颗粒填充型分形孔隙结构复杂组构表征

颗粒填充型多孔介质广泛发育于自然储层中,且常常表现出复杂的颗粒形貌、随机的空间分布以及分形的尺度结构等特征,它们的空间组配严重影响着油气资源的赋存运移。因此阐明孔隙结构细观控制机制是实现资源高效开发利用的基础,而其定量表征是根本。为此,依托于新近出现的分形拓扑理论标定了颗粒填充型分形多孔介质中孔隙结构的两类复杂类型,即描述颗粒几何形貌的原始复杂性,以及主宰尺度不变属性的行为复杂性。依据尺度不变属性的基本要求,判识出原始复杂性与行为复杂性相互独立的关系,明确了复杂类型组构模式。在此基础上,借助四参数随机生长算法实现了原始复杂性要素的等效表征,利用分形拓扑理论实现了自相似、自仿射属性的尺度不变定义,进而构建了任意颗粒填充型分形多孔介质模型定量表征的数学框架。最后,系统分析了原始复杂性以及行为复杂性对孔隙结构特征的控制,即颗粒团簇破碎程度、随机分布特征、边界粗糙度隶属于原始复杂性,自相似、自仿射等尺度结构特征则受控于行为复杂性,而孔隙结构的各向异性特征是原始复杂性及行为复杂性耦合作用结果。     

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。     

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。     

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。     

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。     

礁灰岩孔隙结构表征及关键孔隙节点识别研究

珊瑚礁灰岩作为一种天然的多孔介质，孔隙结构复杂，对其宏观力学及渗流特性均有较大影响。为准确表征珊瑚礁灰岩孔隙结构，并探究其孔隙网络结构特征，以2种海南珊瑚礁灰岩样品为研究对象，利用μCT扫描和三维重构技术，构建礁灰岩的数字化三维模型及等效孔隙网络模型，分析礁灰岩孔隙结构的空间分布特征，并对其孔隙率、孔隙喉道尺寸及配位数等孔隙结构参数进行统计分析。构建礁灰岩内部孔隙结构的拓扑网络模型并开展复杂网络分析，获得礁灰岩孔隙网络的整体和个体属性指标，识别出影响网络特性的关键节点。研究表明：珊瑚礁灰岩孔隙率高、非均质性强，孔隙喉道尺寸及配位数分布符合对数正态分布规律；内部孔隙网络连通性较好，紧密性程度较高，且存在一些重要性较高的关键孔隙节点，对整体网络特性影响较大。     

煤岩结构多尺度各向异性特征的SEM图像分析

 多孔介质微、细观结构的非透明一直是阻碍深入认识深部条件下岩体损伤及煤与瓦斯突出机制的难题。为此,基于小波多分辨分析,提出一种复杂孔隙介质微、细观结构的可视化及多尺度、各向异性的精细描述方法。为验证方法的可行性,对不同地区的6种煤岩试样进行扫描电镜观测;应用小波多尺度变换、图像分割、以及图像重建技术对煤样的SEM图像进行“亚像素”尺度分析;利用小波细节系数重建煤基质的水平、垂直、对角占优的微观孔隙图像;计算微孔的孔喉、孔穴随特征尺度的分布密度,以及微孔与节理的孔隙度与分形维数。用小波多分辨分析方法分割的宏观孔隙具有微米量级,微孔具有纳米尺度。各煤样的宏观裂隙的孔隙度与分维数均大于微观孔隙;孔喉特征尺度分布均具有相似的单峰形式,峰值点决定流体运移的阻力;孔穴的特征尺度分布呈现出单峰、或多峰形态,代表流体的储存能力。研究成果为深入认识复杂孔隙结构对岩体非线性力学行为的影响,提供几何边界、结构参数基于显微图像分析的可行方法。     

