关键词： 孔隙尺度模拟   反常弥散   多孔介质   胶结度   分选度   死端孔隙  

摘要： 近年来地下水污染问题日益突出,且由于由固体颗粒堆积构成的多孔介质连通性好,污染物更容易进入其中造成地下水污染。长期以来,传统对流弥散模型(ADE模型)被用来模拟多孔介质中溶质运移过程。传统ADE模型将多孔介质中溶质运移过程描述为溶质羽的质量中心以平均流体流速沿主流动方向匀速迁移,而溶质羽在其质量中心周围的弥散行为可以用Fick's定律刻画。在该描述下溶质弥散系数为常数,溶质羽空间一阶矩、二阶矩均随时间线性增大。然而,越来越多的试验及模拟结果表明,多孔介质中溶质运移过程表现出很多系统偏离传统ADE模型预测结果的现象。如穿透曲线BTC与传统ADE模型预测的结果相比,常常存在首次穿透提前、完全穿透滞后的现象,即早穿透和后期长时间拖尾现象。另外,溶质弥散系数常常随运移时间增大而不是传统ADE模型预测的为常数,溶质羽空间一阶矩、二阶矩常常随运移时间非线性增大,这种现象被称为尺度效应。表现出以上早穿透、拖尾及尺度效应现象的溶质运移过程称为非菲克运移或反常运移。在很多实际问题中,需要精确预测多孔介质中溶质运移早期及后期穿透行为。另一方面,深刻理解多孔介质中的尺度效应,有助于提高多孔介质溶质运移预测精度。因此,对多孔介质溶质反常运移行为的研究具有重要的理论意义和实践价值。已有研究表明,多孔介质微观结构对溶质反常运移行为有较大影响,固体颗粒胶结度、分选度以及多孔介质中广泛存在的死端孔隙,对多孔介质孔隙结构的几何特征有显著影响。然而,针对不同胶结度和分选度的多孔介质中溶质反常运移行为特征及其内在机理、死端孔隙对溶质运移影响的研究还很少。本文运用数值模拟方法,在孔隙尺度上研究了固体颗粒胶结度、分选度不同的多孔介质中溶质运移行为特征及其内在机理。同时,研究了死端孔隙中,溶质滞留时间的概率分布形式及其影响因素,探讨了死端孔隙对溶质运移的影响。本文主要得到了以下结论:(1)不同胶结度的二维、三维多孔介质中孔隙尺度上的溶质运移模拟结果均表明,当胶结度增大时,溶质运移早穿透、后期拖尾现象均有所增强,其中拖尾现象的增强更加显著。同时,穿透曲线BTC越来越偏离传统ADE模型预测的结果,溶质运移过程更加反常。三维多孔介质中溶质羽空间矩及传递函数模拟结果表明,当胶结度不同时,溶质运移过程中溶质羽空间分布随时间的演化行为也完全不同。胶结度大的多孔介质中,空间二阶矩不再随时间线性增大,而是以幂函数的形式增大。尺度效应明显增强。另外,随着胶结度增大,溶质运移传递函数中逐渐出现停滞浓度峰,且胶结程度越大,停滞峰峰值越大、持续时间越长。(2)不同胶结度的多孔介质中流场模拟结果表明,当胶结度增大时,二维、三维多孔介质中流场特征表现出相似的变化趋势。随着胶结度增大,流场非均质性明显增强,流速概率密度函数分布更加发散,且不流动区域、优势流区域明显增多。溶质运移连通系数CT及传递函数随时间的演化行为表明,正是以上流场特征变化导致了不同的溶质运移行为。(3)在由不同粒径的两种固体颗粒掺杂、堆积构成的多孔介质中,当Rb从0.0逐渐增大到1.0的过程时,溶质运移反常程度存在一个最大值和一个最小值。且当固体颗粒粒径、流体平均流速、溶质扩散系数改变时,对应于反常程度最大和最小的Rb值即Rbmax、Rbmin基本不变。(4)在不同死端孔隙中,溶质粒子等待时间的概率密度函数具有相似的形式,即在前期随时间按幂律衰减,后期逐渐转变为指数衰减。两种衰减形式转变时刻与死端孔隙长度的平方成正比,与溶质扩散系数成反比。众所周知,等待时间随时间按幂律衰减表明溶质运移过程为反常运移过程,等待时间随时间按指数衰减表明溶质运移过程为菲克过程。因此,死端孔隙长度对溶质反常运移有很大影响。

