关键词： 陆相页岩地层   孔隙类型   孔隙尺度   成因分析   鄂尔多斯盆地   延长组  

摘要： 应用氩离子抛光-场发射环境扫描电子显微镜对其孔隙特征进行描述,统计不同孔隙孔径分布范围,同时结合其样品粘土矿物成分、含量测试实验,分析不同孔隙成因。针对18口取芯井,共399.04m岩心进行样品采集,通过对鄂尔多斯盆地延长组长7段典型陆相页岩储层105块岩石薄片样品及83块铸体薄片样品进行测试分析的结果表明,鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩油气地层,有机质演化程度中等,RO在0.6%~1.3%之间,其孔隙类型主要分为基质孔隙和有机质孔隙两大类,其一为基质孔隙,包括有原生晶(粒)内、间孔及晶间隙和次生的晶间溶孔,主要是与蒙脱石转化为I/O混层或伊利石时脱水形成的微孔隙,同时见有少量经过溶蚀孔形成的晶间溶孔;其二为有机质孔隙,主要是在有机质不同演化阶段排烃形成的出油孔和出气孔,及演化到大规模成气阶段的"气孔群"。孔隙尺度统计结果表明,该套陆相页岩油气地层的微孔隙大小主要分布在0.02μm^100μm之间。基质孔隙尺度分布较宽,平均尺度相对较大,微米级孔隙占约23%左右,纳米级孔隙占约77%;有机孔隙尺度相对较小,主要分布在20nm^750nm之间,以纳米级孔隙为主。分析认为鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩气地层微孔隙体系的形成与(泥)页岩的成岩演化及有机质的热演化成熟度有关,不同演化阶段形成不同微孔隙类型。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   融化   自然对流   格子Boltzmann方法  

摘要： 由于单松弛(LBGK)格子Boltzmann模型在用反弹格式处理无滑移边界时存在缺陷。基于孔隙尺度,采用多松弛(MRT)格子Boltzmann模型研究封闭方腔内多孔介质的自然对流融化过程,其中,通过焓方法考虑相变潜热。分析了Rayleigh数和Prandtl数对融化的影响。结果表明:采用的多松弛模型能很好的预测导热和对流融化过程;多孔介质的导热融化界面不再与垂直壁面平行,自然对流融化界面呈现不规则形状;Rayleigh数和Prandtl数对多孔介质的融化有较大影响。

关键词： 渗透率模型   孔隙尺度   岩心尺度   油田尺度   研究进展  

摘要： 阐述了国内外渗透率模型在不同尺度下构建方法的研究现状,总结了构建渗透率模型的几种基本方法,介绍了孔隙尺度、岩心尺度和油田尺度等三个尺度下渗透率模型的具体构建方法。结合实际分析了各尺度下渗透率模型的应用效果,展望了渗透率模型构建方法的发展趋势。综合分析认为,不同尺度下新方法和新技术的出现会促进对应尺度新的渗透率模型构建方法的出现。

关键词： 同步辐射CT   数据约束模型   多尺度孔、裂隙分布   连通性  

摘要： 非常规油气储集孔隙结构复杂多样,以纳米级孔喉系统为主,局部发育毫米-微米级孔隙和裂隙。孔、裂隙大小、形态及三维连通性等微观结构特征对油气赋存状态、运移方式、渗流特征等地质问题研究具有重要意义。常规方法无法实现微纳孔隙多尺度三维结构及连通性分析。本文采用同步辐射多能CT技术,结合数据约束模型(DCM)方法对非常规油气储集微纳孔、裂隙研究,可实现多尺度三维可视化表征,进一步获得孔、裂隙体积统计分布及其三维连通结构等信息。基于上海光源显微CT实验平台,针对碳酸盐岩及陆相页岩两种样品,成功获得了孔、裂隙三维结构以及统计分布、三维连通结构等定量信息。实验结果表明,该方法有望成为非常规油气储集研究强有力的手段。

