关键词： 沉积岩石重构   孔隙尺度   核磁共振响应模拟  

摘要： 核磁共振(NMR)测井常用于评价岩石的物理性质,如孔隙度、孔隙半径分布等。若大孔与微孔连通时,可能出现孔隙-孔隙扩散耦合现象,此时NMR测量结果不能反映真实的孔隙半径分布。因此,有必要对孔隙尺度下岩石的NMR响应进行深入研究。本文包括沉积岩石重构和孔隙尺度NMR响应模拟两部分内容。实现了沉积岩成岩过程模拟,包括沉积、压实和胶结过程。利用随机行走法模拟了不同成岩过程岩石的NMR响应,并利用BRD方法对模拟的NMR响应反演得到相应的乃分布。对不同成岩过程中的岩石的T2分布进行分析,发现随着成岩过程的进行岩石的孔隙半径和孔隙度不断减小,导致NMR弛豫速率不断加快,T2分布逐渐向短T2方向偏移。对比不同压实程度对岩石孔隙结构及其NMR响应的影响,发现压实过程的应变越大,孔隙半径和孔隙度越小,NMR表面弛豫速率增大。对比两种不同过程法模拟的岩石孔隙结构及其NMR响应,发现两种方法模拟压实过程得到的岩石孔结构及其NMR弛豫信号差别很小,但两种方法模拟胶结过程得到的岩石差别较大。最后,本文针对实际砂岩进行了孔隙尺度NMR响应模拟,分别模拟了高孔高渗的Berea砂岩和低孔低渗的致密砂岩的NMR响应,并与其测量值对比。实验结果表明,CT扫描能够较好的分辨大孔,使得模拟的长弛豫时间组分与测量值重合较好,但短弛豫时间组分模拟结果与实验值差别较大,说明CT不能较好的反映小孔信息。

关键词： Aerospace engineering   aerothermodynamics   cfd   computational   fluent   hypersonic   inlet  

摘要： Production from a high pressure gas well at a high production-rate encounters the risk of operating near the choking condition for a compressible flow in porous media. The unbounded gas pressure gradient near the point of choking, which is located near the wellbore, generates an effective tensile stress on the porous rock frame. This tensile stress almost always exceeds the tensile strength of the rock and it causes a tensile failure of the rock, leading to wellbore instability. In a porous rock, not all pores are choked at the same flow rate, and when just one pore is choked, the flow through the entire porous medium should be considered choked as the gas pressure gradient at the point of choking becomes singular. This thesis investigates the choking condition for compressible gas flow in a single microscopic pore. Quasi-one-dimensional analysis and axisymmetric numerical simulations of compressible gas flow in a pore scale varicose tube with a number of bumps are carried out, and the local Mach number and pressure along the tube are computed for the flow near choking condition. The effects of tube length, inlet-to-outlet pressure ratio, the number of bumps and the amplitude of the bumps on the choking condition are obtained. These critical values provide guidance for avoiding the choking condition in practice.