关键词： 超临界二氧化碳   咸水层封存   孔隙尺度   数值模拟   两相流   毛细管数   接触角  

摘要： 以咸水层封存二氧化碳(CO_2)为研究背景,利用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)多相流模型建立孔隙尺度多孔介质计算模型,研究了超临界二氧化碳(Sc-CO_2)注入到含水多孔介质中的两相运移规律。对比分析了毛细管数、地质封存压力、Sc-CO_2注射温度、两相表面张力系数、接触角等因素对两相运移速率以及驱替效率的影响,同时将不同毛细管数下的驱替效率与实验数据进行了对比。研究结果表明,随着毛细管数的增大,驱替效率先减小然后趋于稳定,数值模拟与实验数据吻合良好;在同一孔隙率下,在壁面表现为亲水性时,壁面润湿性越好,驱替速率越快,但驱替效率有所下降;同时毛细管数越小、地质封存压力越低、注射温度越高、张力系数越小驱替速率越快,且驱替效率越高。

关键词： 页岩   纳米孔隙   跨尺度   跨流态   流动规律   表观渗透率  

摘要： 基于近年来页岩孔隙中流动规律研究的大量文献调研成果,对较为经典的Beskok-Karniadakis理论、Javadpour模型、Civan模型和Swaim模型及各种改进模型进行了研究,重点分析了微纳米孔隙中滑脱流态和过渡流态的计算模型、修正公式及分配系数的设计方法。对于跨流态的流量计算,需要厘清各微观作用机理导致的壁面效应,避免流量的重复计算。采用表观渗透率来等效页岩的渗流能力能够综合体现页岩气藏中特有的流动机理,有效修正微纳米孔隙中不同流态的非达西渗流。如何建立既考虑宏观尺度的流动形态,又考虑孔隙微观作用机理的表观渗透率模型,成为页岩微纳米尺度流动理论的研究方向。

关键词： 输运特性   分形   量纲统一   尺度转换   油藏孔隙  

摘要： 油藏孔隙分布具有分形特征,如何将分形描述方法应用到油藏多孔介质内流体的输运特性研究过程中,目前的研究方法存在一定局限,主要是没有考虑量纲统一原则和尺度效应等。本文基于量纲统一原则,利用分形描述方法,对油藏多孔介质内输运过程渗透率和渗流流量进行了推导,得到了输运特性参数的单位尺度转换系数,据此可以实现基于微观分形特征描述来分析宏观输运过程。本文建立的分形输运描述方程能够实现不同尺度层级间的转换,得到的宏观特性参数结果更接近实测值。基于本文所建模型,利用某油藏数据进行了分析验证,得到了输运流量及渗透率变化规律与实际油藏的分布规律吻合。

关键词： 增强型地热系统   流体力学数值模拟   孔隙尺度   岩心尺度   场地尺度  

摘要： 增强型地热系统(EGS)作为地热资源重要的开发形式,储量十分丰富,开发利用前景广阔,所以EGS的开发利用引起国际社会和研究领域的广泛关注。本文从孔隙尺度(PSM)、岩心尺度(CSM)到场地尺度(FSM)3种流体力学模拟方法展开分析,阐述了不同数值方法在增强型地热系统的应用现状、技术优势和存在的问题。认为可将PSM方法作为基础模型,3种不同尺度的数值模拟方法有机协同地联系在一起,为基于增强型地热系统的数值模拟方法研究指明了方向。

