关键词： 页岩油   计算机断层扫描   聚焦离子束扫描电镜   孔隙结构  

摘要： 中国陆相页岩油发育的地质时代跨度较大,沉积相变化快,热演化程度整体偏低,岩性复杂多样。为明确复杂岩性的渗流规律,以鄂尔多斯盆地延长组长73、渤海湾盆地沙河街组页岩样品为研究对象,利用微米CT和聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)成像技术,结合Avizo软件建立页岩油储层多尺度三维重构模型,定性定量分析了页岩油储层多尺度孔隙结构特征,并通过数值模拟计算了岩心渗透率。研究结果表明:微米尺度下,样品C(纹层状页岩)孔隙最为发育,样品G(层状页岩)次之,样品F(块状页岩)最差;纳米尺度下,3块样品孔隙发育相当,其中样品G连通性更好,得出微纳尺度下具有不同的孔隙发育特征。渗透率数值模拟计算得到样品C、F、G的渗透率分别为0.437 mD、0.031 mD、0.224 mD,和气测渗透率结果具有一致性,表明渗透率数值模拟方法可快速准确计算岩心渗透率。结合微纳尺度孔隙发育情况和渗透率数值模拟结果,可知样品C品质最好,油气勘探开发应重点关注纹层状页岩储层。因此,结合微米CT和FIB-SEM可准确表征页岩储层多尺度孔隙结构特征,识别优质储层,对页岩油气高效开发具有指导意义。

关键词： 孔隙结构   积碳消除   孔隙尺度模拟   格子玻尔兹曼方法   稀薄效应  

摘要： 为明晰多孔催化颗粒消碳再生过程中微观孔隙结构与积碳分布特性之间的内在关系,基于格子玻尔兹曼方法、耦合固相更新方法构建消碳反应的孔隙尺度模型,研究孔隙尺度上积碳消除行为引起的孔隙结构的动态演变过程,分析气体稀薄效应下的消碳行为,评估不同孔径和消碳速率对消碳反应特性和传质特性的影响。结果表明:简单孔隙内积碳均匀分布条件下,消碳反应导致轴向产生扩张的孔隙结构,黏性流动的贡献更加显著;消碳过程减弱了气体稀薄效应,降低了传质速率和反应速率;“大孔”和“小孔”内均匀分布的积碳,更容易被均匀地消除,而“中孔”内积碳,入口效应更加显著;高气体稀薄效应和高反应速率下,消碳反应导致简单孔隙结构演变对黏性流动的促进作用比努森扩散更加显著;复杂的随机孔隙结构,同样存在入口效应,并且积碳消除会导致钟型孔径分布的均匀性增强。

关键词： 格子Boltzmann方法   液滴冻结   冻土   孔隙成冰   数值模拟  

摘要： 路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明:土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线(soil freezing characteristic curves,简称SFCC)具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。

关键词： 边底水碳酸盐岩气藏   孔隙尺度   数值模拟   水气渗流   界面追踪   剩余气   驱气效率   提高采收率  

摘要： 边底水碳酸盐岩气藏储量丰富,是目前塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地等油气产区重要的开发对象,边底水碳酸盐岩气藏在开发中后期普遍面临水侵影响,将引起驱气效率和采收率下降等问题。为此,首先通过耦合流体流动方程和界面追踪方程,建立了孔隙尺度水气非混相流动模型,然后基于随机生长4参数法生成的非均质多孔介质模拟了水驱气过程,最后明确了剩余气的分布和形成机理,并探讨了微观驱气效率的变化机制。研究结果表明:①剩余气的分布包括盲端剩余气、孔喉间剩余气和簇状剩余气,其比例和规模受微观孔隙结构、润湿性和毛细管数共同控制,通过改变生产压差,打乱原有压力系统及气体膨胀,能进一步动用剩余气,进而提高微观驱气效率;②微观驱气效率与渗流过程密切相关,每一条水相优势通道的形成或扩大都会引起出口含水率的急剧上升并使驱气效率的增速变缓;③气藏微观孔隙结构和润湿性特征是确定的,通过优化毛细管数改变界面推进模式能有效提高微观驱气效率。结论认为,对于实际气井,应基于储层微观孔隙结构和润湿性特征,揭示气水界面推进力学机制的演变规律,进而确定最优毛细管数;明确孔隙尺度水气渗流特征及微观驱气物理机制,有助于指导气藏提高采收率方案的设计。

