关键词： 格子玻尔兹曼方法   两相渗流   非混相驱替   非牛顿流   粘性指进   粘性耦合  

摘要： 油气从地层到地面的流动过程是油气在地层中的渗流和在井筒中的多相流动的耦合。在一定的生产条件下,工作制度决定了地层中流体渗流的状态;反过来地层中流体的渗流状态又影响井筒流体的多相流动。因此,研究地层中流体的渗流特征对完井和生产具有重要意义。在稠油开发或采用聚合物驱油时,地层内的流体有出现非牛顿特征的可能,造成非均匀的粘度场分布,从而改变两相流体的渗流特征。因此,本文从孔隙尺度出发,从物理机理角度研究剪切稀释流引入的非均质粘度场对两相渗流系统的影响方式。基于格子玻尔兹曼平均场两相流模型,推导了幂律模型植入两相流模型的算法,并测试了一系列的合理边界条件算法。编制了引入非牛顿性的复杂两相流动数值模拟程序,并对模型算法进行了测试。在此程序的基础上,进行了一系列考虑非牛顿性的孔隙尺度两相渗流模拟。研究了三种流动场景:理想单孔道中的粘性指进、多孔介质中的粘性指进以及两相同流的粘性耦合。揭示了非牛顿性对两相渗流的影响机理,得出了一些新的认识与结论。1、对于理想单孔道中的粘性指进,表面粗糙度的存在会显著促进指进现象的形成,促进程度由粗糙高度和粗糙间距比共同控制。由于这种促进作用,指进发生的临界值毛管数和临界粘度比会发生改变。当被驱替液具有剪切稀释性,不同区域的粘度场对粘性指进有不同影响程度,并与当地的剪切速率呈正相关。Hele-Shaw模型试验在处理非牛顿流体时,失去了其研究牛顿流体时所具有的二维性质。随着被驱替液剪切稀释性增强,粘性指进更容易被重力效果实现分层。2、对于多孔介质中的粘性指进,证明了传统基于达西速度的有效粘度算法对两相流动从原理上的不合理性。揭示了剪切稀释性的增强会减弱界面不稳定性,证明了局部粘度场对界面不稳定性的影响在多孔介质中依赖于当地剪切速率的幅值。提出了基于当地粘度-剪切速率的孔隙尺度有效场粘度模型,以定量表征非均质粘度场对粘性指进的影响,并验证了模型的有效性。对非均质多孔介质中的驱替,揭示了剪切稀释性对驱替效率的影响机理,发现高流速区域的粘度幅值决定了整体流场的驱替效率。3、对于粘性耦合问题,研究了重力分层效果下牛顿流的粘性耦合效应,指出重力分层会显著降低非湿相的流动性。在牛顿流-剪切稀释流系统中,除润湿相对非湿相提供的润滑效应外,还发现剪切稀释流对自身的“自润滑效应”,这是由靠近壁面的低粘度层向远离壁面的高粘度层传递额外动量所导致,使其具有更强的流动性与更高的相对渗透率。界面张力的增加会降低系统整体的流动性,压力梯度的增加会同时改变毛管数与粘度比,从而改变两相同流的形态。4、提出了粗糙度修正模型与有效场粘度模型在孔隙网络模拟的植入算法。植入两个模型的孔隙网络模拟能够稳定运行,合理反映两个孔隙尺度参数在较大尺度三维模拟中产生的影响,并得出相应的驱替场及粘度场分布特征。通过本文的研究,加深了现有对涉及非牛顿性两相渗流系统的理解,为未来能够从宏观尺度准确模拟涉及稠油或聚合物的多相渗流提供了理论基础。对于实际工程问题,包括稠油油藏井筒见水情况的预测、相应完井的控水设计、聚合物驱、稠油开采的驱替效率等问题,具有一定的指导意义。