关键词： 微观模拟   网络模型   孔隙尺度   水驱油   残余油  

摘要： 采用微CT扫描技术建立来自WD区块4块岩样的三维映射网络模型,并对其进行水驱油模拟。基于微观驱油效率和含残余油孔隙比例随各因素的变化关系,对影响孔隙中残余油形成的因素及其影响机理进行定性分析。分析结果表明,孔隙大小、孔隙形状、孔喉比以及配位数分别对孔隙中残余油形成的可能性及残余油饱和度有不同的影响。

关键词： 非饱和流动   沉浸理论   数值模拟   实验对比  

摘要： 复合材料液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding,简称LCM)是一种制造高性能大型复合材料构件的环保高效的方法。为了保证构件的生产质量,合理选择工艺参数和优化模具设计是其关键,传统工业中往往只是凭借经验或反复试验,既费时又不经济。因此,实现LCM工艺的数值模拟,对工艺优化具有重要作用。目前,对LCM工艺的模拟大多是建立在饱和流动模型的基础上,虽然适用于短切随机毡等一些特殊织物,但对于工业中大量使用的双尺度多孔纤维织物而言,树脂在孔隙中会产生非饱和流动,饱和流动理论不再适用。本文根据双尺度孔隙织物的结构特点,建立相应理论模型及基本控制方程,通过数值求解,对树脂在纤维织物中的非饱和流动特征进行研究与模拟分析。主要工作和成果包括以下几个部分:针对双尺度孔隙织物中纤维束内与束间树脂流动的明显差异,采用体积均质法,建立了LCM工艺中非饱和流动的理论模型,该模型包含分别反映束内微观流动和束间宏观流动的两套控制方程,且二者通过沉浸项互相耦合。基于控制体/有限元法,编写了树脂在单尺度纤维织物中的饱和流动模拟程序,并通过对一维饱和充模过程模拟结果与理论解析结果的对比,验证了程序的正确性。通过沉浸项的函数化表达,实现了束间宏观流动与束内微观流动控制方程的解耦,并借助单尺度程序模拟纤维束内饱和流动,确定了沉浸函数的具体表达式。采用有限元法对计算域进行离散,并应用迭代方法,求解束间宏观流动控制方程,编程实现了LCM工艺树脂在双尺度多孔纤维织物中流动的数值模拟。采用三向缝合织物进行一维恒流充模实验,对比相同条件下非饱和流动模拟及实验中的流动前沿位置,二者较为吻合,验证了程序的准确性。借助自行编写的程序,对不同条件下的一维非饱和流动进行模拟,并与单尺度理论下的饱和流动模拟结果对比,研究表明:非饱和流动中,预制件完全浸润所需的时间远大于流动前沿到达末端的时间;在一维恒流充模中,注射口压力随时间的增加出现非线性变化,且其趋势与半饱和区域的变化相关;一维非饱和流动中,半饱和区域中的压力梯度逐渐减小,导致压力沿流动距离的分布也偏离了线性。

