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。     

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.     

混凝土材料宏观结构形貌的分形解析

从分形集与分形空间的属性,分析了混凝土材料宏观结构形貌的分形特征,用改变粗视化度的测试方法,测试了石子最大粒径较小的泵送混凝土和粒径较大的干硬性混凝土断面集料边界的分形维数,用盒计数方法测试了两种混凝土的断面集料状态、碱集料反应裂纹以及公路桥梁冻害后的裂纹的分形维数.研究表明,石子最大粒径较小的泵送混凝土集料边界分形维数较高,达到1 9232,粒径较大的干硬性混凝土普通混凝土集料边界分形维数较低,仅为1 4549,但其集料的盒维数较高,达到1 9817.碱集料反应裂纹以及公路桥梁冻害后的裂纹均具有非常显著的分形特征,用分形解析描述混凝土这一宏观结构特征是十分有效的方法.     

基于SEM图像的细颗粒泥沙絮体3维分形研究及其应用

具有分形特征是细颗粒泥沙絮体的重要特性,为了解决目前主要是通过絮体SEM图像研究其2维分形特性的问题,利用SEM图像灰度值重建细颗粒泥沙絮体3维图像,通过MATLAB编程用盒计数法计算絮体3维分形维数;然后基于絮体3维分形维数,推导出细颗粒泥沙静水沉降时清浑交界面的沉降公式,并将其应用在滇池底泥清混交界面的沉降计算中,其计算误差在5%以内。结果表明,直接利用絮体SEM图像计算絮体3维分形维数是可行的,避免了图像处理中人为误差的引入,且通过其推导的沉降公式可用于计算清混交界面的沉速。     

压汞测孔评价磷渣-水泥浆体材料孔隙分形特征的试验

用混沌分形理论结合压汞测孔技术,直接测试评价了磷渣-水泥浆体材料孔隙的显微结构特征,计算出了对应的分形维数,并对普通水泥浆体与掺磷渣的水泥浆体孔隙的分形特征进行了比较;同时探讨了孔体积分维数与孔隙率、孔表面积、孔分布及磷渣掺量的关系.研究表明,磷渣-水泥浆体的孔结构具有明显的分形特征,孔体积分形维数在2.4~2.8之间;掺磷渣的水泥浆体不仅具有粗孔细化的效果,而且孔隙的分形特征也有了明显的改善;在磷渣掺量大于30%时,其分维数、孔隙率与小于20 nm的微孔数有明显的突变性.     

鄂尔多斯盆地东缘煤储层渗流孔隙分形特征

基于压汞试验,分析了鄂尔多斯盆地东缘14个矿区56件煤样储层孔隙的分形特征,通过分维数与煤储层渗透性的比较,得出孔隙体积分维数与煤储层渗流孔隙的渗透性关系.结果表明,煤储层压汞孔隙分形尺度为孔直径86 nm～1 000μm,体积分维数2.75～3.24,在区域分布上呈自北向南降低的趋势,与煤变质程度、灰分、矿物含量呈负相关关系,与水分、中孔含量及视孔隙度(>5%)呈正相关关系.储层渗透性的分形表征与分形维数、分形尺度及分形孔隙的分布连通性多因素相关,但在储层孔隙率较低的情况下,分形孔隙的分布连通情况对渗透性起决定性作用.     

