软土孔隙微观结构的分形研究

根据分形模型的构造方法，提出了孔隙度分维、孔隙分布分维及孔隙边缘形状分维，用以描述软土微结构SEM图像中孔隙的变化情况．利用数字图像处理与分析的方法研究了软土加固前后3种分形维数的变化趋势，发现软土加固后3种分形维数随深度增加有减小趋势，说明软土加固后孔隙的分布面积减少，结构单元体之间排列紧密，孔隙尺寸分布趋于均匀，孔隙边缘趋于光滑．结果表明：软土中孔隙分布及其形状具有分形特征，不同的分形维数可以从不同角度反映土体的加固效果及力学特性变化，为由微观结构反映土体的宏观力学性能提供了桥梁．     

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征。结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征。在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性关系,即以半径1 μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有不同的分形区间和分形维数。韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80~2.98和2.17~2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低。表明煤岩分形维数可以作为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好。煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强。韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数。     

基于NMR和SEM技术研究陆相页岩孔隙结构与分形维数特征——以松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩为例

为了表征陆相页岩的孔隙结构和分形特征,选取松辽盆地长岭断陷沙河子组陆相页岩作为研究对象,通过X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)图像分析、核磁共振(NMR)实验,运用分形维数理论,讨论NMR分形维数与矿物组成、地球化学参数、物性参数之间的相互关系,并且通过SEM图像提取技术定量化研究页岩储层孔隙特征。结果表明:沙河子组陆相页岩具有多种孔隙类型、孔径分布复杂、非均质性较强的特点。基于弛豫时间截止值,可将NMR分形维数划分为束缚流体孔隙分形维数(0.060 9～1.420 4)和可动流体孔隙分形维数(2.964 0～2.986 9)。矿物组成与分形维数的关系显示石英含量与束缚流体孔隙分形维数成负相关关系,黏土矿物含量与束缚流体孔隙分形维数成正相关关系; NMR分形维数与有机质含量呈线性相关,与成熟度不存在明显相关性; 这说明矿物组成和有机质含量对NMR分形维数起明显的控制作用。储层物性方面,NMR分形维数与孔隙率成线性负相关关系,而与渗透率成正相关关系,说明NMR分形维数能够作为衡量物性的重要指标。总体来说,SEM图像分形维数可以用来反映孔隙形态的多样性和页岩孔隙的发育程度; NMR分形维数与储层物性之间的关系可用于评价页岩储层质量。     

岩土体孔隙结构研究中的CT图像处理方法比较

为了更深入地揭示岩土体的力学特性及内在规律,对黏性土、岩石和泡沫混凝土等材料的CT扫描图像,分别采用灰度法和二值化法计算孔隙分形维数,研究了岩土体孔隙率与孔隙分形维数间的关系,对比讨论了这两种方法在孔隙结构分形特性研究的特点和适用性。结果表明:二值化法的处理效果取决于阈值的选择,并且采用以试样原始孔隙率为基准进行试算校核的阈值计算方法简单并且有效;而灰度法则较好地保留了更多的原始图像信息。对于不同的岩土体材料,其孔隙率与二值化法所得孔隙分形维数间均呈较好的幂函数关系。采用灰度法时,岩土体孔隙分形维数随其孔隙率的增大呈现微弱增大趋势,近似线性关系。总体来看,两种处理方法均可用于岩土体孔隙结构分形特性研究但各有优劣,应根据研究对象去选择适用的方法。     

石灰改良黄土渗透性与孔隙结构的关系研究

土是一种具有多孔介质的岩土工程材料, 其微观孔隙结构决定着宏观渗透性。为了研究渗透特性与孔隙结构之间的依存关系, 以石灰改良黄土为研究对象, 首先对不同石灰掺量下的改良黄土进行室内变水头渗透试验, 随后选取有代表性土样进行扫描电镜(SEM)试验, 并利用Image-Pro Plus 6.0(IPP)图像处理软件统计不同石灰掺量下改良黄土的微观孔隙结构参数, 结合室内渗透试验结果建立宏观渗透特性与微观孔隙结构之间的联系。结果表明: 随着石灰掺量的增加, 充填于大中孔隙的结晶胶结物不断增多, 对应微观图像中大中孔隙的数量、面积、面孔隙度及大孔的平均直径逐渐减小, 而微小孔隙的数量、面积及孔隙的分形维数呈上升趋势, 孔隙结构趋向复杂化, 使得有效渗流通道占比减小, 从而降低了土体渗透性, 说明微观孔隙结构参数与宏观物理性质存在密切联系, 在一定程度上可以反映宏观物理性质的变化。     

