基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明：页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

ITASCA系列软件在流固耦合问题中的应用

正流体流动及其作用一直是岩土体工程领域的难点问题之一,除水力条件外,其影响主要与由应力条件、岩土体细观结构和宏观裂隙构造等主要因素决定的渗透特性相关,表现为多尺度(时间和空间)化的复杂非线性流固耦合问题。等效连续介质模型、离散介质模型和综合以上两者特点形成的双重介质模型构成了ITASCA系列软件解决流固耦合问题的理论基础:·等效连续介质模型:以FLAC系列软件为代表,基于经典Boit固结理论描述耦合作用过程;     

ITASCA系列软件在流固耦合问题中的应用

正流体流动及其作用一直是岩土体工程领域的难点问题之一,除水力条件外,其影响主要与由应力条件、岩土体细观结构和宏观裂隙构造等主要因素决定的渗透特性相关,表现为多尺度(时间和空间)化的复杂非线性流固耦合问题。等效连续介质模型、离散介质模型和综合以上两者特点形成的双重介质模型构成了ITASCA系列软件解决流固耦合问题的理论基础:·等效连续介质模型:以FLAC系列软件为代表,基于经典Boit固结理论描述耦合作用过程;·双重介质模型:利用平板立方定律模拟流体在裂隙中的流动过程,同时纳入Boit理论考虑流体在岩块中的滤失效应。双重介质模型成为DEC、PFC和XSite软件流固耦合模拟技术的模型依据,除合理描述岩体构造特征外,可真实模拟水力作用引致破裂的萌生和扩展过程。     

煤微观结构三维表征及其孔–渗时空演化模式数值分析

 探讨煤岩微观孔隙结构统计意义上的等效构建方法,并于孔隙尺度下模拟流体运移行为的时空演化过程。首先,结合煤岩孔隙结构的各向异性及非线性特征,采用修正的四参数随机生长(QSGS)算法构建煤岩多孔介质模型。随后,采用格子Boltzmann方法(LBM)模拟孔隙中气体单相流的运移过程,并基于数值试验结果,分析煤岩介质中影响渗透率的主要因素及流体运移达到平衡态前的演化模式。分析结果表明：(1) 多孔介质的渗透性能受控于少量、连通性好的大孔所形成的通道,而小孔及微孔中气体的行为基本属于浓度扩散过程;(2) 孔隙属性空间变异条件相同情况下,孔隙度同渗透率之间满足乘幂关系,但幂率系数随孔隙属性变异因子的降低而增加;(3) 渗透率随时间呈减少趋势,自运移开始达到动态平衡的耗时量同孔隙度之间是一种负相关的幂率关系。     

变饱和裂隙多孔介质的双渗透率数值模型与参数分析

针对裂隙多孔介质中的变饱和流动与运移,分析了双渗透率数值模型的参数构成与计算特征。双渗透率模型由分别代表裂隙等效连续介质和孔隙介质的两组并列体积单元集合构成,用平均裂隙宽度和平均裂隙间距表达裂隙等效连续介质的参数,用裂隙单元与孔隙单元之间的有效作用面积、有效作用距离和有效渗透系数描述裂隙-孔隙相对流动和运移。裂隙-孔隙相互作用参数取决于概念模型,并与流体动态相关。计算分析表明,裂隙单元与孔隙单元之间的毛细力梯度与重力的共同作用决定裂隙流动、孔隙流动和裂隙-孔隙相对流动的相对大小,流体和溶质的动态受到裂隙宽度变化的显著影响。     

基于显微红外光谱技术的岩石微观渗流特性研究

岩石的渗流特性决定了石油开采效率,对于储层的定量评价具有重要意义。为了解岩石中孔洞裂缝以及不同介质对其渗流性能的影响规律,利用显微红外光谱成像技术,对岩石样品进行光谱成像试验,根据样品的光谱图像和吸光度A值,将该岩石截面划分为孔隙裂缝区域、孔隙与岩石介质过渡区域、白云岩介质区域;据此建立能够精确表征真实岩石结构的有限元模型,对其微观渗流特性进行数值模拟研究。研究结果表明:(1)该岩石样品的特征吸收波段为2 500~2 700 cm~(-1),说明样品介质主要为白云岩;(2)同一平面的二维流动中流体的动力黏度越大,流体在孔道中的流动速度越小;(3)多孔白云岩介质的渗透率较小时,流体主要以沿裂隙孔道的自由流动为主,而介质中渗流运动较弱;随着介质渗透率的增大,多孔介质中的流体渗流运动逐渐明显;(4)孔喉尺寸较小的孔道,毛细管阻力较大,孔道中流体不发生流动;孔喉尺寸扩大后,优势水流路径数量增加,岩石截面中流体流动范围增大,流动速度变大。此研究结果可以为石油开采中储层改造方案的制定提供科学依据,从而有效提高石油开采效率。     