关键词： 页岩   多尺度   多类型   孔隙结构   多实验联用成像技术   机器学习  

摘要： 准确、全面地认识页岩孔隙结构是精准评估储量和高效开采油气的基础和关键。为此,以渤海湾盆地济阳坳陷古近系始新统沙河街组页岩为例,综合应用包括X射线计算断层扫描、大视域扫描电子显微镜、扫描电子显微镜和聚焦离子束扫描电子显微镜在内的多实验联用成像技术,获取了二维和三维多分辨率页岩微观结构图像,并结合图像处理和机器学习算法,实现了对页岩孔隙结构进行单一尺度与多尺度的同步表征。研究结果表明:①研究区页岩的孔隙空间主要由微裂缝、无机质孔隙、有机质和有机质孔隙组成,且都呈现出多尺度特征。②无机质孔隙类型多样,其中溶蚀孔隙发育丰富;有机质呈现出条状和散块状分布,部分有机质中未发现有机质孔隙。③孔隙半径小于20 nm的占比为25%,20~50 nm的占比为19%,50~100 nm的占比为29%,100~500 nm的占比为14%,500 nm~20μm的占比为11%,20~50μm的占比为2%。④有机质孔隙的连通性弱于无机孔隙,有机质孔隙与无机质孔隙的连通对油气运移起着至关重要的作用,微裂缝主导流体流动通道。⑤孔隙半径小于50 nm的孔隙基本以有机质孔隙为主,孔隙半径介于50~500 nm的孔隙为有机质孔隙和无机质孔隙,孔隙半径大于500 nm的孔隙主要贡献者为微裂缝。结论认为,单一的成像实验无法准确、全面地揭示页岩储层的多尺度微观孔隙结构,通过多种成像技术和机器学习算法的联合使用,能够同时实现页岩孔隙结构在单一尺度和多尺度下的认识和表征,提出的新方法能够准确、全面地获取页岩多尺度孔隙结构信息。

关键词： 膨润土   非饱和土   本构模型   多尺度孔隙结构  

摘要： 颗粒型膨润土材料具有颗粒间孔隙、集合体间孔隙和集合体内孔隙等多尺度孔隙结构特征,传统非饱和膨胀土双孔模型(BExM)难以准确描述其宏观力学行为。在现有BExM模型的理论框架基础上,从颗粒型膨润土材料的三重孔隙结构出发,通过双加载屈服面方程和宏微观耦合效应函数表征膨润土颗粒混合物的多尺度孔隙弹塑性变形行为及其相互耦合关系。通过对比试验数据与模型模拟结果发现,模型可较好地描述非饱和颗粒型膨润土材料的膨胀力特征、膨胀变形特征以及宏微观孔隙结构演化规律。

关键词： Pore structure  

摘要： This study aims to further investigate the stimulation effect of pulsed ultrasonic excitation on coal pore structures. Using an ultrasonic excitation test system for gas-containing coals, this study conducted ultrasonic excitation tests on coals under continuous and interactive pulses with ultrasonic power of 800 W and 1 000 W. Through low-pressure CO2 adsorption tests, low-temperature nitrogen adsorption tests, and the mercury injection capillary pressure (MICP) tests, this study explored the evolutionary patterns of parameters of various coal pores with full-scale pore sizes, including macropores (> 50 nm), mesopores (2‒50 nm), and micropores ( mesopores > macropores. (2) Compared with those having undergone continuous or no ultrasonic excitation, coal samples that experienced pulsed ultrasonic excitation exhibited increased pore volumes and specific surface areas of various core pores. (3) With an increase in the number of pulsed ultrasonic excitation, the increased amplitude of the pore volume and specific surface area of coal pores increased linearly. Most especially, macropores presented significantly high increased amplitude. Pulsed ultrasonic excitation caused the continuous transformation between the water hammer pressure stage and the stagnation pressure stage, which increased the level of damage to coal pore structures. Developing pulsed ultrasonic emitters, combined with hydraulic technology, can improve the developmental degree of coal pores, coal permeability, and gas drainage efficiency. © 2023 Chinese Journal of Network and Information Securit. All rights reserved.