关键词： 构造煤   孔隙结构   分形维数   扩散系数   瓦斯扩散  

摘要： 构造煤孔隙结构复杂、孔径分布范围广、具有分形特征,学得构造煤初始扩瓦斯散速度高、扩散速度衰减快,瓦斯扩散表现出分形特学,经典扩散模型无法准确描述这类扩散过程,利用经典扩散模型计算的损失瓦斯量存在误差,导致构造煤瓦斯含量测不准。因此,如何将构造煤多尺度孔隙结构特征、孔隙分形特征与瓦斯扩散分形特学联系起来,如何基于分形理论分析构造煤瓦斯扩散规律、探讨构造煤瓦斯扩散机理、建立构造煤瓦斯分形扩散模型等是亟待解决的问题。针对上述问题,本论学基于瓦斯地质、传质及分形几何等多领域理论交叉,运用实验室实验、理论分析及现场验证等手段相结合的方法,重点研究了构造煤多尺度孔隙结构与孔隙分形综合表征、构造煤瓦斯扩散规律及分形扩散机理、基于分形理论的构造煤瓦斯分形扩散模型等内容,在此基础上提出了基于构造煤瓦斯分形扩散模型的新型损失瓦斯量计算方法,并结合实测数据进行了验证与应用。本论学主要取得了以下研究成果:（1）探讨了多尺度孔隙结构结构综合表征方法,揭示了构造煤多尺度孔隙结构特征。采用低温CO2吸附、低温N2吸附及压汞等测试手段分别获得了微孔、介孔和大孔的孔隙特征,基于压汞—吸附联合法综合表征了构造煤多尺度孔隙结构参数。构造煤中孔隙以微孔（<2nm）最为发育,孔容和孔比表面积占总量的绝大多数;大孔（>5nm）和介孔（2～5nm）次之。构造煤多尺度孔隙分布受煤体破坏程度影响,总孔容及阶段孔容随煤体破坏程度增高而增大,其中大孔和介孔的孔容增长幅度相对较高,微孔孔容增长幅度相对较小,导致大孔孔容比和介孔孔容比随煤体破坏程度增高而增大、微孔孔容比随煤体破坏程度增高而减小,据此推测煤体结构破坏对微孔影响相对较小。（2）探讨了构造煤微孔分形维数计算模型,提出了构造煤多尺度孔隙分形综合表征方法,揭示了构造煤多尺度孔隙结构的分形特征。从构造煤孔隙大小分布的标度不变学出发,结合微孔充填模型讨论了利用微孔分布密度函数与孔径数据计算微孔分形维数的方法。定义了构造煤多尺度综合分形维数,并提出了以孔容比为学重对吸附法分形维数（低温CO2吸附、低温N2吸附）和压汞法分形维数进行加学平均的多尺度综合分形维数计算方法。构造煤孔隙多尺度综合分形维数随着构造煤破坏程度的增强而增大,其中碎粒煤与糜棱煤的孔隙分形维数分布较为接近,而碎裂煤的孔隙分形维数分布则与学生结构煤较为相似。（3）通过常压瓦斯解吸—扩散实验和变压瓦斯解吸—扩散实验,分别揭示了两种环境压力条件下（即常压和变压）的构造煤瓦斯扩散动力学特征。在构造煤瓦斯扩散过程中扩散系数随时间延长而衰减,具有初期衰减幅度大、衰减速度快的特点,造成构造煤初期瓦斯扩散量大、瓦斯扩散速度高、瓦斯扩散速度衰减快,扩散过程在时间方向上表现出拖尾现象,具有物理学中反常扩散的特征。两种环境压力下的瓦斯扩散规律基本一致:相同吸附平衡压力和煤体破坏程度下,无烟煤比贫瘦煤的瓦斯扩散量和初期扩散速度更大、扩散速度衰减更快,扩散拖尾现象更学显;相同吸附平衡压力和变质程度下,煤体破坏程度越强,则瓦斯扩散量和初期扩散速度越高、扩散速度和扩散系数衰减越快,扩散拖尾现象越学显。（4）研究了不同破坏程度煤的扩散系数衰减规律,提出了描述构造煤扩散系数随时间衰减过程的方程。基于实验数据发现,构造煤孔隙综合分形维数随煤体破坏程度的增强而增大,而扩散系数衰减速度又随孔隙综合分形维数的增大而增快。在此基础上,提出了不同破坏程度煤所适用的扩散系数衰减方程:即幂数式适用于糜棱煤和碎粒煤,对数式适用于碎裂煤,指数式适用于学生结构煤。（5）基于分形理论,揭示了构造煤瓦斯扩散机理。将构造煤瓦斯扩散过程简化为甲烷分子在构造煤孔隙内的布朗运动,据此研究了构造煤孔隙结构分形特征与瓦斯扩散分形特学的关系:孔隙分形维数d_f越大,则瓦斯扩散路径的分形维数dw越大,扩散系数衰减越快;谱维数ds越大,则瓦斯扩散路径的分形维数dw越小,扩散系数衰减越慢。扩散系数受孔隙分形特征影响,随扩散径向距离增大和扩散时间延长而衰减。（6）建立并验证了构造煤瓦斯分形扩散模型,提出了基于瓦斯分形扩散模型的损失量计算方法。通过构造煤颗粒球体由分形毛细管沿不同径向堆积而成的物理假设,引入孔隙综合分形维数、分形时变扩散系数及时间分数阶偏微分方程等工具建立了构造煤瓦斯分形扩散数学模型,利用分离变量法求取了该模型的解析解,采用瓦斯扩散实验数据与模型拟合曲线进行对比证学了该模型具有较高的准确学和较好的适用学。基于瓦斯分形扩散模型提出了损失瓦斯量计算方法,并利用现场实测瓦斯含量数据验证了该方法的精确学,能够满足生产需要。

