关键词： 煤层甲烷   孔隙结构   连通特征   微尺度流动行为  

摘要： 煤炭在新时代能源体系构建中扮演着维护国家宏观经济平稳运行的“压舱石”和“稳定器”角色，深部煤层普遍存在“高储低渗”特征，导致甲烷抽采难度不断增大，煤层甲烷灾害防治与高效抽采是实现煤炭资源安全、清洁高效利用和双碳目标达成的重要途径，厘清煤层甲烷赋存与运移特征对破解煤层甲烷高效抽采及灾害防治难题至关重要。由于煤中微观孔隙结构通过其多级网络特性控制着甲烷的存在状态、吸附解吸、扩散渗流等储运特征，从而深刻影响甲烷赋存规律和传输性能。研究不同变质程度原生煤和构造煤的孔隙网络系统连通特性是揭示煤层甲烷赋存机理与运移规律的基础，对探索煤储层突出孕育机理和突出危险性预测的根本原因具有重要指导意义。本研究依托于表面物理化学、吸附科学、煤层甲烷流动理论、煤力学、计算流体力学、逾渗物理、几何分形等理论，对煤体微观孔隙演化机制、多尺度孔隙结构空间分布特征及受载演化机制、煤体孔裂隙结构对流体运移影响机制进行研究，揭示了煤体甲烷储运机制，为破解甲烷抽采难题提供新认识。本文主要结论如下：　　（1）通过流体注入法实验分析不同变质程度原生煤和构造煤的孔隙结构，并定量表证其复杂性及孔隙通达性。综合利用压汞法（MIP）、N2（77K）吸附实验、CO2（273K）吸附实验对不同煤化变质程度原生与构造煤样进行了多尺度孔隙结构的形态特征分析;在对比构造作用对于煤体孔隙结构影响的同时，发现存在特定类型的孔隙，即限制型孔隙，可能不利于流体在煤层中的有效运移，并且通过对于流态法曲线中滞后环产生的机理解释并验证煤中限制型孔隙的大量存在;基于逾渗理论进一步推导评估煤体孔隙通达性的方法，通过数学模型计算得出不同变质程度原生煤与构造煤孔隙通达性响应指标，厘清了煤微观结构中甲烷运移路径的差异性，有助于进一步揭示煤中甲烷运移与分布特性。　　（2）通过数字可视化和无损检测技术建立了煤体三维重构模型，从而揭示了其微观连通性的拓扑网络及其定量参数的变化特征。基于Micro-CT技术建立煤体数字可视化三维重构模型，通过图像处理及拓扑骨架化模型构建，定量化表征微观孔隙网络结构;利用三维拓扑骨架化模型，测定原生煤与构造煤的平均曲折度分别为1.216和1.161，分形维数分别为2.14和2.56。同时基于分形几何学与拓扑学，在最大球算法的基础上获取煤体拓扑等效网络结构及等效孔隙网络模型（PoreNetworkModel），对比不同变质程度及原生煤构造煤之间孔径与孔喉等效直径;基于格子Boltzmann方法与微观拓扑学等效孔隙网络模型相结合进行流动模拟，分别计算构造煤与原生煤各向渗透率张量，证明了原生煤的微观结构中流体流动具有显著的非均质性和各向异性，且这种分布特征可能主要受到煤体中规则发育的割理系统和定向发育的孔裂隙结构网络的决定性影响。　　（3）基于3D-XRM扫描技术对煤体微结构网络动态演化定量研究，并提出基于微结构重构模型孔隙率衰减模型及验证。采用自行研制的可用于3D-XRM技术的煤样加载装置进行CT扫描，实验覆盖0MPa、7MPa、20MPa三个围压条件;通过图像处理及模型构建，对煤体微结构定量化研究，对裂隙数量、体积、表面积、密度及分形维数五个关键参数进行了定量化研究表明;基于煤体三维骨架化模型与孔隙网络模型，对孔隙等效直径、孔喉等效直径与配位数等参数随应力条件定量分析，并选取特征区域对其割理方向进行渗透率张量计算，获得不同围压条件下渗透率分别为0.2282、0.00873、1.4753×10-16μm2。通过力学理论分析，提出煤体受载微结构孔隙率的衰减模型并进行验证，孔隙率的衰减模型与孔隙闭合曲线拟合相关性系数高达0.93。从理论模型及定量化实验的角度揭示了受载煤体微结构网络动态演化机制。　　（4）基于逆向工程分析技术，多软件数据交互联合解算获得了煤体微结构空间结构对气体流动影响规律，实现微观结构对气体运移的可视化研究。在微米级CT扫描实验基础上，使用Avizo软件提取出煤体真实孔裂隙网络结构，选取最大连通团，结合Geomagic-Studio以及Icem-CFD软件对生成的孔裂隙网格进行网格修复及重新划分，结合Comsol-Multiphysics软件实现对于甲烷气体在真实煤体孔裂隙结构中的单相渗流模拟，突破实验室渗流实验的局限性，实现微观渗流模拟的可视化分析;将煤体逐层孔隙率与流体逐层平均流速进行对比发现，具有较强的相关性，证明了微裂隙网络结构内部形态非常复杂且具有强烈的非均质性，同时煤体内部的微观裂隙结构对流体的渗透行为具有显著的调控作用。