关键词： 岩性分类   参数粗化   闵可夫斯基函数   逾渗几何   K均值   高斯混合模型  

摘要： 随着孔隙尺度流动模拟研究深入,基于数字图像可对岩石性质进行模拟计算,但计算结果并不能反映宏观岩样性质,因此急需合理参数粗化方法.本文建立了孔隙尺度下处理岩性分类以及参数粗化的一整套方法.对于岩相学岩性分类,计算闵可夫斯基形态学函数值,采用K均值聚类得到水平层理,并通过空间插值和K均值聚类确定出岩石不规则层理.对于水动力学岩性分类,计算逾渗几何参数,使用有监督无监督高斯混合模型进行分类,分类结果与连通孔隙结构性质匹配良好.基于层状层理、不规则层理、水动力学岩性分类结果提出相应参数粗化公式,计算局部岩样渗透率、电导率反推整体岩样渗透率、电导率.研究结果发现基于水动力学岩性分类结果建立的参数粗化公式获得的整体岩样渗透率、电导率最为准确.

关键词： 表面光学   辐射   光谱特性   蒙特卡罗法   泡沫材料   孔隙尺度  

摘要： 实验测量了不同厚度的泡沫镍在0.4~2.2μm波长的法向-半球反射率/透射率,采用蒙特卡罗法对泡沫镍的计算机断层扫描结构进行孔隙尺度辐射传输建模,对比研究了泡沫镍辐射特性随入射光谱和样品厚度的变化,计算得到了泡沫镍辐射特性的孔隙尺度分布特征。结果表明:所建立的泡沫镍孔隙尺度辐射传输模型在计算其光谱辐射特性方面具有正确性。波长增长,吸收率逐渐降低,反射率逐渐升高;样品厚度增加,吸收率逐渐升高并趋于稳定,透射率逐渐降低至0。孔隙尺度辐射特性分布强烈依赖于局部纹理结构,波长1.5μm时,泡沫孔隙中的平均吸收率是肋筋上的1.5倍,而肋筋上的平均反射率则达到孔隙中平均反射率的3.7倍。

