关键词： 比德-三塘盆地   煤储层   孔隙结构   分形维数  

摘要： 为利用煤储层孔隙结构的分形维数来定量描述其复杂程度,基于压汞试验,对黔西比德-三塘盆地主采煤层10个煤样进行了分形特征研究,并阐明了分形维数与煤储层物性之间的关系。结果表明:煤储层的分形可分为煤基质颗粒间大孔隙分形、煤基质颗粒中过渡孔隙分形和煤基质颗粒中微、小孔隙分形;大孔和过渡孔分形维数较高,小孔和微孔分形维数较低,3种孔隙结构的复杂程度依次为过渡孔>大孔>小孔和微孔。不同尺度的孔隙分形维数与孔隙体积分数呈负相关关系;大孔和过渡孔的分形维数均随着煤的变质程度、镜质组含量、灰分的变化呈现高-低-高的变化规律,与惰质组含量呈现低-高-低的变化规律,与水分、退汞效率成正相关关系,与平均孔径、孔隙度成负相关关系;小孔和微孔的分形维数与煤的变质程度、镜质组含量呈现低-高-低的变化规律,与惰质组和灰分含量呈现高-低-高的变化规律,与水分和退汞效率成负相关关系,与平均孔径和孔隙度成正相关关系。

关键词： 龙马溪组   孔隙形貌   孔径分布   控制因素  

摘要： 为了深入研究下古生界海相页岩储层微观孔隙特征及其发育控制因素,本文采用多种孔隙表征及基础地化参数研究手段,实现了对孔隙特征从电镜下直观的形貌观察到对孔隙结构的宏孔-微孔全尺度定量测试,并结合样品地球化学参数和矿物组成探讨了页岩孔隙发育的控制因素。研究结果表明:海相龙马溪组页岩普遍发育有机质孔、粒间孔、粒内孔以及微裂缝等4种微观孔隙类型。其中以有机质孔和黏土矿物集合体粒间孔最为发育;联合高压压汞、低温液氮和二氧化碳吸附实验表明孔径分布曲线呈多峰态,总体孔径以小于50nm为主,表现为介孔和微孔为主,形态多为细颈广体的墨水瓶孔和四周开放的平行板状的狭缝型孔,页岩孔隙孔体积主要有微孔和宏孔贡献,而比表面积主要由小于5nm孔径的微孔-介孔贡献;泥页岩总有机碳(TOC)含量和主要矿物是控制孔隙大小的关键因素,其中TOC含量控制着页岩微孔与宏孔的发育,而黏土矿物与脆性矿物分别对介孔和宏孔有着积极的影响。

关键词： 泡沫金属   相变材料   融化   格子Boltzmann方法   孔隙尺度  

摘要： 在构建开孔泡沫金属二维几何结构模型的基础上,采用格子Boltzmann方法基于孔隙尺度对泡沫金属内融化传热及流体流动过程进行了数值模拟,并重点分析了Rayleigh数、孔隙率及孔密度等对融化相变传热过程的影响。与纯相变材料融化具有光滑、清晰的相变界面、融化沿着热流方向整体推进的特征所不同的是,在泡沫金属结构下相变材料的融化以金属骨架为中心产生并推进展开,在融化前沿形成融化区和非融化区交错分布的特征,数值模拟结果与文献实验观测结果一致。此外,数值模拟表明相变材料的融化率随着Rayleigh数的增大、泡沫金属孔隙率的减少及其孔密度的增大而增大。

