砂岩渗透性能微观图像分形分析

砂岩渗透性能一般都通过实验室或野外试验测试确定。本文基于岩石微观空隙分形特点．确立了岩石渗透率与分形维数的定量关系,实现了直接利用岩芯电镜扫描微观图像分形技术测定岩石宏观渗透性能的目标。为了精确统计SEM图像中不规则孔的面积、周长、半径、个数等参数,解决获取切片孔喉分形维数这一难题,应用Imagepro plus专业图像软件处理扫描电镜切片图像。将岩石渗透率理论值与实验室渗透率测定结果对比,结果表明：宏观渗透率与微观分形参数D的理论关系式成立,具有工程应用推广价值。     

与水泥基材料渗透性相关的分形孔隙模型的研究

混凝土结构耐久性问题是当今工程界普遍关注的问题,混凝土渗透性是评价耐久性的重要指标.本文引入分形理论,将水泥基材料看作是具有分形结构的空间载体,研究内部孔隙的分形特征,分析孔隙的复杂程度及对渗透性的影响,并引入孔隙分布分形维数D以及孔隙通道的弯曲分形维数DT,得出分形渗透率的公式.     

模袋混凝土干湿-冻融侵蚀孔结构的分形特征

为探究干湿-冻融循环作用下模袋混凝土损伤特征,基于扫描电镜(SEM),结合差分盒维数法,计算得到了其分形维数的微观损伤演化特征;又基于核磁共振试验(NMR)的T2谱计算了孔隙体积的分形维数,发现孔隙结构具有分形特征,并推导了孔隙度、渗透率与分形维数之间的数学关系;进一步,结合分形理论,以相对动弹性模量为损伤指标,建立了...     

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。     

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。     

水泥砂浆孔结构分形特征的研究

利用压汞仪测定了不同水灰比及龄期水泥砂浆的孔结构,通过基于热力学关系的分形模型计算得到了水泥砂浆的孔表面积分形维数,并探讨了孔表面积分形维数与微观孔隙率、孔表面积、平均孔径、中值孔径等其他孔结构参数及砂浆强度之间的关系.结果表明:基于热力学关系的分形模型能够很好地表征水泥砂浆孔隙的复杂程度;孔表面积分形维数与微观孔隙率的相关性较差,而与孔表面积、平均孔径、中值孔径以及强度之间有较好的相关关系;随着孔表面积分形维数的增大,平均孔径和中值孔径减小,孔表面积增加,水泥砂浆的抗折强度及抗压强度增加.基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数可作为水泥砂浆孔结构特征的综合评价指标,并且分形维数与其宏观力学性能相关性良好.     

软土动剪切模量与微观孔隙结构试验研究

 为了从土体微观结构的角度定量地研究动剪切模量的性质和变化,利用共振柱试验,并借助电子显微镜及微观孔隙结构分析手段,对粤东重塑软黏土动剪切模量随动剪应变衰减规律与宏微观条件下土颗粒孔隙特性的关系进行分析。根据基于Davidenkov三参数模型的非线性回归分析和微观孔隙结构的参数计算分析,得到随固结应力增加,最大动剪切模量增大,连续介质中机械波波速增强;土体的宏观孔隙比降低;孔隙的层次增加,孔隙周长–面积分形维度值增加;孔隙的均一化程度增加,孔隙分形维度值减小。研究表明,Davidenkov模型中的初始参数、范围参数及速率参数与微观孔隙结构参数存在对应关系,为软黏土动力特性与微观结构关系的理论研究提供依据。     

基于分形理论的隧道砂土层渗透率快速测定研究

为研究隧道开挖过程中,流体在砂土中的渗流特征并对砂土渗透率进行快速估算,采用砂土渗透试验与分形理论相结合的方法,研究不同级配条件下影响砂土渗流特征的主要因素以及砂土渗透率与砂土分形维数D之间的关系。结果表明:渗透率对砂土细小颗粒的比例非常敏感,渗透率随细小颗粒比例的增加呈数量级式减小,砂土介质的分形维数与渗透率之间呈负指数关系,通过验证证明分形维数计算渗透率具有较高精度,因此,可供工程实践中快速估算砂土渗透系数和配制有特定渗透性要求的砂土时使用。     

