摘要： Geological Carbon Sequestration has been identified as one of the most promising technologies to bridge the gap between energy security and climate change mitigation. However, many questions arise about the ability to safely keep the injected CO2 in deep formations. In order to answer these questions and provide practical guidance for engineers and policymakers the use of computational models is employed on a daily basis. These models strive to accurately represent physical and chemical phenomena using functional relationships at scales much larger than the scales at which they have been originally derived. It is the intention of this dissertation to present several new methods and techniques in order to accurately represent physical and geochemical phenomena at different spatial and temporal scales. In Chapter 2 a new average pressure definition, herein called the first-order macro-scale pressure, is used to numerically upscale capillary pressure and relative permeability. The results from Chapter 2 show that the first-order marco-scale pressure does a much better job at developing unique and well-behaved upscaled curves than the commonly used intrinsic phase pressure definition. In Chapter 3 a new method to upscale mass transfer between two phases, which relies on the assumption of capillary equilibrium, is explored. The new method for upscaling mass transfer across phases is shown to do much better at representing the actual evolution of mass transfer across phases than assuming equilibrium flash calculations at larger scales. In Chapter 4 a methodology to upscale geochemical changes at the pore-scale is introduced in order to account for changes in porosity and intrinsic permeability at the continuum-scale. The methodology is used to find upscale porosity vs. permeability curves and show how they change depending on different inflowing pH conditions, pressure boundary condition and boundary mixing conditions. Ultimately, the curves found and presented in this ch

关键词： 图像处理   孔隙结构   N-S方程   孔隙度  

摘要： 油气田开发过程中储层孔隙结构不断变化,严重影响油气田开发效果。其中应力敏感性(或称压力敏感性)是导致孔隙结构改变的重要原因之一。为了研究油气田开发过程中,有效应力变化对储层孔隙结构演化的影响规律,弄清楚储层应力敏感性的细观机理,本文通过室内实验、理论分析、数值模拟相结合的方法,以有效应力变化与细观孔隙结构演化的相关性为突破口,将岩石电镜扫描技术和数字图像处理技术相融合,构建储层孔隙结构模型,并对储层岩石结构参数进行量化分析；建立孔隙尺度下流体运动与孔隙介质骨架变形的耦合数学力学方程,用有限元方法对其进行求解；通过多方案数值模拟,研究不同孔隙压力变化情况下,孔隙结构的动态演化特征,分析孔隙结构变化对储层物性参数的影响；最后与室内实验结果进行对比分析,验证该方法的可行性。研究成果对于丰富和发展储层流固耦合理论,指导油田高效开发具有重要意义。 论文包括以下几个部分： 一是基于高等流体力学、高等渗流力学和弹性力学理论,建立孔隙尺度流动与变形耦合计算的数学模型； 二是基于数字图像处理技术,利用MATLAB等图像处理工具箱,建立二维孔隙尺度流动与变形细观数值模型； 三是利用有限元分析软件COMSOLMultiphysics,采用纳维斯托克斯方程(N-S方程),进行二维孔隙流体流动的数值计算,给出速度场、压力场内在关系,从而总结孔隙内流体流动规律,结合已有的实验结果进行对照,校验该方法的合理性和可行性； 四是在孔隙尺度流动与变形耦合计算的数学模型基础上,通过COMSOL Multiphy-sics软件进行孔隙尺度流动与变形的耦合数值计算,并总结出应力作用下饱和多孔介质孔隙结构演化规律,分析孔隙结构变形与流体流动的关系；