关键词： 水动力弥散   空间尺度效应   松散岩类孔隙介质   数值模拟   分维度  

摘要： 水动力弥散系数为表征污染物在含水层中迁移、分布的重要参数。国内外大量研究发现,该参数随研究时间、空间范围变化而具有尺度效应。如果能够准确把握第四系松散岩类孔隙含水介质水动力弥散规律及其空间尺度效应变化规律,无疑将有助于为该类含水介质地下水的溶质运移数值模拟和污染防治提供基本参数和理论依据。本文在总结国内外文献的基础上,分别采用室内模拟试验、现场弥散试验及数值模拟方法,对松散岩类孔隙含水介质水动力弥散规律及其尺度效应进行了研究。(1)室内弥散试验结果表明：①渗透性较好的松散沉积物中,溶质浓度不是弥散系数确定的主要控制因素,当溶质由510mg/L增至2040mg/L时,弥散系数仅增加1.1-15.7%。②调整孔隙介质骨架构成,试验柱体弥散度随砂柱中粘土混合比例增加而降低,粒径为0.25～0.5mm砂弥散度为4.48cm,随混入粒径5～50μm粘土体积比由1/9增至1/5,介质平均弥散度降至2.97～1.845cm。③确定的孔隙含水介质中,渗流速度为水动力弥散系数的主要影响因素,调整弥散柱体渗流速度由0.026cm/min增至0.051cm/min,弥散系数增大了2.29～2.32倍。④弥散空间尺度效应仅存在于非均质孔隙介质较远距离运移过程中,实验室采用粒度分布较均匀孔隙介质进行的短距离弥散试验,实质为模拟均匀介质的水动力弥散过程,不会出现弥散空间尺度效应。平均粒径0.25～0.5mm砂及砂混粘土(平均粒径5-50pmm)在运移距离为0.8～1.2m时进行水动力弥散试验,弥散度随示踪剂迁移距离增加基本保持稳定。(2)现场弥散试验结果显示,示踪剂投加孔下游1m、10m和40m运移范围确定的纵向水动力弥散度分别为0.069m、0.519m和0.969m。随溶质运移距离增加10～40倍,弥散度增大7.5～14倍,研究区水动力弥散空间尺度效应明显。(3)结合现场弥散系数随运移距离变化特点,根据分维度公式确定研究区弥散度αL与运移距离L满足函数关系αL=10-1.122·L0.733。根据该函数关系,可估算研究区不同运移距离弥散度,为同类型含水介质溶质运移模拟参数选取提供依据。(4)根据现场水文地质条件,采用Modflow软件建立数值模型对现场弥散试验进行模拟,结果表明：受弥散空间尺度效应影响,以现场lm及40m溶质运移距离确定的弥散度作为模型参数均无法较好的模拟示踪剂投放孔下游40m位置浓度随时间变化的实测情况。采用研究区弥散度分维度公式求取40m运移距离算术平均弥散度α,以α作为模型弥散度进行溶质运移模拟,模拟结果可较客观地反映溶质运移起始点下游40m位置浓度随时间变化。由此可见,在该类含水介质中进行地下水污染数值模拟时,以前述函数关系先估研究范围内算术平均弥散度α,进而以α作为模型参数,可提高模拟结果的准确性。

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

摘要： 地热源热泵技术由于其良好的环境和经济效益,近年来发展迅速。在地埋管换热器与土壤换热过程中,地下水渗流影响不可忽视,且热渗耦合机制也较为复杂。在以往研究中,大多针对宏观方面开展相关的实验和数值模拟分析。本文尝试从微观角度出发,采用数值模拟计算的方法以揭示土壤内部结构演化及其热渗耦合规律。本文首先引入了不可压耦合双分布函数格子Boltzmann模型,介绍了其基本原理和边界处理格式,同时借助封闭方腔自然对流验证了选取模型和边界处理的可行性和准确性。其次本文通过随机四参数生成法(QSGS)重构得到了与真实土壤形态相近的二维饱和多孔介质模型,通过调整模型参数之间的关系可以表征出多孔介质更多细节信息。在此基础上,从孔隙尺度角度出发,在无渗流纯导热情况下对有效导热系数同多孔介质结构之间的关系作了探讨。最后对饱和土壤渗流与传热开展了相关数值模拟研究。在模拟中分别针对不同渗流压差、孔隙率、土壤固相颗粒尺寸分布、温度梯度方向对热渗耦合特性影响进行了详细的讨论,同时对土壤相关的水力学参数进行了计算分析。数值模拟结果表明：(1)无渗流影响时,土壤有效导热系数随着孔隙率增加而近似呈指数形式递减,且关于土壤固相颗粒导热系数呈幂函数关系；对于同一孔隙率,土壤固相颗粒尺寸越小,有效导热系数越大。(2)在有渗流时,土壤渗流速度与渗流压差呈线性递增关系,且随着速度增加,土壤内部传热机制逐渐由固液热传导占优转变为对流换热为主,整个土壤内部平均温度上升速率减缓。(3)随着土壤孔隙率的增加,土壤内部孔隙间连通性变好,渗流速度随之增大；由于孔隙水与周围固体骨架形成的液桥增加,接触热阻减小,加之渗流速度大幅度增加,渗流方向与导热方向一致,对流换热作用得到强化,导致土壤内部温度呈明显上升趋势。(4)在同一孔隙率和渗流压差下,土壤固相颗粒尺寸较大时,多孔介质内部会出现局部流速突增情况,形成典型的优先流效应。随着颗粒尺寸的减小,颗粒之间接触更加紧密,生成随机多孔介质有效导热系数增大,对流换热系数减小,会造成传热过程中热扩散阻力增加,土壤内温度变化逐渐趋于平缓,平均温度下降。(5)对于热源相同作用位置,流动与传热两者驱动势同向比反向时土壤内平均温度要高,且随着孔隙率增加,温度差距也随之加大。