基于低温氮吸附实验的页岩储层孔隙分形特征

为研究页岩储层孔隙结构特征,以重庆南川三泉剖面泉浅1井、綦江观音桥剖面、涪陵B井和石柱打风坳剖面等龙马溪组页岩储层样品为例,通过低温氮吸附实验数据建立FHH分形模型,讨论分形维数与孔隙结构参数、TOC质量分数的相互关系.结果表明:样品孔隙以微孔为主,孔径分布集中在40nm以下,具有明显的分形特征,分形维数介于2.760~2.850之间,相关因数大多超过0.99,反映复杂的孔隙结构与较强的非均质性;部分样品显示明显的双重分形特征,以甲烷分子自由程为界可将纳米孔分为渗透孔隙和吸附孔隙,吸附孔隙阶段分形维数变化范围在2.881~2.917之间,渗透孔隙阶段分形维数变化范围在2.791~2.823之间;孔隙体积和平均孔径与分形维数具有负相关性,BET比表面积与分形维数呈明显的正相关关系,即平均孔径越小、孔隙体积越小、BET比表面积越大,分形维数越接近于3;TOC质量分数也与分形维数呈明显的正相关关系,是分形维数的重要影响因素.通过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在纳米孔隙中的赋存和运移机理研究提供思路.     

溶液浸泡对华南地区红砂岩孔隙度和分形维数的影响

为研究溶液浸泡对红砂岩孔隙度和分形维数的影响,将红砂岩样放入新配溶液中浸泡,拍摄浸泡后各岩样的扫描电镜图像,应用一种加入梯度信息的水平集图像分割方法对扫描电镜图像进行图像分割,并对分割后的图像进行二值化处理,进行孔隙度计算与微观孔隙结构研究,实验测定各红砂岩样的孔隙度。结果表明:红砂岩微观孔隙结构具有分形特征,溶液浸泡后红砂岩分形维数略有变大;溶液浸泡后的红砂岩孔隙度变大;红砂岩的计算孔隙度值与实测孔隙度值符合度较高;红砂岩的孔隙度和分形维数随浸泡时间的增加略有变大,浸泡到30 d时趋于稳定;浸泡盐溶液种类对红砂岩孔隙度及分形维数的影响程度排序为氯化镁氯化钠碳酸氢钠。     

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．     

用小角X射线散射研究亚麻纤维分形维数与断裂强度的关系

用小角X射线散射法(SAXS)研究亚麻纤维的孔隙结构分形特征,并且分析亚麻纤维断裂强度与分形维数之间的关系.结果表明:SAXS是测试分形维数的一种有力工具;亚麻纤维的分形维数是2~3之间的分数,属于表面分形;亚麻纤维的分形维数与断裂强度之间的关系可以用二次曲线来拟合,拟合相关度R2能够达到0.908 6,具有很好的相关性,且亚麻纤维的断裂强度随着其分形维数的增大而减小.     

渝东南地区海相页岩有机质孔隙发育特征

有机质孔隙是高—过成熟海相页岩主要的气体储集空间。基于四川盆地东南部(渝东南地区)五峰组—龙马溪组页岩研究,将有机质划分为干酪根和沥青两种基本类型,其中,干酪根可进一步划分为无结构型干酪根和结构型干酪根两种类型,沥青可划分为固体沥青和复合有机质; 根据有机质孔隙的分布和发育特征,将其划分为干酪根内孔隙、海绵状孔隙和气泡状孔隙3种类型。通过扫描电镜实验和ImageJ软件提取有机质孔隙,结合圆度、凸性、伸长率、分形维数等孔隙形态参数分析不同类型有机质孔隙发育特征。结果表明:①随总有机碳的增加,有机质面孔率逐渐增加; ②当总有机碳低于2%时,随总有机碳的增加,平均孔径、分形维数逐渐减小,有机质孔隙趋于均一; 当总有机碳高于2%,随总有机碳的增加,平均孔径、分形维数逐渐增大,有机质孔隙趋于复杂; ③无结构型干酪根有机质孔隙以微孔(孔径小于25 nm)和小孔(孔径为25～100 nm)为主,发育少量中孔(孔径为100～1 000 nm); 结构型干酪根有机质孔隙以微孔为主,小孔其次,中孔发育较少; 沥青有机质孔隙以小孔为主,发育部分中孔和大孔(孔径大于1 000 nm); ④与沥青有机质孔隙相比,干酪根有机质孔隙圆度、凸性较大,伸长率较低; 但由于干酪根有机质孔隙的平均孔径较小,小孔含量高,分形维数相较于沥青偏高。     