关键词： 饱和多孔介质   温度   悬浮颗粒   孔隙结构   临界流速   土柱试验  

摘要： 悬浮颗粒在饱和多孔介质中迁移与沉积特性的研究成为环境岩土工程领域研究的热点课题。这些研究在诸如地下水污染物迁移和扩散、地下水回灌、反滤层设计、石油开采、核废料处置和注浆加固等领域有重要的学术意义和应用价值。本文以稳态条件下颗粒迁移的对流弥散方程为基础,推导了非稳态均匀流条件下颗粒的对流弥散方程,得到了非稳态均匀流条件下颗粒在两种不同边界条件下对流弥散方程解析解。其次,通过室内土柱试验研究了孔隙结构、渗流速度、重力、颗粒尺寸分布等对颗粒迁移和沉积特性的影响规律和作用机制。另一方面,研制了可开展不同温度下颗粒渗透迁移的温控土柱渗透试验装置,并利用该装置进行了不同温度下颗粒穿透试验,揭示了温度对颗粒在饱和多孔介质中迁移和沉积的影响机制。最后,以聚丙烯酰胺颗粒为例,研究了其改性水泥土的强度和吸附重金属Pb2+的特性及聚丙烯酰胺对Pb2+在固化水泥土中的淋滤渗透特性的影响规律。主要的研究内容包括:(1)以稳态条件下颗粒迁移的对流弥散方程为基础,推导了非稳态均匀流条件下饱和多孔介质中颗粒迁移的对流弥散方程,得到了两种不同边界条件下的解析解,并且对解析解中各种迁移参数进行了讨论。对不同情况的解析解的分析可知,随着时间、沉积系数或者迁移距离增大,颗粒的浓度峰值逐渐减小。(2)对于大小和形状一定的颗粒来说,通过测试颗粒浊度来反映其浓度的变化能取得较好的结果。通过开展颗粒和示踪剂在两种不同孔隙结构多孔介质(玻璃球和石英砂)中和5种不同渗流速度下迁移的土柱渗透试验,基于一阶沉积动力学颗粒的对流弥散方程的解析解得到了颗粒及示踪剂的迁移参数,给出了孔隙结构和渗流速度对颗粒在饱和多孔介质中迁移规律影响的内在机制,揭示了颗粒在两种介质中加速效应的物理机制,表明颗粒在两种介质中加速效应均存在一个临界渗流速度,大于该流速时颗粒运移要快于示踪剂,并且两种介质中相应的临界流速不同。(3)开展了 4种不同粒径分布的颗粒(其中一种由另外三种按等体积混杂得到)在5种渗流速度和两种滲流方向(垂直向下与垂直向上)的室内土柱试验,探究了颗粒粒径、尺寸分布及重力对颗粒在饱和多孔介质中的迁移规律。证实了颗粒的穿透曲线可以很好的用考虑弥散作用修正后的对流弥散方程解析解描述拟合;给出了颗粒粒径、尺寸分布、渗流速度对颗粒出流浓度的影响规律和机理,探究了重力对颗粒出流浓度、运移参数的影响作用;研究了颗粒弥散系数与孔隙水流速的关系,给出了颗粒弥散度与中位粒径关系的经验公式。(4)利用自行研制的可开展不同温度下颗粒渗透迁移的温控土柱渗透试验装置,对水源热泵回灌过程中起主导因素的大于1Oμm的范围较广的6种不同中位粒径颗粒进行了 4种不同温度和3种不同渗流速度下的土柱渗流试验。同时探讨了不同温度下颗粒与示踪剂的迁移规律的差异性;得到了温度对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积的影响规律和作用机制;分析了温度对颗粒加速效应的影响机理;基于理论解析解得到运移参数,揭示了温度与各运移参数的内在关系,并给出了温度与运移参数关系的经验公式。此外,探讨了测量条件不同(温度,静置时间)对硅粉颗粒浊度和荧光素钠的荧光值测量的影响。(5)以一种典型的颗粒聚丙烯酰胺为例,探究了其改性水泥土的强度特性,开展了聚丙烯酰胺颗粒固化水泥土对重金属Pb2+的吸附机理和淋滤穿透特性,揭示了温度对聚丙烯酰胺固化水泥土中Pb2+迁移的规律,结果表明聚丙烯酰胺水泥土对铅离子的等温吸附符合Freundlich吸附模型,聚丙烯酰胺(PAM)的掺入可以改变铅离子在水泥土吸附柱中的迁移规律。

关键词： 数字岩心   核探测   各向异性   非均质性   热中子  

摘要： 非均质性和各向异性在描述储层特性方面具有重要的作用。数字岩心作为一种新的油田技术,在模拟研究储层的特性方面具有很大的应用前景。然而在目前,大多数基于数字岩心的模拟方法只考虑了岩心中孔隙和基质的空间划分,而没有考虑岩心孔隙和基质的各类物质成分。而这些物质成分对于采用核物理方法研究岩心的孔隙结构是非常重要的。因此,本文提出了一个新方法来重建基于微米X射线CT扫描的数字岩心,在重建的数字岩心中不仅考虑了岩心的三维孔隙结构,而且考虑了岩心的各类物质成分。在重建的数字岩心中,岩心基质和岩心孔隙流体对于热中子具有较大的核反应截面差异。我们模拟了热中子对岩心的透射,同时模拟了阵列探测器探测透射之后未与岩心发生反应的热中子的分布。模拟结果显示,当热中子垂直于岩心的不同截面进行透射时,所有模拟探测到的热中子分布数据与相应岩心的孔隙分布是一致的,并且它们的一致性受岩心各向异性的影响不大。此外,根据模拟结果试探性的对岩心的物质成分进行了分析。最后,本文也模拟分析了阵列探测器的最佳分辨率和每次模拟发射的最佳热中子数。