测度关系法评价水泥基材料孔隙SEM分形特征

目的以测度关系法对混凝土孔隙的SEM图像分形维数进行精细测量和计算,分析其孔隙分形特征.方法以砂浆中集料界面区域孔隙SEM照片为例,用测度关系法、分别以250 nm和200 nm,125 nm和100 nm不同尺度的网格测试评价界面孔隙的分形维数,与改变粗视化方法进行比较.结果传统的改变粗视化程度的方法与网格边长的关系太大,网格边长受测试条件的限制,导致误差过大,而采用测度关系法计算SEM图像孔隙显微结构分形维数比较可靠.采用测度关系法用边长差异为50 nm网格测试其孔隙分形维数为1.293 5,用边长差异为25 nm的网格测试的孔隙分形维数为1.280 9,误差只有0.012 6;当考虑中间水化产物时,用边长差异为50 nm网格测试其孔隙分形维数为1.577 3,用边长差异为25 nm网格测试的孔隙分形维数为1.570 1,误差只有0.0072;此外,考虑中间水化产物后,孔隙的分形维数增大,表明孔隙复杂程度明显增大.结论采用测度关系法计算分形维数比改变粗视化程度方法更为精细.分形理论分析评价多孔材料SEM图像孔结构分形特征是有效的,对于深入了解水泥基复合材料的内部微结构、提升性能、扩大应用具有重要意义.     

基于分形维数的离线图像分割方法

为了能够提高图像分割的精度,提出了一种基于统计学和分形维数的图像分割方法,能够对自然景物中树木、道路和天空进行分割,并且可以应用于机器人导航的视觉系统.该方法首先通过统计大量的道路和树木和天空的分形维数(LFD),分析三者对应的LFD值分布特点,然后利用该特点对图像进行分割,最后对分割后的图像进行平滑处理,得到分割结果.实验结果表明:利用统计结果进行图像分割能够提高分割速率,而且使用分形维数作为特征能够得到比较精确的分割效果.     

复杂储层岩石微观非均质性分形几何描述

储层岩石的微观非均质性是影响油气藏开发特征与最终采收率的关键因素之一.使用恒速压汞测试数据,以毛管压力一进汞饱和度数学模型分别计算了低渗砂岩和低渗火山岩岩心这两种复杂储层岩石的分形维数.计算结果表明所研究的低渗火山岩岩心在一定的孔隙尺度范围内具有良好的分形几何特征,分形维数介于2和3之间;随着分形维数的增大,中高渗砂岩岩心微观非均质性增强,低渗砂岩岩心和火山岩岩心微观非均质性变弱;喉道分布图很好地证明了分形维数可以定量地描述储层岩石孔隙结构的微观非均质性;数学拟合表明分形维数与低渗岩心渗透率具有很好的相关性,分形维数越大,岩心渗透率越小.     

应用计盒维数方法的路面裂缝图像分割

提出利用分形维数分割公路路面裂缝的方法.在差分计盒方法计算图像分形维数的基础上,提出差分计盒方法的改进算法.改进的差分计盒方法被应用到计算路面图像的分形维数上,其分割结果与Sobel算子进行比较.结果显示差分计盒方法可以将路面图像转换成另一种图像,该图像的分形维数可以把简单的阈值应用到路面裂缝的分割.     

页岩孔隙综合分形特征及其影响因素分析

为研究页岩的孔隙结构,从而对页岩的孔隙分形特征作全面的表征,分别利用基于高压压汞实验数据的Menger海绵模型和基于低温液氮实验的FHH等温式分形模型对不同孔径段的孔隙进行分形拟合,计算其分形维数。以不同孔径段的孔隙体积比作为加权值,计算了页岩样品的综合分形维数;将页岩的综合分形维数与总有机碳质量分数(TOC)和矿物成分质量分数(黏土矿物和脆性矿物)做相关性分析,发现总有机碳质量分数(TOC)是影响综合分形维数的主要因素,随着总有机碳质量分数(TOC)的增加,使得页岩具有更大的综合分形维数,孔隙结构变得复杂,孔隙表面变得粗糙,为页岩气提供更多的吸附点位。通过综合分形维数可以定量评价储层孔隙的复杂程度和非均质程度,为储层评价和页岩气的吸附研究提供思路。     