关键词： 岩土介质   渗流   输运   电动现象   尺度扩展   双尺度渐进展开  

摘要： 岩土介质是一种遍及于自然界的非均质多孔材料。实体颗粒与孔隙空间的无序分布构成了岩土介质非均质特性的典型要素。与岩土介质相关的渗流以及输运现象是岩土工程学科研究的基础课题之一。目前针对这一课题的主要研究手段是基于唯象的方法论,而唯象研究方法的主要特点是放弃孔隙尺度上的非均质性,单考虑达西尺度上的均质特性。但是从认识事物的本质规律出发,非均质多孔材料在达西尺度上所表现出来的各种特性必定是孔隙尺度上的各种物理过程的本质反映。所以,针对岩土介质渗流以及输运的研究课题,从更为科学的角度出发,应该充分考虑孔隙尺度上的非均质性。这就要求,必须将孔隙的几何结构,以及孔隙空间内发生的物理过程,与达西尺度上的渗流以及输运的均质特性紧密的联系起来。 源于上述研究动机,本文以岩土介质为研究对象,借助尺度扩展的数学方法,针对水力梯度驱动下的流体渗流,水力、浓度梯度驱动下的物质输运,以及粘土-水溶液体系的电动现象,展开了从孔隙到达西的尺度扩展的理论和计算工作。 针对水力梯度驱动下的流体渗流问题：1)通过对渗流问题的尺度扩展,给出了渗透率的多尺度计算方法,并数值考察了渗透率的影响因素。结果表明,组构对于各向同性渗透率的影响并不显著,而颗粒大小以及孔隙比的影响却是显著的正相关。2)借助一个持有特征半径以及相关孔隙比定义的概念性单胞,同时结合反演优化技术,提出一个简单易于操作的岩土介质渗透率的多尺度计算方法,并将该计算方法应用于砂土以及粘土的各向同性(异性)渗透率的计算。 针对水力、浓度梯度驱动下的物质输运问题：1)通过对扩散型和弥散型传输的尺度扩展,量化了两者界限的理论阀值标准。2)数值考察了有效扩散系数的影响因素。结果表明,颗粒大小对于有效扩散系数影响不显著,而组构以及孔隙比的影响显著。3)借助特征底角的概念来考虑组构的影响,给出了岩土介质有效扩散系数的多尺度计算方法,并将之应用于粘土的有效扩散系数的计算。 针对粘土-水溶液体系的电动现象问题：1)通过对粘土-水溶液体系电动现象的尺度扩展,量化了流动电势梯度以及电粘效应的一般计算公式,从而揭示了粘土渗流的胶体科学本质。2)数值考察了电动直径,表面带电密度各自对于流动电势梯度以及电粘效应的影响,得到了一系列“直观朴素”或者“反直观朴素”的结果,并且借助流动电势梯度和电粘效应的协同分析,在物理上合理的解释了上述“直观朴素”以及“反直观朴素”的结果。3)借助持有颗粒宽度的一维概念性单胞,同样较好的应用于考虑双电层效应的粘土渗透率的计算。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   光滑粒子动力学   SPH  

摘要： 在自然界和很多的工业应用中,都存在流体在多孔介质内流动的问题。在石油开采领域,更是会经常遇到此类问题,对于我国的石油开采工业而言,迫切需要进一步提高石油的采收率(Enhanced Oil Recovery, EOR),这就需要详细研究多孔介质中流体流动的传质传热规律。在目前的研究中,主要涉及两种尺度,孔隙尺度(Pore Scale)和表征体元尺度(Representative Elementary Volume, REV),在实际工程中,常使用Darcy定律描述流体在多孔介质内的流动,渗透率k是其中的一个很重要的参数,然而在使用该定律时,流体和多孔介质复杂的交互作用只能体现在一个宏观的统计参数k之中,其中包含了流体和多孔介质的许多参数,而要确定这些参数,又必须建立在对孔隙尺度下流体流动的合理描述及流体性质的准确预测的基础之上。因而在孔隙尺度下详细研究流体在多孔介质内的流动与传热特性,建立物理背景清晰,数学基础牢靠的REV模型,无疑具有重大的工程意义。 因此,本文从孔隙尺度下流体在多孔介质内流动的研究出发,分析流体在多孔介质中的传质传热的规律,研究渗透率的微观机理,寻求提高采油效率的方法。基于孔隙尺度下的多孔介质模型,使用光滑粒子动力学(SPH)数值模拟方法研究多孔介质中不可压缩流体流动现象,分析流体在孔隙尺度下的流动特性。首先通过模拟经典的Poiseuille流和Couette流验证了方法的正确性。随后,针对流体在分别由圆柱和方柱为骨架构造规则的多孔介质内的流动情况,同时使用SPH和FEM方法进行模拟,得到的结果十分吻合。利用SPH方法模拟了流体在随机方法以同尺度的圆柱为基元构造的一种人工随机多孔介质模型和基于贝雷岩心获得的多孔介质模型,模拟结果表明平均流体速度和体积力具有良好的线性关系。然后将SPH方法拓展到了两相模拟的领域,验证了拉普拉斯定律。最后利用SPH方法研究了导热问题,从多个算例中验证了SPH方法的精确性,然后用该方法研究了多孔介质中的纯导热问题,得到了精度很高的结果。

关键词： vertical equilibrium   carbon sequestration   multiphase flow   porous media   numerical simulation   ECLIPSE  

摘要： Equations describing flow in porous media averaged to allow for lateral spatial variability but integrated over the vertical dimension are derived from pore scale equations. Under conditions of vertical equilibrium, the equations are simplified and employed to describe migration of CO2 injected into an aquifer of variable thickness. The numerical model based on the vertical equilibrium equations is shown to agree well with a fully three-dimensional model. Trapping of CO2 in undulations at the top of the aquifer is shown to retard CO2 migration.

