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。

关键词： 致密储层   数字岩心重构   孔隙尺度   核磁共振响应模拟   流体受限扩散  

摘要： 基于物理过程法模拟沉积岩的沉积、压实和胶结过程,构建致密岩石的三维数字岩心。利用随机行走法模拟不同成岩过程岩石的核磁共振响应以及不同润湿性岩石孔隙中流体的核磁共振响应。模拟结果表明,岩石胶结成岩后孔隙半径减小导致核磁共振横向弛豫(T_2)分布的峰值向短弛豫方向移动,流体视扩散系数略小于自由扩散系数;致密岩石中随润湿相流体饱和度减小,润湿相T_2分布向短弛豫方向偏移,受限扩散越来越明显。

关键词： 碳布缝合预制体   等温化学气相渗透(ICVI)   孔隙变化   [A/V]   热解碳结构  

摘要： 以甲烷为前驱体,碳布缝合织物为预制体,采用等温化学气相渗透(ICVI)工艺,在1 368 K温度和1 s滞留时间下制备了C/C复合材料。采用压汞仪表征不同致密化时间下预制体的孔隙分布,采用偏光显微镜观察热解碳的结构。结果表明:预制体的孔隙分布呈现多峰分布,热解碳的沉积速率与[A/V]值成反比,热解碳的结构与预制体的比表面积相关,沉积初期比表面积较大时,得到的热解碳织构为各相同性和低织构热解碳,随着沉积的进行,比表面积逐渐减小,在纤维束的边沿等部位出现了高织构热解碳。

关键词： 最优尺度回归   控制因素   烃类充注   膏盐岩   濮卫地区  

摘要： 本文以实测物性、粒度分析及铸体薄片鉴定为基础,结合对东濮凹陷濮卫地区沙二-沙四段储层孔隙度影响因素的分析,利用最优尺度回归方法,定量分析了储层孔隙度的主控因素。研究表明,最优尺度回归可以简便快捷地定量分析多因素对孔隙度的重要程度。分析结果显示各类影响因素重要性排序为:含油级别、层位、胶结物含量、储层与膏盐岩位置关系、压实减孔率及分选系数。成岩作用早期,分选性决定了储层的初始孔隙,压实作用是孔隙度减小的最主要的原因;成岩作用中后期,烃类充注是储层孔隙度得以保存的最主要的原因。

关键词： 多孔材料   分形   脱附   扩散   格子Boltzmann  

摘要： 为了研究多孔材料内气体脱附、扩散规律,结合实际多孔材料的结构特征,利用分形布朗运动模型(FBM)构造出由宏观孔隙和固相基质组成的三维各向同性和各向异性的分形多孔材料.基于格子Boltzmann方法(LBM)在2个空间尺度上建立气体在宏观孔隙中扩散和在固相基质内微观孔隙中脱附、迁移的数值模型.通过数值模拟,研究了多孔材料的吸附量和结构特性对其脱附、扩散过程的影响.结果表明:微观孔隙内较小的吸附量会造成脱附过程中气体向宏观孔隙内迁移速度降低,从而造成宏观孔隙内气体浓度减少;对于不同分形特性的多孔材料,较高的Hurst指数会提高宏观孔隙的等效扩散系数并降低多孔材料的比表面积,从而降低宏观孔隙内的瞬态气体浓度.