不同煤级煤样的孔隙综合表征方法研究

煤的孔隙特征对于研究煤的吸附解吸特性、扩散性、渗透性以及瓦斯突出事故的发生机理具有非常重要的意义。为研究不同煤级煤样的孔隙综合分形特征,利用ASAP2020比表面积及孔径分布测定仪,在低温液氮的环境下,对不同变质程度的煤样进行孔隙测定,并利用FHH分形维数计算模型对实验数据进行拟合,得到各煤样不同孔径段的分形维数;同时利用各孔径段的孔隙体积比作为权值,对各个煤样不同孔径段的分形维数进行加权求和,得到各煤样的综合分形维数。将煤样的综合分形维数与其总孔隙体积进行比较分析,可知不同煤级煤样的孔隙具有明显的分形特征,其总孔隙体积越大,综合分形维数越大,孔隙表面越粗糙,孔隙分布则相对复杂。     

多种因素对混凝土孔结构分形特征的影响研究

目的在分形理论的指导下,以压汞测孔为基础,探索混凝土结构形成条件与其分形特征,尤其是冻融循环后的混凝土孔隙分形特征.方法计算并分析了不同水化龄期下普通水泥和硫铝酸盐水泥孔隙分形特征的变化,研究了水泥熟料单矿物组成的孔隙分形维数.用压汞测孔的试验结果计算分析了混凝土冻融循环前后分形维数的变化.结果在180d以内水泥石的孔隙的分形维数随龄期增长而增大,在龄期为360d时,虽然总孔隙率最低,但由于水化物结晶度提高,凝胶孔含量降低,毛细孔增多,其分形维数变低;硫铝酸盐水泥水化3d～14d期间,分形维数不断增高,28d维数回落,与硅酸盐水泥长龄期的特征一致.结论在水泥熟料单矿物水化硬化孔分布特征评价中,其分形维数大小顺序为C3S>C2S>CF>C3A.C40强度等级的混凝土和C60非引气混凝土冻融循环200次后与受冻前孔隙分形维数相比有明显的变化,C100非引气混凝土冻融循环1200次后,其分形维数有明显的变化,而引气后的C60混凝土经1200次冻融循环后,其分形维数无明显变化.此外,养护条件对水泥石孔隙分形特征也有明显的影响.采用分形理论分析评价多种因素对混凝土孔结构分形特征的影响是十分有效的.     

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明：决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质（水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向）的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。     

致密砂岩储层孔隙结构多重分形特征定量表征

致密砂岩储层孔隙结构复杂,对油、气渗流具有重要影响,需要精细表征,分形几何理论为孔隙结构定量表征提供了有效途径。基于大庆FY油层致密砂岩岩样压汞数据,通过分形区间和分形维数两个参数定量研究了致密砂岩储层孔隙结构的多重分形特征。结果表明,致密砂岩微观孔隙结构具有多重分形特征,其分形区间个数能够表征储层非均质性,分形区间个数与孔隙半径分布曲线峰值个数相同,分形区间个数越多,非均质性越强,储层孔、渗透条件越差。对于同一储层,孔隙半径越大的分形区间的分形维数越大,区间内孔隙结构非均质性越强。对不同储层,综合分形维数越大,分形区间越多,储层孔、渗透条件越差。     

多孔介质孔隙度问题的理论探讨

目的 研究在温度和孔隙水压力作用下,各向同性多孔介质材料孔隙度和损伤变量以及分形维数之间的理论关系.方法 基于Mori-Tanaka理论,建立了各向同性多孔介质材料的宏观损伤变量与细观孔隙度之间的联系,利用分形理论推导了各向同性多孔介质材料孔隙度和分形维数之间的关系式.结果 若已知初始时刻的孔隙度、温度和孔隙水压力等的变化情况,就可以求出各向同性多孔介质材料的损伤演化规律,以及孔隙度与分形维数之间的定量关系.结论 文中建立的在温度和孔隙水压力作用下,各向同性多孔介质材料的损伤演化规律以及孔隙度和分形维数之间的定量关系,对于多孔介质材料力学性质的研究具有重要的理论价值.     