关键词： 多孔介质   含湿率   颗粒聚集   导热系数  

摘要： 含湿多孔介质导热系数的准确测量在科学研究和工程应用等许多领域有非常重要的价值和意义。含湿多孔介质导热系数是其内部热湿传递的宏观表征,但单纯从宏观尺度研究,很难完全掌握宏观传递特性的规律本质,因此从孔隙尺度深入研究非饱和含湿多孔介质的传递过程,特别是水分对宏观传递过程的影响机理,能从深层次理解宏观表象的内在影响因素,有助于分析发现导热系数测量手段中存在的不足,以便改善测量方法和技术,提高测量的可靠性和准确性。 目前关于含湿多孔介质导热系数和水分含量之间关系的研究,大多数都侧重两者之间的数值关系,而对于两者间微细观影响机理研究较少。不同的水分含量下颗粒间水分呈现不同的水分形态,其对颗粒有不同作用,这一作用会引起颗粒出现不同的聚集状态,颗粒孔隙结构变化,该变化会影响介质导热系数的变化趋势。 本文选用玻璃珠和不锈钢珠作为试样模拟堆积型多孔介质,用Hotdisk热常数分析仪对不同含湿率下堆积试样的导热系数进行测量,利用CCD(Mintron MTV-1802CB)结合体式显微镜(OLYMPUS SZ61TR)观察不同含湿率下试样孔隙内的水分形态及颗粒聚集状态,分析液桥对颗粒力的作用,及其对试样宏观结构和表观体积的影响,在此基础上分析不同含湿率时水分对多孔介质的宏观传热特性的影响机理。 研究表明：试样的导热系数随含湿率的增大呈非单调递增趋势。不同含湿率下堆积型多孔介质孔隙内水分形态不同,含湿率较低时,孔隙内水分主要以孤立液桥形式存在,当含湿率增大到某一程度时,孔隙内液桥开始相互联通,水分主要以连通水形式存在。不同水分形态对颗粒的作用力不同,导致堆积颗粒结构发生变化,进而表观体积变化,表观体积随含湿率的增加呈增大-减小-增大-减小的变化趋势。水分含量、水分形态、颗粒间结构的变化均会影响介质的导热系数变化,在不同阶段,影响程度占优势者决定导热系数的变化方向。 目前根据不同的机理己建立许多多孔介质的有效导热系数理论模型,在这些理论模型中均需要确定骨架导热系数。本文提出了一种确定骨架导热系数的计算模型,经过验证该模型在流体相的导热系数与固相骨架导热系数相差不大时有较高的有效性。

关键词： 介观尺度   孔隙流体流动   速度频散   衰减   弹性波  

摘要： 介观尺度孔隙流体流动是地震频段岩石表现出较强速度频散与衰减的主要作用.利用周期性层状孔隙介质模型,基于准静态孔弹性理论给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设.在此基础上对准静态与全频段下模型介质中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度变化形式及其对弹性波传播特征的影响进行了讨论,为更有效理解介观尺度下流体流动耗散和频散机制提供物理依据.研究结果表明,低频条件下快纵波孔压在介质层内近于定值,慢纵波通过流体扩散改变总孔隙压力,随频率的增加慢波所形成的流体扩散作用逐渐减弱致使介质中总孔压逐渐接近于快纵波孔压,在较高频率下孔压与应力的二次耦合作用使总孔压超过快纵波孔压.介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致;随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,其纵波速度-含水饱和度变化形式也从符合孔隙流体均匀分布模式过渡到斑块分布模式,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性.

关键词： 储层   孔隙结构   碎屑岩   纳米尺度   孔喉配置  

摘要： 选取胜利油区的3个不同油田取样分析资料,在储层微观孔隙结构研究的基础上通过扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜对储层中纳米尺度的孔隙结构和孔喉配置关系进行研究。结果表明:碎屑岩储层中存在纳米级的孔隙和喉道,且孔隙类型多样,同样可分为原生孔隙和次生孔隙两大类;纳米级原生孔隙包括单晶片层间缝、矿物解理缝、晶内孔、粒间孔和晶间缝5种类型,纳米级次生孔隙包括粒内溶孔、溶蚀缝、构造缝;研究区纳米尺度下的孔喉配置关系归结为孔喉一致型、弯曲沙漏型、'X'形孔喉交叉型、'丰'字形孔隙交叉型和杯形交叉缝型5种类型。

关键词： 尾砂软土   微细观孔隙   孔隙尺度   孔隙分布特征   压缩性   渗透性  

摘要： 尾砂软土的孔隙特征及其变化规律对其压缩性和渗透性有重大的影响,尾砂软土孔隙特征随荷载的变化规律的试验研究为揭示尾砂软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据。文章利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的尾矿库淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析。试验结果表明:淤泥土中介于0.4～2.5μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10μm的大孔隙和小于30nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性,在固结前期(p<200kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小,在固结后期(p>200kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓。

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。