Effect of Steel Slag and Granulated Blast-furnace Slag on the Mechanical Strength and Pore Structure of Cement Composites

Reuse of solid industrial wastes is an effective approach to develop low-carbon construction materials. This paper examines how two materials, steel slag(ST) and granulated blast-furnace slag(SL) impact the mechanical performance and pore structure of cement-based systems. Analysis was done on the variations of the porosity, pore size, and pore volume distribution with the curing age and replacement content, and the fractal dimensions of pore surfaces. The results suggested that systems with both supplementary materials had lower early strengths than pure cement, but could generally surpass pure cement paste after 90 d; higher SL content was particularly helpful for boosting the late strengths. The addition of ST increased the porosities and mean pore sizes at each age, and both increased with ST content; SL was helpful for decreasing the system's late porosity(especially harmless pores below 20 nm); The lowest porosity and mean pore size were obtained with 20% SL. Both systems had notably fractal characteristics on pore surfaces, with ST systems showing the highest dimensions at 10% ST, and SL systems at 20% SL. Compressive strength displayed a significant linear increase with fractal dimension.     

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。     

流域地貌形态分形布朗运动(FBM)分维数研究

应用分形布朗运动(FBM)理论,建立了流域地貌形态FBM分维数的计算模型.以大理河流域六条子流域为例进行计算,并对各流域地貌形态FBM分维数的特点进行了分析.结果表明:流域地貌形态特征在一定的像元尺度区间内(无标度区间)遵从某种共同的幂律关系,可以用FBM分维数来表述;流域地貌形态FBM分维数能够从综合性与整体性方面对不同像元尺度流域地貌的共同特征进行描述;利用这个方法可以进行不同像元尺度下地貌形态特征的比较与评价.     

PEM燃料电池多孔介质扩散层分形维数的测定

为了研究质子交换膜燃料电池扩散层多孔材料微结构对仿真结果的影响,首先必须找出一种有效的方法来描述其微结构.尝试应用分形理论表征多孔材料的微结构,介绍了曲线和孔隙面积分形维数的定义,并采用盒维法对2个分形维数进行计算.计算结果表明,扩散层试样的曲线分形维数为1.144 7,面积分形维数为1.927 6.     

PU杂化膜性能及微孔结构的分形研究

采用湿法相转化法制备了PU／SiO2杂化膜，用扫描电子显微镜进行观察，并依其断面电镜照片进行分形研究．结果显示：SiO2的加入，可改善PU杂化膜的微孔结构，在PU／SiO2杂化体系中添加界面改性剂，可促进SiO2在基体的分散，起到细化微孔的作用．这一性能与分形研究中维数的提高相一致，因此分形理论可以用于将膜孔的结构形态量化．     

三轴剪切过程中软黏土的微观结构及分形特征

土的物质组成和内部结构是决定土物理力学性质的主要因素;当土性质变化时,土中孔隙大小和形状变化最直观.为研究三轴剪切过程中软黏土微观结构变化特征,利用扫描电子显微镜获取了软黏土在不同应变速率和不同应变阶段的三轴固结不排水剪切试验后土试样的SEM图像;计算得到了软土的等效孔径和孔隙（颗粒）分维值.研究表明,该软黏土具有团粒-絮凝结构.试验前后软黏土中的孔隙均以小孔径、中孔径为主,大孔径孔隙分布较少;大孔隙主要存在于原状土和剪切破坏后土样中.剪切过程中存在一个影响孔隙分布随应变速率变化的应变阈值.软黏土具明显分形特征,孔隙分维值为1.891~1.750,颗粒分维值为1.825~1.908;在剪切过程中,颗粒分布分维值增大,孔隙分布分维值减小,孔隙大小和形状变化最显著.