关键词： CO_(2)封存   两相流   孔隙尺度   微流控  

摘要： CO_(2)地质封存技术是缓解温室气体排放的一种有效手段,亚岩心尺度CO_(2)-水在多孔介质内的流动实验对阐明CO_(2)地质封存中的残余捕集过程的封存潜力预测具有重要意义。本文利用高压微流控芯片在毛细管数为2.37×10^(-5)条件下进行了CO_(2)驱替纯水的实验,以研究重力对气水两相流动的影响。实时采集到了两相在非均质孔隙内的分布形态和流动特点,进一步的对CO_(2)饱和度进行了量化和评估了CO_(2)的封存容量,阐明了重力对CO_(2)残余捕集过程的影响。

关键词： 致密油藏   混合润湿   孔隙尺度   毛细管压力   渗吸规律   采出程度  

摘要： 以毛细管压力为基础的渗吸作用可有效动用致密储层中的原油并补充能量。为了研究混合润湿程度与渗吸采出程度之间的关系,以及典型混合润湿孔喉通道渗吸规律,基于相场理论和Navier-Stokes方程,建立静态孔隙尺度渗吸数值模型,对孔隙尺度渗吸过程进行数值模拟,分析不同混合润湿程度对渗吸采油效果的影响。结果表明:混合润湿占比为10%的混合润湿岩石孔隙渗吸采出程度比纯水湿的采出程度高。当混合润湿占比低时,混合润湿通道为渗吸的主力通道,渗吸效果与纯水湿的类似;当混合润湿占比超过40%时,渗吸采出程度低于10%,渗吸效果差;当混合润湿占比高时,连通性好且成片存在的水湿孔喉成为混合润湿体系渗吸排驱采油的主要优势通道,连续的油湿孔喉抑制水相流动,导致渗吸作用停止。该结果为阐明混合润湿程度和混合润湿分布的渗吸规律和流动潜力、提高致密油藏的采收率提供指导。

关键词： 致密砂岩气藏   气体吸附   高压压汞   核磁共振   孔隙表征  

摘要： 致密砂岩的微观孔隙结构对气藏的开发至关重要。文中以临兴地区下石盒子组盒8段为研究对象,采用多种实验方法对致密砂岩孔隙结构进行精确表征。研究结果显示:致密砂岩主要孔隙类型为长石溶孔和岩屑溶孔,其次为粒间孔、晶间孔和微裂隙;高压压汞、CO_(2)吸附、N_(2)吸附以及渗吸-核磁等实验结果均反映了研究区致密砂岩孔隙结构具有较好的连通性;多尺度联合法表征的致密砂岩孔径分布以微孔为主,介孔次之,大孔最少;微孔的大量分布为比表面积做出主要贡献,介孔、大孔贡献较少,孔容主要由微孔、介孔贡献,大孔贡献较少;核磁共振计算的孔径分布比例与多尺度联合法的计算值在介孔、大孔阶段具有较好一致性,在微孔阶段,多尺度联合法的计算值大于核磁共振法,表明微孔为气藏的主要气体储集空间,而介孔和大孔为气体运移的主要通道,多尺度联合法在致密砂岩储层孔隙结构精细表征方面更具特色。

关键词： 页岩气   孔隙结构   三维重构   古隆起周缘   保存条件   油气地质调查工程   黔东南地区  

摘要： [研究目的]研究黔东南地区牛蹄塘组页岩孔隙结构特征及其对页岩气富集的影响,抛开不利因素,为黔东南地区页岩气勘探提供建议。[研究方法]通过聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和氮气吸附等手段,对页岩微纳米孔隙结构进行多尺度表征,并结合研究区牛蹄塘组页岩的生烃及埋藏史,研究构造运动与孔隙结构关系,进而分析对页岩气富集的影响。[研究结果]牛蹄塘组页岩主要发育毫米级微裂缝、微米级黄铁矿晶间孔以及纳米级有机质孔隙,以墨水瓶状孔隙和平板结构的狭缝孔为主,孔隙结构复杂;结合FIB-SEM三维重构结果,有机质在页岩中占比较高,其孔隙度在0.04%~2.48%,对总孔隙的贡献率介于14%~96%,与有机质共生的黄铁矿晶间孔是沟通裂缝的主要孔隙类型;该地区页岩气赋存状态以欠饱和的吸附气为主,游离气含量偏低。[结论]牛蹄塘组页岩大量构造裂缝,沟通了有机质孔及黄铁矿晶间孔,改变了原有孔隙结构,致使原位聚集的页岩气沿裂缝逸散,是牛蹄塘组页岩含气量低的关键因素。热演化程度适中、构造保存好的区域是古隆起周缘下一步页岩气勘探的有利方向。