关键词： 润湿性   流速   孔隙结构   最小运行功率原理   界面重构事件  

摘要： CO2咸水层地质封存被广泛认为是抑制温室气体效应的重要解决方案。超临界压力CO2与水的两相渗透流动机理是CO2安全与高效封存过程中的关键问题。由于多孔介质特性以及流动条件等因素的复杂性,目前对超临界CO2渗透流动机理的研究尚未完全阐明。本文以真实多孔介质为研究对象,采用微流控可视化实验与相场法（Phase Field Method,PFM）数值模拟方法,深入开展了孔隙尺度下两相渗透过程中注入速度与润湿性相互竞争以及孔隙结构与润湿性相互作用等内容的研究。 本文的主要研究成果如下: （1）选取最佳的数值模拟与微流控实验方案,确保了结果分析的准确性 在数值模拟方面,本文首先详细介绍了两相流相场法的基本原理。其次通过进行网格收敛性分析、模型收敛性分析并选择合适的迁移率调整参数,确定了最优的参数设置。最后在二维通道中进行了具有不同黏度比的两相流模拟,并与解析解进行对比,确保了数值模拟的准确性。在微流控实验方面,首先详细介绍了本文采用的实验系统,阐述了该系统完全适用于对流量控制要求较高且稳定的微流体驱动实验。其次基于该系统对微流控芯片材质进行了筛选并设计合理的实验方案。 （2）建立了界面重构事件与最小运行功率原理之间的联系,揭示了注入速度与润湿性之间的相互竞争机制 通过开展不同毛细管数Ca下的微流控可视化实验与数值模拟,发现润湿性效应随着Ca的增加而减弱,不同的界面重构事件被抑制。通过建立典型孔喉分析,发现两相流体驱替过程总是遵循“最小运行功率驱替路径原则”,并且界面重构事件被认为是系统在特定约束条件下为避免额外做功而衍生出的能量有利的自调节事件。进一步量化了表面能变化率以及运行功率之间的关系,发现确保运行功率最小化的控制机制随着Ca的增加发生了转变,进而使得润湿性效应被抑制。 （3）建立了接触角、方位角、孔隙几何与海恩斯跳跃事件之间的联系,阐明了孔隙结构与润湿性之间的相互作用机制 通过建立一系列不同润湿性的两相流数值模型,发现随着流体驱替从弱排驱到强排驱的转变,压降信号的频率降低了,同时也意味着海恩斯跳跃事件的频率降低。通过确定孔喉交界处弯液面演变规律并建立典型孔喉分析,发现流体驱替过程受到接触角、方位角、孔隙几何形状等约束的耦合影响。随着接触角的增加,响应于最小运行功率驱替路径原则,能量最有利状态对方位角的依赖减弱,更多的依赖于孔隙尺寸,从而使系统不再需要海恩斯跳跃事件进行调节。