掺泡量对泡沫混凝土热工性能的影响

采用导热系数测定仪对泡沫混凝土掺泡量与其热工性能的关系进行了试验研究,利用分形理论对泡沫混凝土的微观结构进行了深入分析,并对其微观结构图形进行了分形维数的计算,最后建立数学回归方程,将分形维数与泡沫混凝土的热工性联系起来,定量描述了泡沫混凝土微观结构与宏观性能的关系。研究结果表明,发泡剂掺量在3.6~7.2 g之间时,随着发泡剂用量的增加,泡沫混凝土内部孔隙变得多而大,分布均匀,分形维数增大,导热系数减小,保温性能提高。     

数字岩芯微观结构特征及其对岩石力学性能的影响研究

岩石本质上是一种非均质材料,其力学性质受到微观孔隙结构的影响。通过计算不同岩石微米CT图像的分形维数、孔隙半径分布和孔隙形状因子分布,分析了岩石的微观孔隙结构特征。基于数字岩芯表征单元,用有限元方法开展孔隙尺度下微观变形模拟试验,研究微观孔隙结构对岩石变形的影响。结果表明:岩石孔径分布各异,骨架和孔隙都具有分形特征,浑圆孔隙占比相对较少。岩石变形模拟试验中,由于端部束缚作用强,出现了严重的端部效应,在中部了形成X形的共轭塑性剪切带,会不断发展直至岩石破坏;不规则孔隙的存在,使得岩石内部应力集中现象明显,塑性变形区域分布极不均匀。岩石轴向上具有整体平移的特点,侧向变形严重,变形带之间过渡区域位移梯度较大;X形剪切带的下部,形成位移较小的拱形弹性变形区。岩石有效弹性模量与孔隙度和孔隙分形维数具有良好的相关性。随着孔隙度的增加,有效模量几乎呈指数递减,孔隙度对岩石力学性质影响巨大。孔隙分形维数越大,有效弹性模量大体上逐渐变小。研究从孔隙尺度揭示了岩石微观结构的变形机制,对岩石宏观性质的研究具有重要的指导意义。     

基于灰色理论的CBC单面冻融后抗压强度与孔结构参数关系研究

通过对水泥基材料(CBC)进行以NaCl溶液为冻融介质的单面冻融试验,探究CBC抗压强度及含气量、气泡间距系数、气泡比表面积、气泡平均弦长、气泡弦长大于20 μm的弦长频率等微观孔结构参数随冻融循环次数增加的变化规律,并运用灰色理论对抗压强度与各孔结构参数的内在联系进行分析。利用灰色相对关联度筛选出微观孔结构参数中与抗压强度关联最大的参数,对其进行了相关模拟和预测,并建立宏观性能与微观孔结构参数间的定量关系。结果表明:随冻融循环次数增加,CBC抗压强度逐渐降低,冻融循环后期下降速率加快; 试验过程中试件内部含气量、气泡间距系数、气泡平均弦长逐渐增大,而气泡比表面积逐渐减小; 灰色Verhulst模型相较于GM(1,1)模型更适用于气泡弦长大于20 μm的弦长频率的模拟; 采用灰靶决策模型定义的综合孔结构参数与抗压强度关联性更强,基于综合孔结构参数建立的模型精度更高。     

鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层微观孔隙结构特征

孔隙结构是研究储层物性的主要内容.该文在调研前人研究的基础上,分析总结了鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层微观孔隙结构特征.结果 表明:前人对鄂尔多斯盆地延长组储层微观孔隙结构表征参数选取不统一,一般选取能够代表研究区微观孔喉结构及渗流特征的优选参数,建立致密储层的分类评价标准.对致密油的孔隙结构表征方法主要有3种:数据统...     