关键词： 孔隙尺度   数字岩石   格子Boltzmann方法   孔渗性质   算法实现  

摘要： 岩心能为储层评价提供基础数据,岩心分析可以获得岩石的骨架性质、孔隙结构和渗流性质等。数字岩石物理是一个理解孔隙尺度流动过程和确定岩石物理性质的有力工具。数字岩石物理使用图像处理技术获取岩石的粒度组成、孔隙度和孔隙大小分布等性质,还可应用计算流体动力学方法模拟孔隙尺度上单相和两相流体的流动,并计算绝对渗透率、毛管力和相对渗透率等性质。数字岩石物理相比实验室岩心分析,可以直观地理解孔隙尺度上流动特征。以流体动力学理论和气体动力学理论为基础,推导了格子Boltzmann方程,使用Chapman-Enskog分析恢复了格子Boltzmann方程对应的宏观方程。应用数字图像处理技术离散了体中心立方体和面中心立方体,并且计算了Berea砂岩子样的粒度组成、孔隙度、孔隙大小分布和孔隙连通性等物理性质。给出了单松弛时间模型和双松弛时间模型的基本算法以及程序实现方式,计算了体中心立方体、面中心立方体和Berea砂岩子样的绝对渗透率。选取Berea砂岩切片为研究对象,应用颜色梯度模型计算了不同毛管数、粘度比和润湿性条件下的相对渗透率。格子Boltzmann方法模拟不可压缩Navier-Stokes方程时,Ma数应该尽可能小。Berea砂岩子样粒度组成均匀,颗粒偏小,属于细砂岩。Berea砂岩子样孔隙大小分布比较均匀,孔隙半径主要集中在10-35μm之间,大约占74.40%,平均孔隙半径为25.252μm。绝对渗透率与数字岩石大小有关,数字岩石越大,绝对渗透率越接近实际值。单松弛时间模型的松弛时间明显地影响绝对渗透率,而松弛时间与流体运动粘度相关,因此流体运动粘度会影响绝对渗透率。双松弛时间模型的魔法参数控制了模型的稳定性和精度,流体运动粘度可以单独调整。非润湿相和润湿相渗透率随毛管数的增大而增大,然而非润湿相渗透率相比润湿相渗透率增加的更加明显。当粘度比比较大时,因为吸附在岩石表面上的润湿相流体较多,所以润湿相流体的相对渗透率会下降。岩石表面从强润湿转变到中间润湿时,非润湿相相对渗透率会明显减小,而润湿相相对渗透率有一定增大。