关键词： 多孔介质   两相流   孔隙尺度   宏观尺度  

摘要： 气隙扩散式蒸馏是在海水淡化以及废水处理背景下提出的方法,将其耦合多孔结构吸收法,产生了气隙扩散式多孔吸收方法。这一方法使用多孔介质流道作为冷侧吸收区,在增大流体湍流程度与气液接触面积的同时降低冷侧平均温度,从而减少了传热过程总热阻。因此开展多孔结构吸收过程中气液界面热质传递的基础性研究工作,有助于进一步提高对气隙扩散式多孔吸收方法的认识。 本文针对气隙扩散式多孔吸收装置中冷侧多孔介质区域以及气隙区域内的两相流体传热传质展开研究,以泡沫碳化硅多孔材料为研究对象搭建模型。研究了十四面体柱状拓扑结构阵列生成的多孔吸收区内的多相流动,同时使用多孔介质模型和自定义冷凝模型建立二维气液两相流模型,探讨了内部的热质传递过程,实现了孔隙尺度和宏观尺度模拟研究。 文中多孔结构内流动特性的研究考虑速度、压力、两相分布及气液界面大小等方面。研究发现多孔骨架使得流体流速分布不均,在中心位置的小尺寸孔喉处流速最大,而骨架背向入口方向最低;修正了适用于十四面体结构的压降拟合公式,流速越大,压力损失也越大且与流速呈现次方关系;随着流量的增大,气液混合区厚度减小,气液界面逐渐向多孔区域表面靠近,气液相界面积的大小随入口流速先增加后减小,且流速相同时接触角越大面积越小。 本文模拟了多孔介质表面液膜上水蒸汽-空气的混合气体的冷凝过程,探究温度、流速等运行参数以及多孔介质、气隙的结构参数对性能指标的影响。研究发现,冷凝只发生在气液相界面位置处,冷凝速率的最大值在液相入口附近;气相和液相分别处于右侧高温气隙区域与左侧低温多孔介质区域,且有明显温度边界层;气隙区域温度变化剧烈,总体呈左低右高分布。得出两相温度降低、气相流速增大均会使得平均冷凝速率、潜热换热量增大,其中气相流速的影响显著而液相流速的作用不明显;而液相温度降低、气相温度升高、两相流速增大会使显热换热量增加。通过比较,孔径比孔隙率对冷凝速率的影响更大,孔径越大,冷凝速率越大,潜热换热量越大,但显热换热量越小。与此同时,气隙宽度增大会使相界面处的平均冷凝速率降低,潜热换热量与显热换热量也会随之降低。

关键词： 老厂矿区   压缩性校正   孔隙结构   联合表征   分维值  

摘要： 我国煤储层存在“三高一低”的特点,煤的孔隙结构特征是影响渗透率和排采难易程度及后续排采方式的重要因素。为了精确表征煤的全尺度孔径结构,采用高压压汞、低温液氮及二氧化碳吸附3种方法,在对高压压汞试验数据进行压缩性校正的基础上,结合分形理论,分析不同试验方法优势孔径表征区段,实现对云南老厂矿区10组煤样的全尺度孔径联合表征。结果表明:煤基质压缩系数在7.06179×10^(-11)~1.23531×10^(-10)m^(2)/N,校正后的累计进汞量比校正前的减少15.89%~27.82%,平均为21.65%,煤基质在注汞压力达到0.7 MPa时开始受到压缩,注汞压力达到14.3 MPa时受到不可逆破坏。液氮吸附试验中阶段孔体积整体上随着孔径增大而逐渐增大,微孔区段趋于稳定且吸附体积较小,微孔吸附速率最快,整体随着孔径增大,速率减小,吸附曲线类型为Ⅳ型,迟滞环类型为H3、H4型。二氧化碳吸附试验阶段吸附体积曲线与微分曲线基本一致,孔隙体积整体随着孔径的增大而减小。压汞分形曲线可划分为3段,当lgP_(i)>1.1时,分维值达到最大,煤基质受到不可逆的压缩破坏。低温液氮吸附分形曲线以相对压力P_(j)/P_(s)=0.5为界线,表征2~5 nm孔径的分维值为1.93~2.92,平均为2.57;表征5~100 nm孔径的分维值为2.16~2.76,平均为2.49,微孔非均质性较强。综合3种试验结果,以1.5和100 nm为拼接点,煤样中以孔径0.41~0.86 nm间的微孔为主,孔隙体积占比最大。