非饱和土力学的分形理论

室内试验确定非饱和土的力学性质有许多困难,特别是非饱和土的渗透系数,非饱和土渗透系数量级小,随吸力变化幅度大。非饱和土的孔隙结构与非饱和土的力学特性有关,非饱和土的孔隙结构用分形模型表示,分形理论可以用于研究非饱和土的力学特性。本文采用分形理论描述土体孔隙特性,导出非饱和土的水份特征曲线、渗透系数、剪切强度、膨胀变形和压缩变形的表达式。非饱和土的吸力与孔隙的关系由Young-Lapalace方程表示,将孔隙与非饱和土力学性质联系起来。文中非饱和土的理论公式与试验结果符合得很好。     

内蒙古海拉尔盆地乌尔逊及贝尔凹陷南屯组致密砂岩储层微观结构表征

为了明确海拉尔盆地南屯组致密砂岩储层微观孔隙结构与储层物性的相关关系,本次研究通过铸体薄片观察、物性测试及恒速压汞实验,明确储层微观特征及孔隙结构参数,包括孔隙及喉道类型、大小、分布、连通性,并讨论了储层微观孔隙结构与储层物性的相关关系。研究结果表明:南屯组储层主要矿物颗粒为石英、长石、火山碎屑岩及凝灰岩岩屑,压实作用较强烈,颗粒排列紧密,胶结类型多为接触式胶结及镶嵌胶结,并以长石溶蚀现象最为普遍。储层多发育溶蚀孔,同含有少量粒间孔,喉道多为片状、管束状及缩颈型喉道。储层孔隙半径大多分布在110~170μm,孔径分布曲线形态呈单峰态,孔隙半径与孔隙度、渗透率无明显相关性;喉道半径分布在0.508~4.069μm。受控于孔隙结构的差异,孔喉半径比与渗透率呈一定相关性。综上所述,南屯组致密砂岩储层孔隙结构是其物性差异的主控因素,决定流体渗流能力。     

高温焙烧后黏土孔隙与力学特征研究

 为研究温度作用后黏土孔隙与力学参数变化规律,以不同温度作用后黏土为研究对象,主要采用压汞法、单轴压缩试验,着重分析其孔隙度、渗透率、体积分维数、单轴抗压强度、普氏系数变化规律。得到以下结论：试样中孔隙开放孔较多,孔隙连通性较好,孔隙主要以500 nm～1 000 nm为主;试验温度范围内,大孔总体积随温度的升高而增大,100 ℃～650 ℃之间,微孔总体积随温度的升高而增大,650 ℃以后,随温度的升高而减小;100 ℃～700 ℃之间孔隙度随温度的升高而增大,700 ℃以后有所减小;采用Menger海绵体模型和热力学模型得到的体积分维数随温度的升高整体减小,而采用热力学方法得到的孔隙分维值更能表征试样孔隙特征;100 ℃～700 ℃之间渗透率随着温度升高而增大,700 ℃以后有所减小;100 ℃～400 ℃之间,单轴抗压强度和普氏系数基本维持不变,400 ℃～700 ℃之间,两者随温度的升高快速增大,700 ℃以后,两者随温度的升高而减小,这与试样内部矿物的转变密切相关。     

Impact of pore structure and morphology on flow and transport characteristics in randomly repacked grains with different angularities

The flow and transport behaviors in porous media are closely linked to the structure and morphology of the pore space. A fundamental objective of most studies of porous media is to link the pore structure to the hydraulic functions, such as the permeability, capillary pressure and diffusivity, which are necessary for engineering applications. In this paper, an attempt is made to build a direct link between the hydraulic functions and the morphological measures of diverse porous media. Porous columns with different structures and morphologies are generated by randomly packing grains with different shapes and sizes. The pore structure of the repacked porous media is visualized through X-ray computed tomography and quantified by a series of parameters, including the set of Minkowski functionals, diverse characteristic pore sizes, geometric tortuosity and fractal dimension. The intrinsic permeability, molecular diffusivity and apparent thermal conductivity of the repacked porous media are simulated numerically. The Minkowski functionals have the capacity to characterize the microscale complex pore domain of the porous media in a macroscale way. A good linear relationship is shown among the effective pore size, nominal opening dimension and critical pore neck size obtained from the morphological analysis regardless of the shapes and sizes of the grains. The three different pores may serve as the characteristic pore correlation to the intrinsic permeability. The Kozeny-Carman equation can be used to mimic the intrinsic permeability and to serve as a quality-control tool for porous media with different grain angularities. A topologically based model can generally provide a single relationship for porous media randomly repacked with grains of different angularities. The molecular diffusivity of angular grains is found to be larger than that of round ones. The molecular diffusivity is linearly related to the porosity and fractal dimension. Porous media repacked with round grains tend to attain denser packing, a higher number of contacts per unit volume and higher thermal conductivity than media packed with angular particles. The apparent thermal conductivity has a negative linear correlation to the porosity and fractal dimension of porous media with different grain morphologies.     