关键词： 地浸采铀   铀污染   微生物原位修复   数值模拟   LBM  

摘要： 地浸开采砂岩铀矿造成的地下水铀污染通常可采用微生物原位还原固定的方法进行修复。关于铀污染微生物修复的试验研究较多,但采用数值模拟方法进行孔隙尺度建模的研究则较少。针对砂岩铀矿中铀污染微生物原位固定修复模拟,建立多孔介质孔隙尺度模拟的二维概念模型;通过注液孔将功能微生物和碳源注入多孔介质中,微生物在碳源刺激下生长繁殖,其生长代谢过程可将溶液中的U(Ⅵ)还原成U(Ⅳ)而固定,同时考虑地下水中溶解O_(2)和NO_(3)^(-)等具有氧化性的物质对U(Ⅳ)的再氧化作用;建立以上过程的数学模型,并采用LBM(Lattice Boltzmann Method)方法实现模型的耦合模拟;模拟研究多孔介质渗透率和迂曲度、注液速度、微生物浓度等因素对铀污染迁移范围及修复效果的影响。结果表明:建立的模型可模拟砂岩铀矿孔隙尺度中铀污染微生物修复及再氧化释放过程,增大渗透率、注液速度及微生物浓度可以加快铀污染修复,而地下水中溶解的O_(2)和NO_(3)^(-)会影响修复效果的长期有效性。研究可为发展地浸采铀退役治理过程中铀污染微生物修复理论和数值模拟方法提供参考,并可提供一种新方法来评估和预测微生物修复技术对地下水铀污染的有效性。

关键词： 格子Boltzmann方法   三相流   多相驱替   石油增产  

摘要： 毛细管及多孔介质内的多相驱替行为是广泛存在于原油采收、地下水污染防治等领域的典型流动现象。为了探究引入第三相不混溶流体对两相驱替规律的影响，应用三相流格子Boltzmann颜色模型开展了单个毛细管和多孔介质内两相流体在第三相流体微调控下驱替类型和驱替效率的孔隙尺度模拟研究。结果表明：在单个毛细管中，随第三相流体含量的增加，驱替效率先升高后降低，适量引入第三相流体可提升驱替前缘的稳定性，促进驱替类型由指进型驱替向稳定型驱替转变；第三相流体稳定驱替前缘的作用随注入流体与第三相流体粘度比的增加或毛细数的减小而增强。在多孔介质中，第三相流体含量及毛细数的影响规律与单个毛细管内的研究结论相一致，即随第三相流体含量的增加，驱替效率先升高后降低；随毛细数增大，驱替效率降低。该研究可增进对引入第三相流体调控两相驱替行为的理解，为优化原油开采方法等与多相驱替相关的工业应用提供理论参考。

关键词： 环境工程学   赤泥渗滤液   土工合成黏土衬垫   渗透系数   固液相互作用   多尺度孔隙结构  

摘要： 赤泥渗滤液会对赤泥堆场使用的土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liner, GCL)防渗性能造成负面影响,易产生渗滤液渗漏风险,严重威胁地下水和土壤环境安全。为了从多尺度孔隙结构角度揭示GCL对赤泥渗滤液的防渗机理,通过柔性壁渗透试验获取GCL对赤泥渗滤液的渗透系数,利用XRD试验分析蒙脱石晶体结构和质量分数的变化,描述固液相互作用,并开展压汞试验和氮气吸附-脱附试验,定量探究渗透液体对GCL中膨润土多尺度孔隙结构的影响。结果显示,具有高离子强度的赤泥渗滤液可以压缩GCL中膨润土的扩散双电层厚度,抑制渗透膨胀过程,进而导致作为渗流通道的集合体内和集合体间孔隙(渗流孔隙)体积增大,GCL渗透系数大幅增加;强碱性的赤泥渗滤液能溶解具有吸水膨胀性的蒙脱石,生成非膨胀性的次生矿物。通过降低膨润土膨胀性能和堵塞孔隙作用可改变膨润土多尺度孔隙结构,进而影响GCL渗透系数。天然钠基GCL的防渗性能好于人工钠化GCL,这是因为前者蒙脱石质量分数较高,具有更好的膨胀性能,相同赤泥渗滤液渗透后,天然钠基GCL依旧可以保持较小的渗流孔隙体积。具有更高离子强度和更强碱性的赤泥渗滤液会因剧烈的固液相互作用,导致渗透后的GCL具有较大的渗流孔隙体积和较高的渗透系数。

