关键词： VOF方法   两相流   孔隙尺度模拟   CO_(2)地质封存   复杂多孔介质   润湿性   黏度比   毛细管数  

摘要： 二氧化碳(CO_(2))捕集与封存技术有利于减少CO_(2)的排放量,近年来针对CO_(2)地质封存形成了从纳米尺度到油气藏尺度的大量研究成果,大多数研究只针对单一维度多孔介质中流动行为开展研究,且物理实验方法受许多不确定性因素影响,十分耗费时间和成本。为了从微观角度深入理解CO_(2)地质封存过程中的渗流行为,提高CO_(2)地质埋存量,基于追踪两相界面动态变化的VOF(Volume of Fluid)方法,分别建立了2D和3D模型,开展了超临界CO_(2)-水两相流动数值模拟研究,对比了不同润湿性、毛细管数、黏度比条件下的CO_(2)团簇分布特征、CO_(2)饱和度变化规律,揭示了孔隙尺度CO_(2)埋存的内在机理。研究结果表明:①随着岩石对CO_(2)润湿性增加,CO_(2)波及范围扩大,同时CO_(2)团簇的卡断频率减少,CO_(2)埋存量增加;②随着毛细管数的增加,驱替模式由毛细指进转变为稳定驱替,CO_(2)埋存量增加;③随着注入超临界CO_(2)黏度逐渐接近水的黏度,两相流体之间的流动阻力降低,促进了“润滑效应”,CO_(2)相的渗流能力提高,CO_(2)埋存量增加;④润湿性、毛细管数、黏度比在不同维度多孔介质模型中对CO_(2)饱和度的影响程度不同。结论认为,基于VOF方法的CO_(2)-水两相渗流模拟研究在孔隙尺度上揭示了CO_(2)地质封存过程中的渗流机理,对CCUS技术的发展有指导意义,也为更大尺度的CO_(2)地质封存研究提供了理论指导和技术支撑。

关键词： 矿井瓦斯   CO_(2)相变致裂   孔隙结构   致裂压力   尺度效应  

摘要： 为探讨不同CO_(2)相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响,开展120,150,185 MPa作用下的CO_(2)相变致裂煤体实验,综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温CO_(2)吸附孔隙结构参数测试方法,分析CO_(2)相变致裂后煤的大孔(>50 nm)-介孔(2~50 nm)-微孔(<2 nm)结构演化特征。结果表明:CO_(2)相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应;致裂后,大孔平均孔径与孔容大幅度增大,孔表面积降低;介孔平均孔径增大,孔表面积明显降低;孔隙连通性明显增强。CO_(2)相变致裂过程时间极短,高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展,延伸至微孔时,衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO_(2)相变致裂在大孔-介孔尺度的扩孔效应,随致裂压力的增大而增强;不同变质、变形程度煤的大孔-介孔-微孔发育存在差异;因此,研发“高致裂压力-长作用时效-大能量”的CO_(2)相变致裂器,有助于进一步增强CO_(2)相变致裂的扩孔效应、改善纳米尺度瓦斯运移通道、提高瓦斯抽采效率。研究成果为CO_(2)相变致裂技术优化和改进提供了科学依据。

关键词： 三维四向编织复合材料   孔隙率   三单胞模型   多尺度  

摘要： 编织复合材料在制造过程中不可避免地会出现孔洞缺陷,这些缺陷直接影响编织复合材料的力学性能。基于开源软件TexGen[1]实现编织复合材料内胞、面胞和角胞的参数化建模,在面胞和角胞模型中均考虑了纱线轨迹在空间中的偏移和受到打紧工序时纱线之间的相互挤压。利用random函数在微观尺度微观模型的基体中引入孔隙单元来模拟纤维束内干斑,在细观尺度上的三单胞模型基体中引入孔隙单元来模拟纤维束间孔隙,在宏观尺度上建立含内胞、面胞、角胞细观单元宏观均质模型对宏观弹性常数进行预测。结果表明:(1)孔隙率对细观尺度三类单胞模型的弹性常数影响程度不同;(2)纤维束内干斑孔隙对宏观弹性性能的影响要大于纤维束间孔隙,随着干斑孔隙率Pm增加,纵向泊松比减小,而随着纤维束间孔隙率Pn增加,纵向泊松比呈现出递增的趋势。

关键词： 发汗冷却   多孔介质   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   传热  

摘要： 以发汗冷却技术为背景,采用D3Q19格子玻尔兹曼方法程序,在孔隙尺度下研究了多孔介质结构对结构温度场的影响。针对球形颗粒堆积结构和随机结构这两种常用的多孔结构,分别计算分析了渗透率和固体温度分布。结果表明:对于颗粒堆积结构,当颗粒规则排列时,其固体温度分布呈明显的阶梯状;而颗粒无规则排列时,固体温度变化趋势比较平稳,并且随着颗粒直径的增大,渗透率增大,固体温度降低。对于随机多孔结构,随着孔隙尺寸减小,渗透率减小,固体温度升高。在0.3~0.5的孔隙率范围内,颗粒堆积结构和随机结构由于内部对流换热强度的不同,固体温度具有不同的变化特点。

关键词： 格子Boltzmann   黏性指进   化学反应   固态物质析出   孔隙尺度  

摘要： 基于国家数值风洞LBM模块和自编程序,本文在孔隙尺度下对微孔中两种可混溶溶液的黏性指进反应混合过程进行了数值研究。针对两种溶液之间的化学反应以及产物的析出,本文重点研究化学反应速率、固态生成物的成核速率以及聚集速率对黏性指进的影响。研究发现:反应会明显改变黏性指进的界面浓度分布,一方面随着反应速率的增加,指进界面处各组分的变化越来越明显;另一方面由于受到扩散作用的限制,当反应速率增大到一定值后,各组分的平均浓度不再发生变化;产物的生成量与反应速率成正相关,与成核速率和聚集速率成负相关;析出的固相组分的浓度与成核速率和聚集速率成正相关;混合长度主要和反应速率相关,成核速率以及聚集速度的改变对混合长度基本没有影响。

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。