关键词： 孔隙介质   粘弹BISQ模型   介观尺度   波场数值模拟   频散衰减分析   频散AVO反演  

摘要： 储层技术一直是地震油气勘探的重要组成部分，而随着勘探目标逐渐转向复杂构造的油气藏、岩性油气藏、裂缝油气藏等，传统的储层技术渐渐不能满足储层流体识别的要求。地下介质组成成分不仅仅包括固体，同时也包括孔隙中的填充物，尤其是油气储层，其孔隙中流体属性的不同，直接影响地震波的传播特征。所以，充分考虑地下介质的多孔特征，建立新的孔隙介质模型，寻找新的、对孔隙中流体更加敏感的流体识别技术，具有重要的实际意义。因此，本文对孔隙介质理论进行了深入研究，特别是介观尺度模型的低频衰减和频散特征，提出了相应的流体识别因子，并通过实际资料进行了测试。 Gassman方程是孔隙介质理论的重要方程。Biot理论在Gassmann方程的基础上，充分考虑了孔隙介质同时包含固体骨架和孔隙中流体的双向性，奠定了地震波在孔隙介质中传播的波动理论基础。随着研究的深入，学者们发现微观的Squirt喷流机制才是地震波表现出强衰减和频散的主要原因。宏观的Biot流动机制和微观的Squirt喷流机制有机结合即可得到统一的BISQ模型。BISQ很好的刻画了地下介质的孔隙特征及流体流动引起的地震波衰减现象，但固体骨架部分是非弹性的，存在一定耗散衰减现象，特别是流体渗入后，岩石表现出很强的粘弹特性。 本文充分考虑了地下介质中会引起地震波波场特征变化的三种重要机制（孔隙性，粘弹性，各向异性），使用Zener线性体模型构建粘弹骨架，并引入各向异性BISQ方程，建立了统一的粘弹各向异性孔隙介质模型。该粘弹骨架基于谱弛豫机制，适用于时间域的数值模拟。而本文中考虑的各向异性为油气勘探最关注的广泛扩容各向异性。推导了该模型的本构方程和适用于时间域数值模拟的一阶速度应力方程。使用高阶交错网格有限差分法进行了正演模拟，并使用记忆变量避免了粘弹骨架机制中的卷积运算。得到了二维单层模型和双层模型的波场快照和相应的合成地震记录，同时计算了其退化模型（弹性BISQ-EDA模型、弹性各向同性BISQ模型）的波场特征作为对比。结果表明粘弹孔隙介质能够更真实的模拟真实地下介质的波场特征。为了进一步研究粘弹骨架机制的作用方式，通过平面波理论计算了快P波和慢P波的相速度和品质因子曲线。同时建立了3个具有不同粘弹特征的模型，经对比得知，粘弹骨架机制在BISQ模型中引入了一个新的衰减频带，该频带的衰减程度由弛豫品质因子控制，频率范围由弛豫中心频率控制。 在地震频带，弹性波在传播过孔隙储层时表现出明显的衰减和频散现象。许多学者研究表明，介观尺度的孔隙流体流动，是产生这种现象的主要原因之一。介观尺度是指远大于固体岩石颗粒，且远小于地震波波长的尺度。波传播过孔隙储层时，由于孔隙中饱和流体具有不均匀性，孔隙流体中产生了一个压力，从而使其产生相对于固体骨架的流动，进而造成弹性波的衰减和频散。White等在Biot理论的基础上，第一次提出了介观尺度的衰减机制，并建立了一个同时含水和气的部分饱和孔隙介质模型。该模型根据流体存在形态不同又可分为：层状斑块模型和球状斑块模型。层状斑块模型由很薄的气层和水层周期性叠加而形成；球状斑块模型为含水饱和孔隙中含有很多球状气包。然而在实际的孔隙介质中，情况更加复杂。Johnson发展了White的理论，提出了一个满足更广泛孔隙斑块形态的模型，除了White模型中使用的基本地球物理参数，该模型还引入了两个新的几何参数T和S/V，用于描述不同的孔隙斑块几何形态。比表面积S/V取决于斑块的形状，而T与斑块的大小相关。 在两种不同斑块饱和结构下，两种模型在衰减频散特征上都保持高度的一致性。所以本文通过Johnson模型分析了介观尺度孔隙介质模型相关参数对衰减频散特征的影响。因为数值模拟直接求解介观尺度的Biot孔隙介质方程需要极大的计算量，本文通过建立等效的粘弹模型，有效的模拟了地震频带内的衰减和频散现象。首先选取了满足更复杂斑块条件的Johnson模型，通过在低频和高频条件下对Q值曲线的分别近似，推导了Johnson模型的近似Q值曲线公式，以及最小Q值Qm in的计算公式。并通过与实际Johnson模型Qm in值的对比，对公式进行了经验上的改进，使其精度在原基础上进一步提高。该Qm in公式完全由基本的孔隙介质地球物理参数，和新增的两个孔隙斑块几何参数T和S/V组成，通过该公式就可以直接计算一个孔隙介质的粘弹性衰减因子，并借此展开更方便，更迅速的计算研究。最后，利用Zener线性体模型对Johnson层状斑块模型和球状斑块模型的相速度以及Q值曲线进行了近似，验证了Q值公式的精度，以及近似方法的可行性。 在实际的地震资料中，可以观测到储层的高频散高衰减特征，但一直以来没有一种技术可以直接利用这种特征。基于介观尺度Chapman孔隙介质理论，可以计算出含气储层相对于含水储层