关键词： 格子-Boltzmann   数字岩心   多点地质统计学   渗透率  

摘要： 流体的渗流是一种十分常见的自然现象,在许多工程领域都有应用,如化学工程、地下资源开采、农田水利、地下土壤污染防治等。石油工业领域中,人们关注油或油水在储层岩石这种孔隙介质中的流动。本文采用数值模拟的方法,用格子-Boltzmann这一计算流体流动的数值方法计算毫米尺度的数字岩心的渗透率。同时本文研究了如何用各种方法得到三维数字化岩心,其中包括用实际岩心铸体薄片结合多点地质统计学的方法得到三维数字岩心。由于用多点地质统计方法得到的三维数字岩心可以更有效的发现长程的连通孔隙,因此计算的渗透率更加准确,同时将计算的结果与实际岩石物理实验的结果进行了对比。

关键词： 膨润土   微细观孔隙   孔隙尺度   孔隙分布特征   压汞仪法   渗透性  

摘要： 土体的微观孔隙结构特征对其渗透性有着显著的影响,膨润土具有很强的防渗性能,在土中加入膨润土可改变其孔隙尺度分布和结构特征而降低土的渗透性。采用压汞仪法(MIP)试验研究了掺加不同比例的膨润土的细颗粒土的微观孔隙结构特征。试验结果表明:只要加入少量的膨润土便可使土体的大孔隙的数量急剧减少;随着膨润土的含量的增多,孔隙尺度分布逐渐发生变化,中孔隙的数量逐渐减少,小孔隙、微孔隙和超微孔隙的数量逐渐增多,孔隙分布密度函数由三峰态转变为双峰态,峰值所对应的孔隙直径减小。实验结果也证明了同一孔隙比的土样的孔隙特征的多样性,因此工程中采用的表达土的孔隙含量的宏观参数孔隙比并不能完整描述土体的孔隙特征,需要引入其他微观参数对土的孔隙特征进行描述。文中的研究对防渗工程设计与施工具有参考价值。

关键词： SEM技术   碳酸盐岩   孔隙空间   多尺度   FIB   扫描电子显微镜   岩石物理性质   层析成像技术  

摘要： 了解岩石物理性质和多相流动特性，对于油气评价和开发是非常有必要的。而这些特性往往受控于孔隙空间的三维几何形态和连通性。目前，碳酸盐岩孔隙大小分布的确定仍极具挑战性。由于碳酸盐岩的沉积环境变化非常大，而且这类岩石极易受后沉积作用的影响，导致其孔隙结构很复杂，孔隙的长度从数十纳米到几厘米不等。要更加深入地认识孔隙结构对连通性、导流能力、渗透率和采收率的影响，就需要在连续的70个长度尺度范围内（从10nm到10cm）研究碳酸盐岩的孔隙结构，并对不同尺度下的信息进行综合分析。本文利用微计算机层析成像技术（micro—CT）、反向散射扫描电子显微镜03SEM）、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIBSEM）实验技术，研究在数十个尺度下碳酸盐岩的孔隙结构。然后利用图像叠合技术对不同长度尺度下的数据进行综合。首先将一个岩心柱的三维图像（4cm，20微米体素[voxel]）与一个宏孔隙分辨率下的样品（8mm直径，4微米体素）进行对比。然后，重点将在亚微米（submicron）分辨率下获得的扫描电镜（SEM）及聚焦离子束扫描电子显微镜（FIBSEM）数据与在大约3～5微米分辨率下获得的微计算机层析成像（micro-CT）数据相结合。为了实现SEM图像的最佳像素叠合，我们开发了一个精确的模板，以便消除由SEM扫描方法导致的人为弯曲，同时我们已经成功地按照三维图像的灰度级对在SEM图像上可见的次分辨率孔隙度和孔隙大小进行了成像。利用FIBSEM技术也可以研究样品的三维结构，研究精度可达到数十纳米。我们简要地探讨了如何利用这种多尺度信息来加强碳酸盐岩岩石物性的研究。

关键词： 孔隙尺度   风干法   烘干法   冻干法   压汞试验  

摘要： 采用风干法、烘干法和冻干法分别对不同含水率的重塑膨润土进行干燥制样,利用压汞试验得到的累积进汞量曲线,对重塑膨润土进行了孔隙尺度划分,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征进行了定量分析。试验结果表明:采用风干法、烘干法和冻干法干燥制样后土体孔隙分布存在较大的差异性,土样的含水率越高,差异越明显;风干法、烘干法干燥土样会引起孔隙收缩,导致土体微孔隙特征的变化,冻干法不会引起孔隙收缩,因而不会导致土体微孔隙特征的变化。由此得出了干燥重塑膨润土制备压汞试验用土样最好的干燥方法是冻干法这一结论。

关键词： 二氧化碳盐水层封存   突破压力梯度   压力   颗粒直径   接触角  

摘要： 以CO_2捕集与封存为研究背景,开展了二氧化碳盐水层封存条件下超临界二氧化碳在多孔结构中的流动规律研究。通过基于孔隙尺度的数值模拟方法,研究了超临界CO_2注入储层多孔结构时突破压力梯度和流动时间以及CO_2饱和度的关系,分析了压力、温度、颗粒直径、接触角和表面张力系数对突破压力梯度的影响规律。研究表明,对于孔隙率以及颗粒分布状况相同的储层结构,在超临界CO_2注入速度相同时,影响突破压力梯度增加的因素包括:CO_2地质封存压力减少,地质封存温度增加,颗粒直径减小,接触角减小或表面张力系数增加。