关键词： 沁南地区   高阶煤储层   全尺度孔隙结构   吸附   水可动性  

摘要： 煤储层孔隙结构类型是控制储层流体流动差异性的根本原因。论文在系统分析沁南地区高阶煤储层基本特征的基础上,综合运用高压压汞、低温液氮吸附和低温CO2吸附实验对研究区样品进行全尺度孔隙结构表征,建立了全尺度孔隙结构模型,进而探讨了储层基本特征及孔隙结构特征对流体流动差异性的控制作用。结果显示,以等粒度无烟煤1号和石英砂岩为对比背景,指出高阶煤各级孔隙均较为发育,孔比表面积极高,尤其以超微孔孔隙极为发育,无烟煤1号微孔-过渡孔较为发育,而石英砂岩各级孔隙都均不发育。基于分形方法,指出压汞和低温液氮孔径拼接孔隙尺度为100nm,实现了压汞-液氮-低温CO2全尺度孔隙结构拼接,识别出3种高阶煤全尺度孔隙结构类型。各级及全尺度孔容和比表面积随镜质组、固定碳(煤级)增加及粒度减小总体呈正相关相关,而与惰质组、矿物含量和灰分产率负相关。研究区样品甲烷吸附能力随镜质组、固定碳含量的增加而增加,随惰质组、灰分产率的增加而降低,与挥发分产率无明显关系;随着压汞孔体积、压汞孔比表面积、低温液氮BJH总孔体积、BET比表面积、低温CO2吸附DFT总孔体积和孔比表面积的增加而增加。随着粒度减小,VL由31.55 cm3/g增加至47.41 cm3/g,PL由1.07MPa波动降低至0.49MPa。随着镜质组含量增加研究区样品可离出水含量表现出先减少后增加的趋势,可压入水含量变化规律不明显;随着惰质组含量的增加,可离出水含量减少而可压入水含量增加;随这灰分产率增加,水可动性增加;固定碳含量增加,水的可流动性减弱;总孔容及微孔和过渡孔孔容的增加,水的可动性增强;随着润湿角的增大,可离出水含量增加而可压入水含量波动较大,变化规律不明显。

关键词： 多孔材料   微结构   微尺度辐射   时域有限差分法   光谱调控  

摘要： 微结构因能够激发光子隧道、表面等离子基元、磁极化、微腔谐振等一系列的微尺度辐射效应,在光谱辐射调控、红外探测、能量转化等方面有重要的应用。微尺度辐射现已成为热辐射领域重要的研究课题之一。国内外学者对表面微结构的微尺度辐射特性进行了广泛而深入的研究,而关于空间微结构的研究较少。高孔隙率金属材料涉及光谱选择性、多体散射性,具有复杂的空间微结构,其微尺度辐射特性较为复杂,因此,对其微尺度辐射传输的研究具有重要意义。本文主要采用时域有限差分法,研究了高孔隙率金属材料的微尺度辐射特性,目的是通过空间微结构实现光谱调控。主要内容和结论包括:建立了银立方体元胞结构模型,基于电磁散射理论,研究元胞结构在可见光波段的微尺度辐射特性。分析了元胞结构的空间电场和坡印廷矢量分布,认为当电场、坡印廷矢量与元胞肋筋产生较强的相互作用时,元胞结构表现出较强的吸收特性。考察了结构的变化对立方体元胞辐射特性的影响,发现方腔结构的衰减特性最强。开展了立方体层状结构可见光波段辐射特性研究。为了保证计算的准确性,提出了误差收敛测试方法。分析了立方体单元胞结构、单层立方体多孔结构和无限大平板结构吸收特性的关系,发现单层立方体多孔结构可有效改变光谱辐射特性,其辐射能力不是单元胞结构的线性相加。考虑了孔隙率、倾斜角对单层立方体多孔结构吸收特性的影响,结果表明孔隙率和倾斜角对吸收特性都有较大影响,不同的孔隙率下,单层立方体多孔结构出现明显的强、中、弱三个区域,而倾斜角对吸收的影响没有表现出明显的规律性。分析了多层立方体多孔结构的吸收特性和空间坡印廷矢量分布,发现多层结构在0.457μm产生吸收强化现象,三层结构对0.35～0.55μm波段的可见光具有选择透过性。建立了球形空心铝元胞结构和单层球形空心铝结构模型,研究五种孔隙率下的单元胞结构红外波段的辐射衰减特性,发现该种结构在红外波段具有很强的散射能力,而吸收能力几乎为零。比较了单层球形空心铝结构Drude模型与n,k模型吸收能力的变化,发现两种模型得到的吸收率的变化趋势是一致的,在吸收能力的数值上,大小会有所差别。考察了Si基、SiO2基和表面覆盖单层石墨烯对单层球形空心铝结构吸收能力的影响,发现Si基结构在1～6μm波段有一定的强化吸收作用,当在球形空心铝结构表面覆盖一层石墨烯时,并未发现石墨烯强化吸收的效果。