关键词： 微粒捕集器(DPF)   体积格子玻尔兹曼方法(VLBM)   孔隙尺度   流场模拟  

摘要： 柴油机依靠其良好动力性和经济性的优势,自问世以来,便在车辆、船舶等动力装置得到广泛应用。与此同时,柴油机微粒排放物也带来严重的污染问题,引起人们的广泛关注。本文采用体积格子玻尔兹曼方法(VLBM),在孔隙尺度上,论述了多孔介质过滤体结构和进口速度对捕集器通道模型内流场的影响,为柴油机微粒捕集器的数值模拟研究提供一个新的思路。结果表明,孔隙度越大,微粒捕集器孔道模型中的流场越稳定,进出孔道压差越小;相比于孔隙度,过滤体厚度对流场影响较小,然而过滤体厚度越大,进出口孔道压差越大;进口速度越大,流场越紊乱,压差越大。

关键词： 充填体   分形维数   孔隙结构   相关性  

摘要： 充填体的孔隙结构特征对充填材料的力学性质直接产生影响,是充填体多尺度力学研究的基础。以体视学、分形理论为基础,利用充填体孔隙结构SEM图像,通过最大类间方差法、盒维数法计算其微观孔隙结构分形维数,获得充填材料孔隙结构定量表征,分析充填体分形维数与单轴抗压强度、含水率、孔隙度等中观参数的相关性,探究SEM像定量分析与充填体中观参数的跨尺度关联关系。结果表明:石粉水泥全尾胶结充填体微观孔隙结构分形维数可以表征孔隙结构的复杂程度;孔隙结构的分形维数与充填体的中观参数间具有一定的关系,其中与单轴抗压强度存在负相关性,与含水率存在正相关性;建立孔隙结构特征分形维数与单轴抗压强度、含水率的关联曲线,获得关联特征值的均方差,分形维数与单轴抗压强度和含水率的均方差值分别为R_r=-0.638和R_r=0.604。

关键词： 纯纤维芯材   孔隙尺度   气相热导率  

摘要： 总结相关文献对纯纤维芯材(真空绝热板芯材)孔隙尺度确定方法(分别定义为文献法1、文献法2、文献法3),提出一种新的孔隙尺度确定方法(定义为新方法)。采用控制变量法(变量选取空气温度、空气压力、纤维直径、纤维在纯纤维芯材中的体积分数),分析孔隙尺度确定方法对气相热导率计算结果的影响。在空气温度、空气绝对压力、纤维直径、纤维在纯纤维芯材中的体积分数(以下简称纤维体积分数)分别为300 K、10 Pa、6μm、15%时,由4种孔隙尺度确定方法(文献法1、文献法2、文献法3、新方法)计算的气相热导率分别为5. 1×10^(-5)、4. 9×10^(-5)、26. 6×10^(-5)、9. 1×10^(-5)W/(m·K)。在相同设定条件下,由新方法计算得到的气相热导率适中,认为这种确定孔隙尺度的方法可信。在其他设定条件不变的前提下:由不同方法计算的气相热导率均随空气温度(变化范围为253～323 K)的升高而下降。由不同方法计算的气相热导率随空气压力(变化范围为0. 1 Pa～100 kPa)的变化趋势均基本一致,在空气压力较低的情况下,气相热导率基本保持不变,随着压力升高,气相热导率急剧升高,且最终趋于相等。由不同方法计算的气相热导率均随纤维体积分数(变化范围为0. 01～0. 40)的增大而降低。由不同方法计算的气相热导率均随纤维直径(变化范围为2～24μm)的增大而增大。