煤的变质程度、孔隙特征与渗透率关系的试验研究

以贵州六盘水矿区中高变质程度的原煤为对象,利用TESCAN VEGA II型自带能谱扫描电镜、ASAP2020型比表面微孔分析仪,对煤样的内外部孔隙特征进行研究;借助自主研制的三轴渗流装置,进行不同瓦斯压力条件下含瓦斯型煤的三轴渗流试验。结果表明：(1) 煤的变质程度与内外部孔隙特征呈正相关关系,变质程度越高,原煤的分形维数越高,原煤的吸附量和孔容也越大;(2) 原煤的内外部孔隙特征与渗透率呈正相关关系,内外部孔隙越发育,渗透率越大;(3) 在恒定平均有效应力和温度条件下,随瓦斯压力的增大,渗透率先急剧降低,而后降低趋势渐缓,且渗透率与瓦斯压力服从指数分布关系。研究结果对贵州六盘水矿区瓦斯灾害的防治和煤层气的开发利用具有一定的理论指导意义。     

Characterization of 3D pore nanostructure and stress-dependent permeability of organic-rich shales in northern Guizhou Depression,China

The three-dimensional (3D) pore structures and permeability of shale are critical for forecasting gas production capacity and guiding pressure differential control in practical reservoir extraction. However, few investigations have analyzed the effects of microscopic organic matter (OM) morphology and 3D pore nanostructures on the stress sensitivity, which are precisely the most unique and controlling factors of reservoir quality in shales. In this study, ultra-high nanoscale-resolution imaging experiments, i.e. focused ion beam-scanning electron microscopy (FIB-SEMs), were conducted on two organic-rich shale samples from Longmaxi and Wufeng Formations in northern Guizhou Depression, China. Pore morphology, porosity of 3D pore nanostructures, pore size distribution, and connectivity of the six selected regions of interest (including clump-shaped OMs, interstitial OMs, framboidal pyrite, and microfractures) were qualitatively and quantitatively characterized. Pulse decay permeability (PDP) measurement was used to investigate the variation patterns of stress-dependent permeability and stress sensitivity of shales under different confining pressures and pore pressures, and the results were then used to calculate the Biot coefficients for the two shale formations. The results showed that the samples have high OM porosity and 85% of the OM pores have the radius of less than 40 nm. The OM morphology and pore structure characteristics of the Longmaxi and Wufeng Formations were distinctly different. In particular, the OM in the Wufeng Formation samples developed some OM pores with radius larger than 500 nm, which significantly improved the connectivity. The macroscopic permeability strongly depends on the permeability of OM pores. The stress sensitivity of permeability of Wufeng Formation was significantly lower than that of Longmaxi Formation, due to the differences in OM morphology and pore structures. The Biot coefficients of 0.729 and 0.697 were obtained for the Longmaxi and Wufeng Formations, respectively.     

用于岩石微焦CT扫描的三轴仪及其初步应用

 了观察和度量岩石空隙结构随应力的变化,研制了一种能和微焦X射线CT系统配套使用的三轴仪,该设备轻便,能够施加三轴压力,并在不卸载压力情况下对试样进行CT扫描和渗透系数的测量,且能够实时记录压力和变形等数据。利用研制的CT三轴仪得到了Berea砂岩在加载过程中的一系列CT图像,结合3DMA空隙结构计算方法,获得了Berea砂岩在不同应力状态下的有效孔隙半径分布、有效喉道半径分布以及弯曲度分布等定量细观几何特征。同时采用瞬态脉冲法测量了Berea砂岩不同方向的渗透率随有效围压的变化规律。结合围压对细观空隙结构参数的影响,认为细观空隙结构的变化是导致渗透发生改变的根本原因,当有效围压从零增至15 MPa时,半径40～100 μm的孔隙数量减少、孔喉半径减小以及Z方向的迂曲度增加,这是导致Berea砂岩渗透率随有效围压增大而降低的主要原因。