关键词： 介质结构   三相流动   孔隙尺度   滞留水   油水交互驱替  

摘要： 地下水是地球水资源的重要组成部分,是支撑地球生态系统的关键要素。目前,地下水的污染问题日益严峻。其中重非水相污染物(DNAPLs)由于密度较大、穿透性强,在渗入地表后往往会残留在土壤中,并持续向下运移,最终滞留在含水层底部形成长期污染源,对人类健康和生态环境存在持续威胁。因此,研究DNAPL在多相共存环境下的运移规律及其影响因素具有重要意义。本文应用有限体积法结合VOF模型对多孔介质内多相流动进行模拟,研究不同介质结构和油水交互驱替情况下介质内各相饱和度和赋存特征的变化。得出以下主要结论: (1)在良好级配和不良级配多孔介质中,水相驱替气相时,水相均形成小尺度的指进现象,在多孔介质中优先大孔隙通道运移。当驱替结束时,多孔介质内水相体积达到饱和,部分喉道内存在气相滞留。孔隙度相同时,水相的运移速度与介质的非均质性有关,级配不良的多孔介质中水相运移速度更快,饱和度更高;孔隙度大的多孔介质中水相驱替速度更快,水相驱替指进现象更加明显。 (2)DNAPL(油相)、水、气三相驱替过程中,油相运移形成小尺度的指进现象,不良级配多孔介质驱替速度大于良好级配多孔介质驱替速度。随着驱替的不断进行,多孔介质中油相不断增多,油相与水气两相间的压力差不断减小,流体的推动力减弱,驱替速度下降;油相运移优先通过大尺寸孔喉,水相和气相滞留在多孔介质内部非均质性较强区域。颗粒平均粒径越大,油相在多孔介质中的驱替速度越大,驱替结束时油相的饱和度也随之增大,但油相体积分数受其影响程度越来越小。亲水介质在三相驱替过程时驱替速度以及油相饱和度均大于疏水介质,疏水介质在驱替过程中指进现象更加明显。 (3)油水交互驱替时,水驱通道逐渐增多,油相与水气两相的接触面积增大,滞留在多孔介质中的油相和气相减少。油相和水相达到饱和时的体积分数受油水交互驱替次数影响,油水交互驱替次数增加,多孔介质中油相不断增加,水相和气相不断减少,但影响程度逐渐降低。滞留在介质中的水相体积随油水交互驱替次数的增加变得更少,分布更加分散。仅增大水驱速度对油水交互驱替结束时的油相饱和度影响很小。

关键词： 土壤团聚体   矿物有机质结合物   土壤非均质性   微流控技术   孔隙尺度  

摘要： 底土层中的土壤有机碳(SOC)储存占了土壤碳库的50%以上。赋存于表土中的有机质,淋溶作用导致的垂向迁移,是构成底层土壤有机质(SOM)的重要来源之一。因此,SOM迁移对入渗水流的响应是影响底土SOC含量的关键因素。SOM可以分为不同的碳库,每种碳库在淋溶条件下表现出不同的迁移特性。通常,在对流传质驱动下,溶解有机物(DOM)在响应渗流时具有高度流动性,而包括矿物结合有机质(MAOM)在内的固相有机质在土壤基质中的流动性较低。然而,大多数MAOM能够与粘粒大小的细矿物颗粒结合,因此能以水分散胶体的形式分散在土壤悬浮液中并通过胶体运输进行垂向迁移。为了全面解高度非均质性土壤系统,需要从土壤的基本单元(土壤团聚体)出发,重点关注“团聚体间”和“团聚体内部”孔隙两部分主要团聚体结构,以及团聚体自身所构成的土壤结构整体。因此,想要准确预测SOM沿土壤剖面的垂向分布,需要进一步了解粘粒大小的MAOM颗粒的迁移率,而其关键在于探究团聚体间和团聚体内部孔隙之间的流动分布及其对非均质性土壤结构内有机碳迁移和运输的潜在影响。 在本研究中,我们设计并制备了三种不同孔隙结构几何图案的微流控芯片,并进行了表面亲水处理,通过制备荧光标记MAOM并将其负载在微流控装置上,形成了包含团聚体、优先流结构孔隙、MAOM和DOM的亲水性人工土壤微界面,作为模拟淋溶条件下SOC在团聚体尺度上迁移过程的平台。通过激光共聚焦显微镜成像证实了该方法能使粘土矿物在微模型内不同位置的不均匀分布。在此基础上,本研究定量探讨了不同流量和不同基质孔隙的入渗对胶体MAOM和DOM向下迁移的影响,为胶体SOM运移提供了动态可视化视野,说明了不同土壤孔隙对有机碳保护的非均质性。 结果表明,高流速渗流下,在团聚体间和团聚体内部的DOM和MAOM都发生了迁移的现象,较高的流速会导致更明显的向下迁移,有机质淋失率达为13.0-53.5%。而与各团聚体间的区域相比,团聚体内孔隙中粘土大小的MAOM的迁移率明显较低,DOM的迁移率则相对较低,基质区域有机质淋失率为4.8-47.9%,显著小于优先流区域的11-79%。这表明,土壤团聚体的结构在限制有机质在土壤内的运动中起着非常重要的作用。此外,高入渗流速下,团聚体内区域中只有小部分MAOM会发生迁移,这表明该区域SOC的迁移能力有限。同时,观察实验表明胶体MAOM的迁移在微观尺度上也表现出非均质性。本研究还强调了胶体运输在粘土大小的MAOM迁移中的重要性。这些发现增强了对存在孔隙尺度非均质性的情况下有机物如何在土壤系统中分布、运移和保留的理解。 总体而言,本研究展示了一种新的实验方案,为人工非均质土壤微观模型的有机质迁移率提供可视化手段。同时,本研究的结果为有机质在非均质土壤中迁移和沉积的机制提供了更深刻的理解。