关键词： 多孔介质   两相流   孔隙尺度   渗透过程   三相传热   守恒式水平集法  

摘要： 流体在多孔介质中的渗透及传热过程在学术研究和实际工程领域中，例如地理物理学、化学工程、农业与环境保护、材料和医药科学，都是一个普遍存在的重要问题。因此，对流体在多孔介质中的渗透及传热过程进行精确建模，不管是在学术研究领域还是在实际应用领域都已经成为一个研究热点。本文基于守恒形式水平集法(Conservative Level Set Method，CLSM)，利用来源于试验中的实际多孔介质结构二维SEM图片，提出了一个模拟流体在多孔介质中渗透流动及传热过程的孔隙尺度两相流数值模型。与基于达西定律(Darcy\'s law)、布莱克曼方程(Brinkman equations)及理查德方程(Richards\' equation)等传统方法相比，利用该模型能够更好地对流体在多孔介质渗透过程中的流动结构及传热行为进行细节描述。同时，与渗透试验中流动前沿演变的数据相比，该数值模型得到的计算结果最大相对误差不超过5％。特别是基于实际多孔介质几何特征，该模型能够精确捕捉流体在多孔介质中渗透过程中流动前沿随时间的演变特征。另外，基于本文提出的孔隙尺度两相渗透流动模型，对多孔介质的一些重要参数（如，有效渗透率、水力迂曲度及对流换热系数）的数值测定方法及其在渗透过程的演变情形进行了详细分析，同时也对三相传热过程进行了深入细致的研究。基于渗透试验及数值计算结果，本文的研究内容及结论主要包括:\n (1)基于实际多孔介质几何结构特征，利用本文提出的孔隙尺度两相渗透流动数学模型，能够精确得到流体在孔隙尺度渗透过程中的流动结构特征，如流动前沿位置、速度场、压力分布、潜在渗透缺陷及优势流动路径等。在对上述流动特征深入研究的基础上，能够得出的主要结论包括:(i)对多孔介质进口施加周期、剧烈改变的外部驱动压力，即振荡压力，更有利于流体在多孔介质中进行孔隙尺度的渗透流动;(ii)流体在多孔介质中的孔隙尺度渗透流动过程中，最大速度值并不总是出现孔喉流道里;(iii)渗透过程中的潜在流动缺陷，如气泡、空洞等，更可能出现在流体流动速度极低区域;(iv)优势流动路径对流体在多孔介质中渗透的均匀性和充分性具有巨大的不良影响。\n (2)宏观尺度上，有效渗透率是计算和预测流体在多孔介质中渗透或者输运过程的一个关键参数。可是，无论是试验法、理论分析法还是数值法，得到渗透率的测量方法或者模型都是针对流体在饱和多孔介质中的稳定流动而且基本上都是间接或者建立在预定义的虚拟多孔介质几何结构特征上。据我所知，基于实际多孔介质几何结构特征的渗透率随时间的演变行为涉及极少。因此，根据本文提出的孔隙尺度两相流模型和来源于试验中的实际多孔介质几何结构特征，基于数值计算结果利用达西定律计算了不饱和渗透率。同时，也对渗透率随时间、空间及饱和度的演变过程进行了深入研究。其研究结果表明:(i)和其他参数（最小、平均渗透流动前沿长度。）相比，沿着流动方向的最大渗透前沿长度更能表征流动前沿的空间演变行为;(ii)不饱和多孔介质的有效渗透率随时间和流动前沿推进呈现出指数衰减趋势，随饱和度呈现出幂律衰减趋势;(iii)流体在多孔介质孔隙尺度渗透流动的过程中，饱和度对渗透率演变行为具有非常大的影响。\n (3)迂曲度是一个能够提供多孔介质复杂结构更多细节信息的关键参数，而且对描述多孔介质宏观渗透行为的特征参数（渗透率）具有非常大的影响。它也是一个联系多孔介质宏观渗透性能和微观结构特征的桥梁。可是，无论是采用经验法、理论分析法还是数值法，得到迂曲度的测量方法或者模型都是针对饱和多孔介质。现在，在数值模拟的结果的基础上，不需要任何多孔介质结构参数，应用矢量计算法(Vector-based Tortuosity Method，VTM)计算它的迂曲度。通过三种不同性质流体的数值试验表明，该法计算的迂曲度最大重复性相对误差不到1.0％。与各种的经典模型计算得到的结果相比，其最大误差不到10％，二者具有非常高的一致性。同时达到了两个目的:(i)提供了一个对不饱和多孔介质迂曲度随时间演变全面直观的理解，迂曲度反映了多孔介质微观结构拓扑特征，事实上，它是等价于孔隙流道的互联性;(ii)同时也澄清了一个事实:水力迂曲度是多孔介质的固有属性，而它不依赖于流体的物性参数，饱和度对其具有非常大的影响。\n (4)基于两相流体在多孔介质渗透过程得到的速度场，对两相流动三相传热过程中的温度场（等温线）、热流线、流固两相和三相接触界面平均温度、温差及界面对流换热系数随时间演变情况作了详细分析并得到了几点结论:(i)目前尽管还没有更充分试验证明，可是在当前数值计算条件下，发现流动前沿的演变情况对三相温度场的演变情况影响不大，至少在表征单元体孔隙尺度上如此;(ii)同时也发现热流流动路径与流体流动路径截然不同，也可以初