关键词： 纤维材料   液膜   孔隙尺度   蒸发   热辐射   多相流动  

摘要： 作为一类多孔介质,纤维材料在工业技术中应用广泛。其中,耐高温纤维隔热材料,是高超声速飞行器被动热防护的重要技术手段。但随着高超声速飞行器速度和航程的提高,基于纤维隔热材料的被动热防护技术将难以满足热防护需求,必须探索新的热防护技术手段,例如主动冷却技术。 液体发汗冷却,是一种基于工质汽化相变的高效主动冷却技术,在高性能空天发动机和高超声速飞行器热防护领域有着诱人的应用前景。但目前广泛研究的主动发汗冷却技术,受技术系统复杂性和过程的不稳定性等限制,会增大飞行器热防护系统的设计和应用难度。若将纤维隔热材料与液态工质相变相结合,利用低含湿量的纤维材料形成自驱动的发汗冷却系统,有望构建一种将主被动防热机理巧妙结合、适应性强的轻质化新型热防护系统。 基于上述认识和技术思路,本文以含有湿份的纤维材料为研究对象,对高温和强热流加热下材料内导热、辐射、对流、蒸发的热质耦合输运过程,通过逐层递进的方法,开展了孔隙尺度的分析模型、数值方法和机理特性研究。 流体体积分数(VOF)法被广泛用于求解气-液两相流动和传热问题,但对于蒸发和对流传热传质孔隙尺度求解,还存在虚假流等不适用性。本文通过引入附加作用力替代表面张力、提出蒸发源项的并行计算策略,改进了VOF方法,建立了多相流动与蒸发问题的孔隙尺度精细化VOF求解模型和计算方法,解决了孔隙尺度模拟中的虚假流问题,提高了求解效率。在此基础上,开发了蒸发与对流传热传质的改进VOF法计算源代码。 针对多相流VOF模拟不能给出确定气-液界面、无法与辐射传输模拟耦合的问题,提出了基于VOF求解的流场信息、采用等值线法构建连续的气-液相界面、以此作为辐射传输求解边界的耦合求解技术,实现了纤维材料内孔隙尺度对流、蒸发的VOF模拟与辐射传输的蒙特卡罗射线踪迹法(MCRT)求解的耦合计算,开发了耦合求解计算源代码。 在对改进VOF法、MCRT法及其计算代码可靠性的验证基础上,对非对称辐射加热下的液滴以及纤维杆表面液膜的蒸发特性进行了模拟分析,考察了辐射源、外流场、纤维杆分布形式等因素对蒸发过程中热质输运行为的影响。 针对含液膜纤维材料复杂结构蒸发与辐射、对流、导热孔隙尺度耦合求解的巨大计算量问题,提出基于纤维材料二维等效截面的液膜区域法求解模型。首先构建了纤维材料的二维等效截面,通过材料渗透率模拟,证明了等效截面能够在孔隙尺度下正确表征纤维材料。基于二维等效截面,构建了流动与传热的液膜区域法,对气相与液膜实施分区计算、界面信息耦合传递的求解策略。通过模拟,分析了液膜蒸发过程中关键物理量的演变机制,考察了材料内含湿量、孔隙率、蒸汽流动方向以及纤维表面辐射与液膜介质辐射对蒸发过程的影响。 进一步,采用von Mises分布描述三维空间内纤维的各向异性随机分布特性,构造了贴近真实结构的纤维材料孔隙尺度表征模型,并对表征方法的可靠性进行了验证。基于三维表征模型,采用衰减自由程理论和MCRT方法对纤维材料的辐射平衡温度、等效介质辐射特性参数以及液膜的影响进行了预测分析。在此基础上,将液膜处理为边界和热阻,提出了求解含液膜纤维材料流-固耦合传热传质问题的液膜边界模型,开发了计算源代码。通过数值模拟,分析了强辐射热流和高温边界下,纤维材料的各向异性特征参数、导热性能及辐射特性参数对孔隙尺度下流动与蒸发过程的影响。 通过研究,建立了含液膜纤维材料内蒸发与导热、对流、辐射耦合的热质输运过程的孔隙尺度数值分析模型和计算方法,开发了相应的计算源代码;同时,获得了强辐射热流和高温加热下,纤维热辐射效应等多种因素对纤维表面液膜蒸发的孔隙尺度影响规律。为此类问题的进一步深入研究,奠定了理论基础、数值方法和分析工具。