关键词： 页岩气藏   微尺度效应   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   表征单元尺度  

摘要： 页岩气全球储量大,资源前景可观,是接替常规油气资源的重要选择。但页岩气藏特低孔,特低渗,微纳米级孔隙大量发育的储层物性特征,使得气体产出过程的运移机制异常复杂。基于连续介质假设条件的宏观渗流力学理论已经不能精确地表征页岩气渗流规律。针对于页岩气运移过程中微尺度效应,本文引入介观尺度方法一格子Boltzmann方法(LBM),分析了孔隙尺度及表征单元尺度(REV)页岩气渗流特征。本文研究内容为深化页岩气藏复杂渗流理论,为页岩气藏的高效开发提供一定的理论支撑。本文研究内容及相关成果如下:(1)通过大量国内外文献调研,分析了页岩气藏储层物性特征和气体运移机制,明确了页岩气产出伴有微尺度效应。(2)论述了格子Boltzmann方法的基本原理,推导了该方法的外力项方程,并给出了边界条件,分析了格子Boltzmann方法在页岩气藏微纳米级孔隙中气体渗流规律研究的适用性及优势。(3)将Langmuir等温吸附方程,Fick扩散定律与弹性-镜面组合边界格式(BSR)相耦合,建立了考虑页岩气微观渗流机制的格子Boltzmann模型;该模型考虑了页岩气的吸附—解吸,气体扩散,滑脱效应等机理,并对页岩气在孔隙中的流动进行了动态模拟,针对相关参数进行了敏感性分析。(4)将岩心电镜扫描图二值化得到了页岩基质孔隙空间中质点间的相关函数,再以质点间协方差的相关因子作为目标函数,优化了四参数随机生长法的参数,提出了适用于页岩气藏复杂物性的数字岩心方法;再运用格子Boltzmann方法求取岩心的孔隙度,孔隙迂曲度及固有渗透率等物性参数,与前人经验公式进行了对比分析,验证了数值算法的正确性。(5)在REV尺度,推导了页岩气渗流格子Boltzmann模型,分别模拟了气体在富含有机质的孔隙介质以及无机质孔隙中的渗流,建立了考虑岩石基质和天然裂缝的表征单元,模拟得到了天然裂缝的存在大幅度提高了页岩储层的全局渗透率的结论,印证了页岩气藏的高效开采应该尽可能沟通天然裂缝的理论。成果为页岩气渗流格子Boltzmann模型由孔隙尺度向矿场尺度进行升级提供了理论支撑。

关键词： 致密气藏   多尺度   CT   数字岩心  

摘要： 致密气藏的发展逐渐受到重视,为了更加准确了解其存储和流动特性,就需要一套综合性多尺度油藏描述和表征程序来识别分析。多尺度技术的应用,尤其是纳米-微米级多尺度X射线二维成像,对于致密气藏孔隙结构特性的描述更加准确全面,有助于致密气藏的开发与开采,应用前景广泛。

关键词： CaCO3煅烧   烧结反应   介尺度模型   孔隙分布  

摘要： 基于介尺度结构思想,根据空位单元的扩散与聚合理论建立起CaCO_3煅烧及CaO烧结过程中从分子尺度过渡到颗粒尺度之间的桥梁——介尺度孔隙结构的演化模型。与传统的经验模型相比,基于介尺度结构的速率方程理论将孔隙的演变过程与CO_2气体分子释放、空位的扩散以及空位间相互碰撞聚合同时进行考虑,并建立非线性的速率方程对孔隙的演化的物理过程进行数学描述。模型的计算结果与CaCO_3煅烧和烧结的实验数据进行对比,结果表明基于介尺度结构的速率方程理论可以准确地预测孔径的分布及其随时间的演变过程。