摘要： This study reports on constant rate of strain and incremental loading testing of illite shale and Nankai accretionary wedge sediments from the NanTroSEIZE deep sea drilling program (IODP Leg 348). The Nankai megathrust fault is a recurring source of great earthquakes and tsunami with seismogenesis occurring below 3 - 5 km. Typical one-dimensional soil consolidation tests are limited by effective stresses well below those present at seismogenic depths. A high capacity consolidometer was utilized here to study fluid flow in clay-rich sediments approaching ~200 MPa stress states equivalent to ~8 - 12 km depth. The resulting consolidation state leads to nanofilm dominated porosity where the Electric Double Layer (EDL) significantly influences permeability and fluid chemistry evolution. Our results indicate ultrafiltration (i.e. osmotic filtration of ions and dissolved isotopes) should initiate and intensify below ~1.5 km depth at Nankai. Ultrafiltration removed up to ~40% Na+ and ~70% K+ from fluids expelled during laboratory consolidation, increasing salinity in residual pore fluids. Ultra-low permeabilities were reached with the lowest value reported as K = 2.0x10-14 m/s. A distinct change in slope of permeability trends was also observed at low porosities. The onset of ultrafiltration and deflection in permeability trends both initiate very near where opposing EDLs begin to interact during consolidation, and bulk pore water is nearly absent below void ratios of ~0.40. I propose that condensing electrically influenced monofilms dominate porosity and flow properties at depths >~1.5 km at Nankai and similar conditions should exist globally in thick clay-rich marine sedimentary sequences.

关键词： 页岩   数字岩心   多尺度   孔隙网络模型  

摘要： 页岩储层物性较差,孔隙直径大小量级多为纳米级,复杂的孔隙结构及多样的气体赋存方式导致了页岩气的渗流机理极其复杂,同时也使得渗流力学中诸如达西定律等宏观定律不再适用。为了在微观上定量地研究页岩气渗流机理,以及在宏观上建立页岩气藏渗流模型和产能预测模型,需要建立一种能准确地表征页岩孔隙结构的三维数字图像。数字岩心及以其为基础提取的孔隙网络模型作为上述工作得以开展的基础,已逐渐成为国内外研究的热点。本文首先通过扫描电镜实验,获取了大量页岩岩心的二维切片图像,并对所得图像进行观察,鉴别出了页岩中不同类型的孔隙;然后分别对页岩岩心的有机质和基质部分采用高、低两个分辨率获取二维切片图像,运用改进的模拟退火算法分别建立了二者的数字岩心,并在此基础上,运用居中轴线法分别提取了二者的孔隙网络模型,进一步叠加后得到了多尺度孔隙网络模型;最后采用相关方法对所得的数字岩心及多尺度孔隙网络模型进行了评价。结果表明所得模型能较好地反映页岩孔隙结构的多尺度性,为流动模拟的展开奠定了基础。