基于显微红外光谱技术的岩石微观渗流特性研究EI北大核心CSCD

岩石的渗流特性决定了石油开采效率,对于储层的定量评价具有重要意义。为了解岩石中孔洞裂缝以及不同介质对其渗流性能的影响规律,利用显微红外光谱成像技术,对岩石样品进行光谱成像试验,根据样品的光谱图像和吸光度A值,将该岩石截面划分为孔隙裂缝区域、孔隙与岩石介质过渡区域、白云岩介质区域;据此建立能够精确表征真实岩石结构的有限元模型,对其微观渗流特性进行数值模拟研究。研究结果表明:(1)该岩石样品的特征吸收波段为2 500~2 700 cm^(-1),说明样品介质主要为白云岩;(2)同一平面的二维流动中流体的动力黏度越大,流体在孔道中的流动速度越小;(3)多孔白云岩介质的渗透率较小时,流体主要以沿裂隙孔道的自由流动为主,而介质中渗流运动较弱;随着介质渗透率的增大,多孔介质中的流体渗流运动逐渐明显;(4)孔喉尺寸较小的孔道,毛细管阻力较大,孔道中流体不发生流动;孔喉尺寸扩大后,优势水流路径数量增加,岩石截面中流体流动范围增大,流动速度变大。此研究结果可以为石油开采中储层改造方案的制定提供科学依据,从而有效提高石油开采效率。     

两种不混溶流体饱和岩石中弹性波的传播

由孔隙介质多相渗流力学和连续介质理论可知，当多孔介质的孔隙中同时存在两种不混溶流体时，可以通过3个运动方程、2个渗流连续方程以及相应的物性方程来描述其动力特性。基于此，推导并求解了两种不混溶流体饱和多孔介质中全频域波动方程。波动方程推导过程不仅考虑了固体骨架、固体颗粒、不同孔隙流体的压缩性及各相物质间的黏性、惯性耦合，还考虑毛管压力、束缚饱和度及残余饱和度的影响，所以该模型具有较广泛的适用性。研究结果表明，由两种不混溶流体饱和的多孔介质中，同时存在3种压缩波和1种剪切波，各种波的速度和衰减特性将随着频率和饱和度的改变而发生急剧变化。另外，还将此模型的计算结果与已有文献中的试验数据和理论结果进行对比。     

含水层微观孔隙分形特征与渗透性关联研究

为了探索宏观渗透性能与微观孔隙结构之间的相关性,本文研究了宏观参数渗透率与微观孔隙分形特征之间的关系。在分析砂岩孔隙介质分形模型的基础上,以林南仓矿补勘孔含水层段的9个岩芯样本为研究实例,采用切片制样和SEM技术,扫描断面微观结构,辅以MATLAB计算SEM图像中微观孔隙结构参数、计算其分形特征参数D f,建立了渗透率与分形特征参数D f的理论关系,并利用该公式计算了渗透率的理论值。为验证理论关系的正确性,对样本渗透率参数进行了实测,对比实测值与理论值,误差小于10%,说明微观孔隙分形特征与宏观渗透性能之间确实存在相关性。结论:利用钻孔岩芯微观分形特征及文中理论公式获取宏观渗透性规律将是一条可以尝试的技术路线。     

多相土-石复合介质波动传播特性

运用宏观等效与微观分析相结合的手段从理论上研究土-石多相复合介质的波动传播特性。在宏观上将多相土-石复合介质等效为均匀各向同性的连续介质，然后利用微观理论模型中的Gassman方程、颗粒接触理论、等效流体模量等求得土-石复合介质的等效体积模量和等效剪切模量。将等效模量代入宏观等效模型便可得土-石多相复合介质的波速理论公式。该波速公式中反映出多相土-石复合介质的纵横波传播速度与介质的干密度、土石比、含水量、深度、石料粒径以及饱和度相关，通过理论计算获得其相互之间的关系曲线和拟合表达式。计算出的关系曲线显示，除粒径对波速几乎没有影响外，其他因素对波速影响明显。并具有较好的规律性。     