关键词： 孔隙尺度   冻胀   冻融循环   热固耦合   水热迁移  

摘要： 冻土约占全球陆地面积的70%,我国拥有的冻土面积位列世界第三,约占国土面积的75%。我国越来越多的交通基础设施,如高速公路、高铁等将在冻土区修建。气温的周期性变化引起高速公路、高铁等路基土体的冻胀、融沉等病害。因此,土壤冻融循环过程中冻胀特性及水热迁移规律的研究对冻土地区基础设施建设具有重要意义。现阶段针对土壤冻融过程冻胀特性的研究偏重于宏观实验分析,而相关的数值模型也无法处理非稳态孔隙结构对冻胀特性的影响。本文基于热固耦合数值计算方法,将土壤冻胀过程拆分为热传导过程及孔隙水膨胀过程,建立了由非稳态导热微分方程及瞬态动力学基本运动方程控制的土壤冻胀数学模型;根据测试的土壤颗粒级配及孔隙率,建立了球形土壤颗粒几何模型及孔隙水几何模型。针对不同冻融循环次数,土壤颗粒直径级配分布及冻结温度,从土壤内部温度分布及土壤颗粒位移两个方面对土壤冻胀特性进行了数值模拟研究。结果表明,直径较大的土壤颗粒的冻结速率小于直径较小的土壤颗粒的冻结速率,同时,冻结速率随着土壤上表面温度的升高而减慢;直径较小的土壤颗粒在冻结时发生的位移大于直径较大的土壤颗粒的位移,且直径级配分布的土壤颗粒在冻结时发生的位移要明显大于直径均匀分布的颗粒位移;在冻融循环过程中,随着冻融循环次数的增加,土壤颗粒在冻结时发生的位移逐渐减小。基于室内冻土冻胀实验台,通过采集土壤温度、含水率、上表面位移等参数,分析了冻结过程各参数的变化规律,以及土壤冻融循环次数对冻胀量、土壤内部水热迁移强度的影响。实验结果表明,在土壤冻融状态转变的过程中,土壤含水率与水势均发生了突变的现象,通过分析含水率随温度的变化规律,发现在冻结过程中含水率发生突变的温度与融化过程中含水率发生突变的温度并不相同;冻胀量主要来自于表层土壤的冻结作用,底层土壤冻结并未引起明显冻胀,且随着冻融循环次数的增加,冻胀量发生了下降。将多次冻融循环冻胀率变化的实验结果与数值模拟结果进行了对比分析,发现两者冻胀率的变化趋势较好地吻合,本文数值模拟的准确性从而得以验证。

关键词： 致密砂岩   孔隙尺度   孔隙结构   三维数字岩心  

摘要： 致密砂岩物性差,粘土含量较高,孔隙尺寸分布范围广,岩石渗流路径复杂多变,导致储层孔隙度与渗透率和电阻率相关性差,制约了该类储层含油气饱和度评价的精度,因此有必要定量分析致密砂岩的孔隙结构。气测孔隙度实验、压汞测试、核磁共振(NMR)实验和气体吸附测试等方法从不同侧面反映了岩石孔隙的宏观统计特征,但却无法表征孔隙连通性和空间分布特征,也难以揭示不同渗流路径间的耦合关系。数字岩心技术在孔隙尺度直观描述了岩石的微观结构,但由于岩石物理成像技术分辨率与样品尺寸间的制约关系,本文分别采用SEM、MAPS和X射线CT测试分析不同尺度下致密砂岩的微观结构。首先,利用高精度扫描电镜(SEM)建立岩石微观结构二维图像,确定致密砂岩孔隙类型。然后,利用MAPS测试获取致密砂岩大视域高精度二维图像,经过图像分割、孔隙簇标记、孔隙类型识别等流程,分析不同类型孔隙率、孔隙尺寸分布和孔隙空间分布特征。最后,利用X射线计算机层析扫描成像建立致密砂岩的三维灰度图像,结合散射能谱扫描电镜(EDS-SEM)获取的矿物组分二维嵌布彩色图像,经过图像配准算法,建立灰度值区间与矿物组分的定量关系,采用多阈值分割算法,建立多矿物组分三维数字岩心,进而分析不同尺度孔隙的空间连通性。图像处理结果表明,致密砂岩骨架主要由石英和长石构成,粘土含量高,充填原生粒间孔隙。孔隙主要由残余粒间孔、溶蚀孔和填隙物微孔组成。按照尺寸由大到小顺序依次为粒间孔、溶蚀孔和微孔隙。随着样品物性变差,微孔隙含量增加,大尺寸的粒间孔和溶蚀孔含量降低。孔隙连通性分析结果表明,残余粒间孔组成了孤立的孔隙簇,不能独立构成贯穿岩心的渗流通道,而粘土填隙物和发育的微孔隙组成了连续的渗流通道,大孔隙通过微孔隙连通,微孔隙控制致密砂岩的流体渗流和电流传导特性。