关键词： 孔隙尺度   动态剩余油   玻璃刻蚀模型   图像识别  

摘要： 动态剩余油是区别于静态剩余油,为产量提供主要贡献的一类剩余油。孔隙尺度下动态剩余油渗流特征的研究不仅可以从微观上解释剩余油流动机理,而且为提高油藏剩余油动用程度和采收率提供理论指导。对照静态剩余油,提出了动态剩余油的定义方法,并建立了一套利用微观玻璃刻蚀模型实验和计算机图像识别处理技术识别孔隙尺度下动态剩余油及其渗流特征的研究方法。该方法和人工识别结果对比误差小于5%,并且大大提高了识别速度,为研究和认识孔隙尺度下动态剩余油渗流特征奠定了基础。

关键词： 页岩气储层   孔隙系统   多尺度   联合表征  

摘要： 页岩气储层孔隙系统的研究是页岩气表征与评价的核心工作之一。鉴于页岩矿物成分复杂、孔隙组分多样,多种测试手段的联合分析已成为页岩孔隙系统研究中的一个发展趋势。综合氩离子抛光-扫描电镜、低温液氮吸附、CO2吸附、特高压压汞等对川东南志留系龙马溪组页岩的微观孔隙结构、孔径分布及连通性等进行了配套实验研究。研究结果表明:1页岩储层孔隙以100 nm以下的中孔和微孔占主导,其中孔径为10 nm左右的孔隙所占体积最大;2有机质发育及含量决定了页岩气储层孔隙发育情况及孔径大小分布,表现为随着TOC含量的增大,孔径大的孔隙部分逐渐增多,有效孔隙度逐渐增大;3多种实验手段联合测试才能获得页岩的多尺度孔隙全貌特征,而液氮-高压汞联合测试能反映其孔隙系统的基本特征。总体上,优质页岩气储层具有更大的微孔孔容、比表面积、孔径大小及有效孔隙体积,研究成果和结论对页岩气储层孔隙系统的综合表征和评价具有重要借鉴意义。

关键词： 格子Boltzmann方法   流体混合   化学反应   孔隙尺度   GPU计算  

摘要： 利用格子Boltzmann方法和GPU计算技术,在孔隙尺度上模拟多孔介质中包含界面化学反应的粘性指进现象,定量分析化学反应对流体混合的影响.采用单浓度变量的双稳态模型来描述界面反应,而各向同性的多孔介质则通过四参数法生成.研究发现化学反应能减小指进界面厚度,抑制流体的混合,甚至会出现反混合现象,并且随着反应速率的增加,影响越明显.

关键词： 孔隙尺度   多孔介质   两相流   数值模拟  

摘要： 本文基于二维micro CT扫描图像进行数值重构得到三维多孔介质几何模型,采用Shan-Chen多相格子Boltzmann方法(LBM)建立适用不规则几何边界区域内气液两相流动数值模型,在此基础上对复杂多孔介质内的两相流动过程进行孔隙尺度模拟。结果表明,气-液两相流动受限于多孔介质的复杂孔隙结构,气液表面张力、壁面润湿特性以及进出口压差对两相流动特性将产生明显影响。

关键词： 缺陷   孔隙   弹性常数   周期对称边界条件   细观尺度  

摘要： 为预测含孔隙复合材料单层板的弹性常数,以单向纤维增强复合材料单层板为研究对象,首先,基于细观力学方法,提出了一种基于两尺度代表体元的含孔隙复合材料单层板弹性常数预测方法;然后,基于纤维排列和孔隙特征,建立了纤维-基体尺度的代表体元模型和含孔隙复合材料单层板的代表体元模型,并采用有限元方法求解弹性常数;接着,采用周期对称边界条件,在纤维-基体尺度先进行第1步等效,得到不含孔隙复合材料单层板的弹性常数;最后,在含孔隙复合材料单层板的代表体元模型上进行第2步等效,完成了含孔隙复合材料单层板弹性常数的预测。结果显示:应用该方法得到的计算结果与试验数据吻合较好;结合纤维、基体弹性常数及孔隙形态的模型,该方法可以反映各因素对复合材料单层板弹性常数的影响。