多孔介质渗流行为的数值模拟研究

采用分形布朗运动模型对多孔介质进行定量描述,建立了层流条件下多孔介质内部渗流的理论模型并进行了数值模拟,分析了流体在多孔介质内部的流动特性。研究结果表明,多孔介质内部的孔隙结构对其渗流特性有着重要的影响。分形多孔介质内部的速度分布呈现非均匀现象,流线不再是常规通道内的直线,流线出现了扭曲。另外,多孔介质内部流动的雷诺数Re对其渗透率的影响存在一转折点。当Re1时,分形多孔介质的无量纲渗透率几乎保持不变,但随着雷诺数Re的增大,渗透率逐渐降低。此外,随着孔隙率的增大,分形多孔介质的渗透率单调增大。     

微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制

采用考虑正则化过程的微尺度格子Boltzmann模型研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制。首先采用漫反射滑移边界条件,并考虑正则化过程构建适用于高努森数下多孔介质中气体流动模拟的微尺度格子Boltzmann模型,基于该模型进行二维裂缝性致密多孔介质中的气体流动模拟,研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响,并构建二维并联孔隙模型模拟揭示微裂缝对致密多孔介质气体渗流的影响机制。结果表明:微裂缝的存在能够明显提高致密多孔介质的渗透率,且连通性裂缝的影响更明显;随着压力的升高,微裂缝提高致密介质气体渗透率的作用增强,随着压力减小,基岩与裂缝中的气体流速差别减小,基岩对多孔介质渗透率的贡献增加,当压力极大或极小时,裂缝与基岩中平均流速比趋于定值,微裂缝的影响趋于稳定;微裂缝能够提高致密多孔介质渗透率的主要原因是在压降方向上微裂缝与基岩形成了并联高渗通道。     

一种孔隙裂隙网络模型及页岩气渗流模拟

致密油气藏的开采是我国未来能源的主要来源,这种油气藏的低渗和特低渗特点是开采的关键问题之一。为了模拟含孔隙裂隙的致密油气藏中的低渗和特低渗问题,本文首先建立了适于致密岩土介质中渗流模拟的准静态孔隙裂隙双重网络模型,然后分析了一些渗流特性如滑脱效应,并以页岩气开采为例进行了渗流及产量特征模拟。所建模型中较大的孔隙裂隙中的流动采用Poiseuille流,小的孔隙裂隙中的流动采用Forchheimer方程描述。模型中建立了根据孔隙网络计算结果得到宏观渗流参数如含水饱和度、绝对渗透率等参数的方法。通过计算获得了页岩气开采过程中"剩余储量—压力曲线"、"流量-时间"曲线。结果表明,游离气储量的下降和压力梯度有关,以及在无吸附气快速解析时,产量呈指数快速下降的结论。     

基于透明土技术的多孔介质孔隙流动特性研究

土体作为一种特殊多孔介质,内部孔隙通道尺度与形态随机性强,导致土体渗流场中孔隙流速分布不均,即存在优势流现象。优势流是影响污染物运移、导致土体渗透变形的重要因素。基于透明土原理,利用聚丙烯酸钠交联聚合物颗粒和蒸馏水,配制成饱和透明多孔介质,并利用一种新的研究透明多孔介质内部流场的装置及方法,将绿色光源激光器、单反相机、十字滑台等组合成简易粒子图像测速(PIV)系统,采集不同水力梯度下透明多孔介质内部流场图像,结合粒子图像测速技术,将得到的流速数据进行统计分析,揭示孔隙液体的流动特性。研究表明,利用自制简易PIV系统进行流场测量,实测孔隙流动结果与宏观流速吻合程度高,能够实现对流场的多点、无扰、高精度测量。研究发现多孔介质内部纵断面上的孔隙面积与纵断面所在位置有关,而孔隙面积越大,断面上的孔隙流速也越大。多孔介质内部孔隙流速分布规律大致相同,优势流速随着断面流速的减小而减小,优势流速越小,其概率密度越高,优势流动现象越显著。     

ITASCA系列软件在流固耦合问题中的应用

正流体流动及其作用一直是岩土体工程领域的难点问题之一,除水力条件外,其影响主要与由应力条件、岩土体细观结构和宏观裂隙构造等主要因素决定的渗透特性相关,表现为多尺度(时间和空间)化的复杂非线性流固耦合问题。     