关键词： 冻融循环   红砂岩   孔隙结构   孔径分布  

摘要： 为探讨冻融循环作用对寒冷地区岩石孔隙结构的影响,对不同冻融循环次数(0次、20次、40次)作用后的红砂岩试样进行了场发射扫描电镜观察、压汞测试和低温氮气吸附测试,并对不同尺度(微孔、过渡孔、中孔和大孔)孔隙的演化规律进行了研究。研究结果表明:冻融循环会改变红砂岩中孔隙孔径的分布规律,使原50~680 nm的过渡孔或中孔不断发育扩大为680~3800 nm的中孔和大孔;冻融循环有利于红砂岩中小于50 nm的微孔或过渡孔发育生成,且对3~4 nm的微孔影响最大。研究结果可为寒冷地区资源开发、工程建设及安全施工提供理论指导。

关键词： 体外膜肺氧合技术(ECMO)   膜丝阵列   孔隙尺度   沉浸边界法   多组分气体耦合求解器  

摘要： 为分析体外膜肺氧合技术(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)氧合器内膜丝排列方式对血液流动和气体输运的影响,该文选取某商用氧合器的轴截面为简化模型,采用基于沉浸边界(immersed boundary,IB)法的自编软件进行了稳态血液流动与多气体组分耦合输运的数值模拟。通过与商业计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件Fluent计算结果、已有文献结果进行比较,验证了所采用的数值方法和自编软件具有适用性。计算结果表明:在一定的孔隙率下改变膜丝排列方式和膜丝倾斜角将影响轴向和径向渗透率,会明显改变血液流动和气体输运的性能;具有径向交错和大倾斜角的膜丝排列能避免出口段大尺度旋涡,降低血液损伤风险。进一步分析可知,ECMO气体输运性能主要受膜丝排列方式的影响,且增大倾斜角有利于提升交错阵列的气体输运效率。该文研究可为实际工程中广泛存在的三维孔隙尺度多相流动数值模拟提供一定参考,为ECMO结构优化、临床运行中参数调整提供科学依据。

关键词： 碳酸盐岩气藏   格子玻尔兹曼法   气水两相流   孔缝洞组合   孔隙尺度  

摘要： 碳酸盐岩储层孔缝洞组合类型多样,从孔隙尺度刻画和认识气水两相在不同类型储层中的流动规律具有重要的科学意义。建立了适用于深层碳酸盐岩储层气水两相流动的多松弛颜色梯度格子玻尔兹曼模型(LBM),实现了气水两相在多孔介质中的可视化模拟,揭示了成藏过程(气驱水)和水侵过程(水驱气)不同孔缝洞组合流动通道中的气水两相动态流动行为。研究表明,碳酸盐岩气藏成藏过程中主要存在的残余水类型有盲端孔隙水、洞穴边部残余水、水膜水、“H型”残余水和网状残余水;水侵过程中,主要存在的封闭气类型有盲端孔隙封闭气、变径卡断气、绕流封闭气、“H型”封闭气和网状封闭气;由于洞穴体积较大,成藏和水侵过程中缝洞型储层残余水饱和度和封闭气饱和度均最大;裂缝型和缝洞型储层的气相渗流能力随含水饱和度变化波动明显,呈非线性变化规律。研究成果可为深层碳酸盐岩气藏微观渗流、水侵动态预测等提供理论支撑。

关键词： 联合表征   孔隙结构   核磁共振   气体吸附   连通性   可动流体  

摘要： 微观孔隙结构影响着流体在煤层中的储存及渗流。为精确表征煤层微观孔隙结构特征,本文以鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤层为研究对象,采用核磁共振、CO_(2)吸附和N2吸附手段,多尺度联合表征煤层的孔隙分布特征,并结合CT扫描技术对微观孔隙的连通性和均匀性进行研究。结果表明:煤的微孔是比表面积与孔容积的主要贡献者,介孔次之;核磁共振与吸附联合表征反映了微孔、介孔部分的孔径分布有较好的一致性,大孔部分差异较大;驱替核磁共振和CT在反映连通程度方面具有优势,且两者对于连通性的表征具有一致性,配位数以及渗流孔比例等参数可有效反映样品的连通程度;不同深度段煤层连通性不同,非均质性也不同;煤样束缚水饱和度与孔喉比存在良好的正相关性。可见,孔隙结构对流体的运移程度有很大影响,是研究及评价瓦斯赋存与渗流的基础。