多孔介质中悬浮颗粒迁移–沉积特性研究进展

研究多孔介质中悬浮颗粒的迁移–沉积特性对地下水回灌、石油开采、污染物迁移等问题具有重要意义。从数学模型和物理试验2个方面介绍和总结多孔介质中悬浮颗粒迁移–沉积特性研究现状。提出以现场监测及大量室内试验为手段,以不同条件下悬浮颗粒迁移–沉积特性研究为基础,以建立考虑颗粒速度修正系数、孔隙率修正系数、颗粒捕获率及孔隙率变化的颗粒迁移数学模型为前提的颗粒迁移–沉积特性研究方法。当前无论是物理试验还是数学模型研究,均存在很多不足:如未能准确描述多孔介质内部孔隙结构,没有考虑到颗粒在多因素耦合作用下的迁移–沉积特性,未能将宏观尺度下的过滤现象与细观尺度下的颗粒运动很好地结合等。因此认为以下4个方向是今后研究的重点和趋势:(1)开发动态三维试验装置;(2)建立完善的多孔介质空间模型;(3)建立多因素耦合影响下的颗粒迁移–沉积数学模型;(4)建立多孔介质多尺度颗粒分析方法与理论。     

基于孔结构的胶凝砂砾石材料渗透性能研究

为探究孔结构特征对胶凝砂砾石材料渗透性能的影响规律，进行了渗透试验和核磁共振试验；在此基础上引入分形理论，借助分形维数分析孔结构特征参数与渗透系数的关联性，进行胶凝砂砾石渗透性能的机理性研究。结果表明：随着粉煤灰掺量的增加，孔隙结构得到改善，大孔隙向小孔隙演变，孔隙率逐渐减小，渗透系数呈现出递减的趋势；分形维数能够定量表征孔隙结构的复杂程度，粉煤灰掺量的增加使得孔隙结构趋于复杂，分形维数逐渐增大；采用孔隙率和分形维数的渗透系数预测模型回归效果较好，可为胶凝砂砾石材料渗透性能优化设计提供理论依据。     

分形理论在岩石孔隙结构研究中的应用

岩石的孔隙空间具有良好的分形特征,孔隙结构的分形维数可以定量描述孔隙结构的复杂程度和非均质性.应用分形几何的原理,研究了低渗透储层岩石的孔隙结构,建立了毛细管压力和孔隙大小概率密度分布的分形几何模型.并根据毛细管压力曲线资料计算了孔隙结构的分形维数和孔径大小的概率密度分布.计算结果表明,用该方法研究孔隙结构不仅简单易行,而且精度很高.     

砂岩颗粒孔隙分布分形特征与强度相关性研究

岩石的组成成分与内部结构对强度特性起到决定性作用,基于砂岩细观尺度下物质与结构研究,采用分形维数理论与数值计算相结合的方法构建颗粒孔隙分布特征与力学强度的相关关系,实现对岩石强度特性的快速评价与估测。结果表明:(1)颗粒孔隙呈偏态分布,即试件内部存在大量小尺寸颗粒孔隙,大尺寸颗粒孔隙较少,当颗粒几何比越接近1,表明颗粒圆度较高,否则多为针形或柱状颗粒密集分布;(2)采用直方图双峰法确定的合理阈值可以增加孔隙定量表征试验的可操作性,有益于对尽可能多被筛选中的颗粒孔隙面积、数量、尺寸等9项指标的提取;(3)表征单元格尺寸确定后,分形维数不随之相对变化。颗粒孔隙分布具备分形特征,可用维数来表征颗粒孔隙分布的复杂程度,即分布越复杂,维数值越大;(4)分形维数与岩石强度具有显著的负相关关系,相关度为0.834,即随着分形维数的增大,试件的强度逐渐降低。     

页岩气纳米孔隙研究

页岩气是当今石油地质领域的又一场革命。页岩储层不同于常规储层,其以纳米孔隙为主,无法用常规储层孔隙研究方法进行表征和评价。对目前国内外含气页岩孔隙分类及孔隙表征方法进行了综述,从定性及定量的角度对表征方法进行归类和总结。定性表征方法主要是扫描电子显微镜等直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况等;定量表征方法是利用气体吸附法、压汞实验、定量分析页岩孔径大小及分布、比表面积等。综合分析了页岩纳米孔隙结构。在页岩纳米孔隙结构研究方面,我们需要不断提高实验精度和效率,定性与定量表征相结合,改进三维成像技术。     

