过程结束后润湿性的变差会使水相连续性变差,并导致CO2-咸水相界面面积减小。在CO2封存后期咸水吸入过程中,在玻璃砂和石英砂填砂岩心内均观测到了气、水柱塞式移动前缘和CO2夹断现象,CO2毛细捕获易发生在润湿或孔隙结构转变的区域。发现了单个孔隙内CO2破裂现象,它易发生在高流速且具有大孔隙、细长喉道的多孔介质中,CO2破裂后会形成大量附着于孔隙壁面的孤立气泡,增加了CO2与咸水的接触面积,有利于CO2溶解捕获的发生。

关键词： Petroleum engineering  

摘要： Chemical additives such as surfactants, microemulsions (MEs), and nanofluids are often added to brine to enhance oil recovery or remediate aquifers contaminated by non-aqueous phase liquids (NAPLs). The goal of this fundamental study was to examine the effect of these additives on multiscale oil displacements in six aged sandstones and carbonates (Berea, Bentheimer, Tensleep, Arkose, Edwards, and Fond Du Lac) and identify the test conditions in which chemicals exhibit superior performance. Several mechanisms such as reduction in NAPL/brine interfacial tension (IFT), oil emulsification, reduced NAPL layer thickness, and wettability alteration were responsible for the recovery enhancement. Macroscale tests indicated that the solubilization capacity of MEs was superior in Tensleep compared to Berea and Edwards due to MEs’ unique ability to penetrate microporous dolomites and alter their wettability. This solubilization ability was confirmed by x-ray microtomography experiments with Arkose where MEs were able to restore the wettability of pore surfaces by penetrating rough carbonate cements and desorbing asphaltenes in the form of small emulsified NAPL droplets. The surfactant formulation was further optimized to improve MEs’ ability to enhance NAPL recovery. Four different nonionic surfactants (alkyl glucosides, linear/branched alcohol ethoxylates) were selected to establish structure-function relationships in some of these rocks. The synergistic mixing of alkyl glucosides with alkylphenol ethoxylates exhibited a compact geometrical packing at NAPL/brine interfaces and a complementary effect on IFT reduction and wettability alteration, recovering the largest amounts of NAPL in carbonate-bearing rocks compared to other surfactants. This mixture was then used to prepare a nanofluid composed of microemulsions with in-situ synthesized silica nanoparticles. The microscale NAPL displacements by the nanofluid in Arkose sandstone was examined using a micro-CT scanner integrate