高煤阶煤岩孔隙结构分形特征研究

分形理论为定量描述储层非均质性提供了重要的手段, 而煤层具有独特的孔隙 - 裂隙双重孔隙, 其是否具有分形特征以及如何表征其分形特征亟待进行深入的研究。通过借鉴砂岩分形特征研究和分形维数计算的方法, 对沁水盆地南部5块煤样压汞曲线进行了研究。结果表明, 所研究煤样孔隙结构具有分段分形特征, 具有孔隙半径r<0. 1μm, 0. 1μm< r<1 0μm和r>1 0μm三个分形区间。据此, 可将研究区块煤岩孔隙按大小分为三类: 小孔和微孔( r<0. 1μm) 、 中孔和大孔( 0. 1μm< r<1 0μm) 和割理( r>1 0μm) 。从整体趋势上看, 对于不同煤样, 分形维数越大, 其孔隙度、 渗透率越小, 孔隙分选性越差, 非均质性越强; 对于同一煤样在不同分形区间中的分形维数越大,其孔隙半径在该区间内的分选性越差, 即非均质性越强。     

页岩分形特征及主控因素研究——以威远页岩气田龙马溪组页岩为例

为更好表征页岩孔隙结构的非均质性以及明确非均质性对页岩气富集影响作用,文中选取40块威远地区下志留统龙马溪组井下样品进行TOC,XRD衍射、低温氮气吸附以及甲烷等温吸附等一系列分析测试.从孔隙结构和矿物成分两个层次探讨了页岩分形维数的影响因素,认为页岩的分形维数受微孔发育影响.研究结果表明:页岩非均质性很强,下志留统龙马溪组龙一_1亚段的1～4小层的TOC、矿物成分、孔隙度均存在较大差异,其中1小层中下部TOC、石英含量以及孔隙度值都较高.基于氮气吸附测试,采用FHH模型计算了页岩分形维数,计算结果表明页岩的分形维数介于2.590～2.750,平均值为2.670,其中1小层中下部分形维数最高,其次为3小层,2、4小层及1小层上部分形维数较小.TOC与生物石英含量控制了微孔的发育,因此高TOC与高石英含量均导致页岩分形维数增大;黏土、碳酸盐岩以及长石由于主体发育大孔,使得页岩孔径增大,故其含量的增加会导致页岩分形维数减小.1小层中下部由于具有丰富的气体物质来源(TOC)、储集空间以及保存条件(分形维数大,气体扩散解吸渗流困难)导致在1小层中下部页岩气含气量最高,另外由于脆性矿物含量高,利于压裂形成缝网,因此1小层中下部为最有利的页岩气甜点段.     

MATLAB环境下图像分形维数的计算

利用MATLAB的图像处理和数值计算功能，对大气可吸入颗粒物的场发射电镜（FESEM）图像进行处理，得到颗粒物边界的二值图像；编制MATLAB程序，统计一系列以不同像素数量为边长的正方形块覆盖二值图像时的个数，根据像素数量和正方形块个数之间的关系，确定图像的计盒维数。结果表明：MATLAB对分形图像的处理简单、方便，通过科赫曲线、谢宾斯基填料等有规分形图形分形维数的计算表明该方法计算出的结果准确、可靠。对大气颗粒物的分形维数的计算表明，不同不规则程度的颗粒物有不同的分形维数，可以通过颗粒物分形维数的计算分析颗粒物的来源和输运过程．     

孔隙特征对泡沫混凝土基本性能的影响研究

研究孔隙特征对泡沫混凝土基本性能的影响,可以为轻质泡沫混凝土在建筑领域的应用提供理论依据。文章制备了9种不同的泡沫混凝土,采用SZ61体视显微镜观察泡沫混凝土样品孔隙,利用软件Image-Pro plus6.0计算泡沫混凝土孔隙孔径、孔表面积、孔圆度以及孔分形维数,研究泡沫混凝土孔隙平均直径、表面积、圆度及分形维数对表观密度和28 d强度的影响。结果表明:泡沫混凝土的表观密度和28 d抗压强度随孔隙孔径、孔表面积、孔圆度以及孔分形维数的增大而减小;泡沫混凝土的水胶会影响了孔隙的特征,当水胶比为0.4时,孔径、表面积和圆度变小,分形维数和泡沫混凝土的强度变大;泡沫混凝土孔圆度与泡沫混凝土的28 d强度有强的负相关性。     

鹤岗煤田构造煤孔隙分形特征

基于鹤岗煤田北部区块典型构造煤样的低温氮吸附实验数据,分析不同变形程度下构造煤的分形维数与孔隙系统结构和气体吸附能力的关系.结果表明,受变形程度影响,碎裂煤和碎粒煤的孔隙系统发生变化,导致低温氮吸附、解吸曲线表现出不同形态.在相对压力为0.5~1.0时,分形维数可以有效表征碎裂煤与碎粒煤的孔隙结构和吸附能力.随着分形维数变大,煤岩变形程度增加,微孔含量增加,孔径变小,比表面积增大,孔表面粗糙度增加,使得煤岩孔隙系统复杂化,最终煤岩吸附能力增强.因此,煤岩孔隙分形维数可以表征煤岩孔隙结构和吸附能力.