关键词： 接触角   颗粒级配   吸水过程   脱水过程   滞后效应  

摘要： 地下水作为一种重要水资源备受人们关注,地下水的污染问题体现在日常生活的方方面面,非饱和带作为污染物进入地下水的主要通道,农业和工程问题重点关注对象,具有重要的研究意义。两相流方法作为研究两相不相溶液体和非饱和等问题的工具受到国内外研究者的广泛关注,然而国内外学者对两相流的研究关注点多集中于油藏方面。本文采用有限元方法对两相渗流进行模拟,通过二维孔隙尺度非饱和土体水分运移模拟研究不同静态接触角和不同颗粒级配情况下吸水过程和脱水过程的特征变化。本文主要得出以下结论:(1)接触角随水分运移过程发生改变,静态接触角越大,接触角变化范围越小。土体的持水能力与接触角的大小有关,吸水过程模拟当中,静态接触角为120°或30°均具有较强的持水能力,土壤水分特征拟合曲线中残余含水率更大;在脱水过程模拟中孔隙部分水相被包裹并滞留在孔隙内,静态接触角为60°的土体中水相更易聚拢成团被滞留在孔隙当中,持水能力更强。静态接触角为60°吸水过程动态接触角最小值66.22°等于脱水过程动态接触角最大值66.22°,静态接触角为30°吸水过程动态接触角的最小值44.66°大于脱水过程动态接触角的最大值41.48°,吸水过程接触角>脱水过程接触角。通过微观接触角特征对比分析,同一情境下,接触角越大的土体脱水过程负压值越小,接触角越小脱水耗时越长。通过吸水过程模拟对比,静态接触角为60°水分运移过程三相较为稳定。(2)吸水过程模拟过程,不良级配土体水相饱和程度更高,具有更强持水能力。分析三种颗粒级配脱水过程土壤水分特征曲线,得出等粒径土体的水分特征拟合曲线更平缓,土体更不易脱水。良好级配吸水曲线和脱水曲线之间的最大宽度值为三种级配中最高,达到0.2554,表明良好级配的土体水分滞后作用越显著。两个主要影响滞后效应因素中“墨水瓶”效应的影响比接触角的影响显著。比较良好级配和不良级配土体,颗粒粒径越不均匀孔隙分布越不规则,“墨水瓶”效应越明显。但由等粒径土体干湿模拟拟合曲线结果可得,通过颗粒粒径均匀程度考虑孔隙分布的均匀与否进而推断“墨水瓶”效应是否明显还需结合土体颗粒粒径分布、颗粒位置分布等因素判断。(3)吸水过程气相被水相驱替可以通过孔隙通道,而脱水过程气相驱替水相的过程,气相难以通过孔隙通道,致使水相不能从孔隙通道中排出,水相以毛管滞留水形式存在于孔隙通道当中。随着干湿过程次数增多,脱水过程后期水分滞后现象越明显,气相驱替孔隙通道的水相难度增加,更利于孔隙通道保留水分。