关键词： 岩土体   孔隙水压力   细观   颗粒流方法   水力耦合  

摘要： 目前,大规模资源开采、水利工程施工、二氧化碳的地下封存及高放射物的地质处置,都涉及到地下水和深部岩体的相互作用。深部地层中的岩土体在地下水变化时,孔隙水和裂隙水的渗透过程直接影响地层中的应力分布。在外部扰动荷载作用下,饱和岩土体易产生超孔隙水压力,将对岩土工程的安全与稳定造成极大的隐患。水力耦合问题一直是岩土工程中的重要课题,然而,仅从单一的宏观尺度来认识这一问题已经不能满足我国工程实践和基础科学研究的需求。本文从细观孔隙尺度上研究了颗粒形状的表征方法,定义了形状参数并详细阐述了形状参数-球度,及其与岩石的宏观力学特性的关系。针对颗粒离散元中的粘结接触模型,提出了考虑胶结厚度的孔隙度算法。改进了颗粒流程序中的流体耦合算法并进行了流体注入诱导的裂纹扩展研究。然后提出了颗粒-流体耦合的计算模型,解决了颗粒流程序中现有流体算法所面临的问。并采用该算法模拟了饱和土的三轴排水和不排水剪切试验。本文的主要研究成果如下：(1)定义了描述颗粒形状的形状参数-球度,球度定义为与颗粒等体积的球体表面积和颗粒表面积之间的比值。球度描述了一个颗粒和球体的接近程度,能够反映颗粒之间的咬合作用的强弱。通过生成四种代表颗粒研究了颗粒形状和岩石宏观力学特性的关系。结果表明矿物颗粒的形状影响岩石的启裂强度、损伤强度和峰值强度。具体来说,随着球度增大,特征强度指标均降低。随着颗粒球度的增大,试样的弹模降低,泊松比会增大。颗粒球度降低时,颗粒之间的咬合作用增强,试样的内摩擦角和粘聚力都呈增大趋势。(2)在颗粒流程序中的流体算法-固定网格法的基础上加入力学伺服模块,模拟了三轴渗流耦合试验,研究了全应力应变过程中渗透特性的变化规律。考虑到离散元模拟中孔隙度和真实试样的巨大差异,提出了考虑胶结厚度的孔隙度计算方法。计算结果表明所提算法能够反映真实孔隙度。同时,所提算法考虑裂纹扩展过程中接触粘结失效的问题,建立了孔隙度和裂纹数目之间的关系,并利用Kozeny-Carman方程推推导了渗透率的变化规律。结果表明采用新的孔隙度算法得出的全应力应变过程中渗透率变化曲线与其他学者在试验中得出的渗透率曲线一致。(3)对颗粒流程序中的流体耦合算法进行了改进,加入了流体流动对于颗粒的剪切力,并在计算中考虑了流体网络由于颗粒位移造成的网格体积的变化。采用双注水孔试样研究了流体注入诱导的裂纹扩展过程,阐述了注水孔间距对于裂纹生长模式、定向以及裂隙拓扑结构的影响。通过Dijkstra算法预测了两个注水孔之间的流体最短路径。计算结果表明,当注水孔间距较近时,微裂纹相互作用较强,微裂纹数目较多,裂隙网络连通性较差,从两个注水孔启裂的裂纹趋向于直接聚合；当注水孔间距较大时,裂隙网络连通性较好,微裂纹数目较少。裂纹方向基本上与压力力链垂直,在裂纹扩展尖端区域,张力力链较为集中。(4)基于前人的研究,提出了一种新的颗粒-流体耦合离散元计算模型,详细推导了超孔隙水压力的计算方法,阐述了水压力的作用机制。在模型中考虑了应变诱导的孔隙水压力及孔隙体积的变化,并对测量球的大小进行了优化,提高了计算效率。(5)在颗粒流平台下分三个模块实现了所提出的颗粒-流体耦合模型。通过北京黏质粉土的三轴不排水试验数据校准了颗粒的细观参数。将耦合模型计算得到偏应力曲线和孔隙水压力曲线与试验和常体积法的计算结果进行比较,发现耦合方法得到结果与试验及常体积法均一致。采用校准之后的细观参数,模拟了不同围压下饱和土的排水和不排水三轴压缩试验。结果表明,随着围压的升高,偏应力升高。在不排水条件下,应力比随着围压升高而降低,孔隙水压力随着围压升高而增大。

关键词： 多孔介质   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   渗流与传热  

摘要： 利用随机多孔介质生成算法重构了与真实土壤外貌相近的多孔介质几何结构。通过引入不可压耦合双分布格子Boltzmann模型(lattice Boltzmann model,LBM)对孔隙尺度下单相饱和土壤渗流和传热进行了模拟。着重讨论了不同渗流压差、孔隙率、土壤固体颗粒尺寸分布对流动与传热的影响。结果表明:土壤渗流速度与渗流压差呈线性单调递增关系,平均温度随渗流压差增加而增大,但温升速率逐渐减缓;当孔隙率增大时,渗流速度增加,且当孔隙率大于0.58时,对流传热作用迅速增强,土壤温升速率显著加快;对于相同孔隙率,当土壤固相颗粒尺寸较大时,流动出现典型优先流效应;随着土壤固相颗粒尺寸减小,土壤温度变化逐渐趋于平缓,平均温度降低。

关键词： 孔隙尺度   交联聚合物微球   疏水缔合聚合物   复合体系   毛细管封堵   协同增黏  

摘要： 由于石油采收率的提高难度增加,使得驱油机理的研究迫在眉睫。本文根据黏浓关系、黏度随剪切时间的变化,通过环境扫描电镜实验及毛细管封堵实验,观察疏水缔合聚合物与微球复合体系的微观状态、性质和封堵机理。结果发现疏水缔合聚合物与微球具有良好的协同增黏效应,剪切后不易发生色谱分离现象;对于一定管径的毛细管,需要选择合适的微球浓度、粒径和流速,才能避免将孔隙堵死,达到较好的封堵效果;合适尺寸的微球能够强化疏水缔合聚合物的封堵效果。