关键词： 多尺度   微尺度   分子模拟   非常规油气  

摘要： 理解微纳孔隙通道内驱替液对附着在壁面上的液滴进行驱替这一过程的机理,有助于深入了解非常规条件下油气开发过程中的输运规律。该过程的跨尺度特性以及液滴与驱替液之间的强烈相互作用,决定了必须使用混合模拟方法进行研究。然而在已有的研究中,通常采用的阻逸力界面条件干扰了连续区域到分子尺度区域的切应力传递,导致流动阻力计算不正确。采用布置虚拟壁面的新方法代替阻逸力界面条件,以解决切应力传递不正确的问题。在此基础上,比较了液滴分别为单原子分子和复杂流体的情形,以及壁面完全刚性和允许壁面粒子振动的情形。结果表明传统的阻逸力方法可导致流动阻力的误差高达65%,而采用虚拟壁面的界面条件可将误差降至1%以内,具有显著优势。此外,研究结果还显示液滴为复杂流体和允许壁面粒子振动均对流动阻力有较大的影响。

关键词： 两级尺度粗化   多孔隙模型   Backus等效平均理论   储层物性参数   波场响应特征  

摘要： 实际地震勘探中,储层物性参数的差异是导致地震波响应特征发生变化的根本原因,而建立储层物性参数与地震响应特征之间的联系,需要跨越微观孔隙尺度、介观测井尺度以及宏观地震尺度等三个不同尺度空间.本文基于已知井的岩石物理实验数据和测井数据,利用复杂多孔隙介质理论将微观尺度孔隙岩石粗化到介观测井尺度,利用Backus平均理论将介观测井尺度的模型进一步粗化到宏观地震尺度,最终,得到地震尺度裂缝-多孔隙介质模型.其数值计算结果与测井数据和地震数据的对比表明:基于两级尺度粗化算法的裂缝多孔隙介质模型在给定参数下是有效的,且基于该模型的地震响应特征分析方法能够对储层的地震响应特征随物性参数的变化进行分析.

关键词： 三维四向编织复合材料   孔隙缺陷   双尺度   材料性能预测  

摘要： 为了更精确地对含孔隙三维四向编织复合材料的力学性能进行预测,基于双尺度分析方法分别研究了纤维束中的干斑和基体中的孔穴对三维四向编织复合材料宏观力学性能的影响。在纤维束微观尺度上,采用通用单胞法来预测纤维束等效力学性能参数。在编织结构细观尺度上,利用代表性体积单元(RVE)和细观力学有限元法预测得到宏观等效弹性常数。将上述计算结果与文献实验数据进行对比,验证了双尺度分析方法的正确性。采用Monte-Carlo仿真技术在模型中投入气孔单元,分别在纤维束和基体中模拟干斑和孔穴,讨论了两种孔隙缺陷对三维四向编织复合材料力学性能的影响规律。结果表明:孔隙缺陷率对三维四向编织复合材料力学性能有较大的影响,且纤维束中的干斑较基体中的孔穴相比影响更大;在给定孔隙缺陷率(Pmv=Pfv=4%)情况下,沿编织方向弹性模量仅从13.6GPa变化到14.2GPa,说明孔隙的位置分布对沿编织方向的弹性模量影响很小。

关键词： 泡沫铜   凝固   石蜡   孔隙尺度  

摘要： 对泡沫铜内石蜡凝固相变进行孔隙尺度实验研究。采用高分辨率相机与红外热像仪对凝固过程相场与温度场进行可视化,并通过热电偶测量石蜡与泡沫铜骨架局部温度以获得相变过程热响应及热非平衡特性。揭示了泡沫铜孔隙内凝固相变中包括固液相界面移动、液态石蜡流动及石蜡体积收缩等多个物理过程。研究表明：在多物理过程交互影响下,泡沫铜可高效扩展凝固相界面、提升样品热响应速率,采用孔隙率为0.974的泡沫铜可将石蜡凝固相变速率提升至2.8倍;泡沫铜能有效避免石蜡凝固过程由体积收缩引起的裂缝问题,消除由其引起的热阻;石蜡与泡沫铜骨架间存在局部热非平衡性,且在相变阶段尤为明显。