关键词： LBM   多孔介质   孔隙尺度   声波透射  

摘要： 多孔介质声学在科学及工程方面都有着极为广泛的应用,因此它受到人们越来越多的关注。通过对声波在多孔介质中传播机理尤其是微观机理更好的理解,人们可以对于水下噪声进行更好的控制。然而,现如今大部分对多孔介质声学的研究都是从宏观角度出发的,而微观角度上的研究却很少。本文中,我们应用一种介观的方法即多松弛格子Boltzmann方法从孔隙尺度来模拟声波在多孔介质中的传播,以期获取多孔介质中重要结构参数(孔隙率、弯曲率、颗粒特征尺寸等)与声波自身特性(频率)对于介质中声波透射的影响。文中,我们使用一种间接的方法,应用格子Boltzmann方法通过模拟分子的扩散过程得到多孔介质的弯曲率。模拟的结果显示不同的固体颗粒形状以及不同排列情况都会对多孔介质的弯曲率的大小产生影响。最后,通过数值的模拟,我们探究多孔介质的长度、孔隙率、弯曲率、固体颗粒的大小形状以及声波角频率的变化对声波透射系数的影响。可以发现,当声波在多孔介质中传播的过程中,多孔介质样品的长度、弯曲率、固体的颗粒的大小及声波本身的频率对声波的透射发挥了重要的作用。由于孔隙率和弯曲率之间的对应关系,孔隙率对声波透射的影响可以被包含在弯曲率对声波透射的影响之中。最终可以获得经验公式,形式为Tc=exp[-(c·A(T)L+B(T))],其中Tc为声波的透射系数,它等于声波透过多孔介质后声压的幅值Pout与入射波声压幅值A之间的比值。C为与颗粒大小相关的系数,A(T)与B(T)分别为与弯曲率大小相关的三次方程,其中系数的选择与声波的频率及孔隙内介质的性质有关。同时,模拟的结果显示随着声波频率的逐渐减小,声波的透射系数会达到极限值,该极限值等于当入口端压强为定值时透过多孔介质后的透射系数。