基于连续介质模型的颗粒材料孔隙度及孔隙水压力计算公式

孔隙度是能够部分反映颗粒材料微观结构的一个宏观量,其数值及其演化对颗粒材料的宏观力学行为有重要影响。基于连续介质模型,在颗粒体积应变均匀的前提下推导了颗粒材料的孔隙度随颗粒集合局部平均体积应变的演化公式,并应用该关系式结合孔隙水状态方程给出了饱和颗粒材料的孔隙水压力与孔隙度、固体颗粒体积模量、固体颗粒变形之间的关系。所得公式可用于饱和含液颗粒材料流–固耦合计算或饱和多孔介质宏观–细观多尺度流–固耦合渗流分析。     

储层非均质性对水力压裂裂缝扩展的影响研究

为了研究滤失和储层非均质性对水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展形态的影响,在前期建立的水力压裂流固耦合模型基础上,增加考虑多孔介质内流体流动,裂缝-孔隙间的流体交换和射孔流量分配的物理过程,形成了用于多簇射孔水力压裂裂缝扩展的裂缝-孔隙流固耦合模型,并数值模拟研究了致密砂岩气储层性质均质、非均质下水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展。研究发现:(1)滤失对中间簇射孔水力压裂裂缝扩展影响较大;(2)在储层均质情况下,多裂缝呈对称扩展,而在储层杨氏模量、抗拉强度、基质渗透率等非均质分布情况下,多裂缝呈非对称、非均匀扩展;(3)在储层复杂非均质情况下,四簇和三簇射孔水力压裂存在射孔簇过度改造、欠改造、甚至未起裂扩展的情况,尤其是在小间距条件下的四簇射孔。而两簇射孔水力压裂即使在间距较小时裂缝也能正常起裂扩展。因而,为了裂缝更多地有效扩展,在实际工程中,如果水力压裂密集施工,建议采取两簇射孔压裂;如果水力压裂不密集施工,兼顾施工成本建议采取三簇或四簇射孔压裂。     

流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性

研究流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性,分析孔隙介质孔隙率等参数对频散曲线的影响。理论上建立了无限大流体包裹孔隙介质圆柱界面波的模型,利用孔隙介质弹性波动理论,通过数值模拟计算得到流体-孔隙介质圆柱的频散曲线及时域波形,并分析了孔隙介质为开孔和闭孔状态下孔隙介质圆柱半径、孔隙率及渗透率对频散曲线的影响。结果表明,时域上斯通利波可以被明显区分开,孔隙介质圆柱半径的变化改变了圆柱尺度,孔隙率的变化改变了孔隙介质的纵、横波波速,因此对于斯通利波频散曲线的影响较大。而渗透率的变化既不改变圆柱的尺度也不改变孔隙层的纵、横波速度,因此对斯通利波频散曲线影响较小。     

喇嘛甸油田葡萄花油层微观孔隙结构及渗流特征研究

本文综合运用扫描电镜、高压压汞以及油水相渗等多项实验技术方法,系统研究了喇嘛甸油田葡萄花油层的物性、微观孔隙结构及其对于渗流特征的影响作用。研究表明：(1)储层岩性主要为(岩屑)长石砂岩,平均孔隙度为33.1%,平均渗透率为2.47μm²,属于特高孔、特高—高渗储层;(2)储层孔隙类型包括原生、次生孔隙,并以次生溶蚀孔隙为主;微观孔隙结构特征表现为良好的分选性、连通性,孔喉半径平均为7.34μm,属于中—粗孔储层;(3)储层渗流能力良好,表现为束缚水、残余油饱和度较低,等渗点含水饱和度较高、油水两相区较为宽阔等特点;(4)相关性分析表明,储层物性、微观孔隙结构对于其渗流能力具有重要的影响作用。研究结果可为油田微观剩余油精细挖潜提供依据。     

基于CT图像及孔隙网格的岩芯孔渗参数研究

岩石孔隙结构特征是影响储层流体(油、气、水)的储集能力和油气资源开采的主要因素。明确岩石的孔隙结构特征是充分发挥油气产能和提高油气采收率的关键。岩石微观孔隙结构模型重建基于真实岩石微观图像,可以有效再现天然岩石的复杂孔隙结构特征。基于岩芯三维CT图像与图像分割技术,采用Matlab编程求解了岩芯的孔隙度及孔径分布数据。通过编程构建了能够真实反映原始岩样孔隙形态的结构化网格模型,并基于该模型求解了岩样的渗透率数据。计算得到的孔隙度及渗透率数据均与实验结果较好吻合。