工程岩体断裂结构不均匀性的定量研究

根据多重分形理论和方法讨论了岩体断裂结构不均匀性和各向异性等复杂性特征,提出综合运用分维Ｄ０和多重分维Ｄｍｉｎ／Ｄ０矢量可以定量表征复杂岩体断裂结构的各向异性。     

基于流–固耦合的近海风电基础地震反应分析

结合近海风电单桩及四桩基础支撑体系工程实际场地资料,采用有限元数值分析方法,考虑水–土–结构动力相互作用,即考虑流–固耦合效应、饱和土的多孔介质渗流属性及桩–土接触相互作用,分析结构体系动力特性及地震反应。分析单桩有水与无水及四桩有水与无水4种工况支撑体系的自振特性和单桩有水与无水2种工况支撑体系的地震反应。结果表明:水层对结构低阶频率影响不大,对高阶频率降低幅度较大;水层对体系的水平位移、竖向沉降、峰值加速度及有效应力均有不同程度地削减;地震作用下土体的超静孔隙水压力呈现波动特性;结构的位移及应力响应均能满足规范要求。证明考虑多介质耦合的动力有限元分析方法是解决复杂海上风电基础地震响应的有效方法。     

膨润土溶出性侵蚀分形模型的数值模拟研究

分析膨润土的微观结构,可得到一维侵蚀模型的控制方程。但作为多孔介质,膨润土孔隙结构具有分形特征,不能由传统几何来准确描述。基于分形毛细管束模型,采用孔隙面积分形维数和孔通道弯曲分形维数分别描述孔隙大小分布和孔隙通道弯曲程度,得到了孔隙率、分形维数与Kozeny-Carman常数的关系式,完善了一维侵蚀模型。通过对模型影响因素的分析得出:随着电解质溶液浓度的增大,膨胀力变小;表面电荷密度增大,膨胀力也增大;初始体积分数增大,膨胀力变大。     

柱撑粘土的孔结构分形特征研究

柱撑粘土是一种层间距可调节的多孔材料,孔隙结构与材料的诸多性能密切相关。为此,本文采用小角X-射线衍射、N2吸附法表征了粘土和Al、Ti柱化剂改性的柱撑粘土孔结构和比表面积,并采用分形几何的方法探讨了改性后两种柱撑粘土孔隙结构的分形特征。     

低频下渗透率尺度效应对弛豫过程影响的实验分析

 对于岩石的内耗行为,通常采用Cole-Cole分布的Debye模型进行解释。然而该模型仅能用于解释均匀介质的弛豫耗散过程,对于具有复杂结构的、含有孔隙流体的饱和岩石是不完全合适的。比如低频内耗实验数据就明显不符合该模型,不具有对称“圆弧”型的实模量–虚模量曲线。提出岩石介质中存在地震波波致流体流动的渗透率弛豫尺度效应,可以弥补含Cole-Cole分布Debye模型的不足。岩石内耗实验数据分析显示,所有饱和多孔岩石实模量–虚模量关系曲线均具有相同的高、低温段不对称圆弧型规律,尤其在低温端圆弧曲线散开上扬,随着频率增高,上扬程度加剧。这一现象是微裂隙非均匀岩石的渗透率弛豫尺度效应特征的实验证据,它有助于更好、更深入刻画流体饱和岩石的弛豫耗散机制,拓展改进模型,合理解释实验数据,对饱和流体岩石弛豫过程进行相关的预测研究,还有望从实验数据中提取有关岩石非均匀尺度结构信息。     

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。     

节理岩体表征单元体的分形几何研究

节理岩体的尺寸效应是其内在结构复杂性的体现,应归因于岩体内裂隙网络系统的存在。提出在岩体结构宏观分区的基础上研究表征单元体,应用分形几何的观点进行研究。结果表明,分区内岩体结构具有统计自相似性。进一步的计算表明,用于描述岩体结构特征的分形维数随岩石试样尺寸的增加而减小;但当尺寸增加到某特定值时,分形维数趋于稳定,将此特定值称为结构表征单元体,即尺寸大于结构表征单元体的样本其结构具有代表性。根据表征单元体的定义,尺寸大于表征单元体的岩体试样,其力学性质具有代表性;而结构相似是性质相似的前提,由此可以推知,结构表征单元体为表征单元体取值的下限。