关键词： 多孔介质   孔隙尺度流   格子玻尔兹曼   渗透率   柱群绕流   CT扫描成像   数字岩芯  

摘要： 流体在多孔介质内的流动是许多领域(如地质、石油与天然气、材料工程、化工工程、生物工程、机械工程、医药及环境保护等领域)都非常关注的问题。传统的研究方法一般从宏观角度,假设流体在整个多孔介质的空间内流动,即渗流,并不关注实际孔隙内的具体流动情况。而随着对多孔介质流研究的深入,人们不再满足基于渗流假设的宏观研究,借助于微观、介观试验方法,人们逐渐揭开了多孔介质复杂孔隙结构的面纱,对于宏观现象的微观、介观机理的研究也提上日程。格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)以分子动理学理论、统计力学理论的Boltzmann方程为基础,建立离散速度模型来模拟粒子在孔隙空间内的运动,通过数值求解分布函数,从而获得宏观流动信息,为人们研究流体流动提供了一种崭新的方法,逐渐被应用于多孔介质流、多相多组分流、燃烧与爆破、化学反应流、微／纳米尺度流、生物工程、机械工程等诸多领域。本文使用MATLAB编程实现了单松弛度的、等温不可压标准LBM算法,对人工构造的规则排列的柱群以及基于粉砂CT扫描成像并三维重构获得的数字岩芯孔隙内的流动使用LBM进行了模拟。具体如下：(1)以LBM对规则排列的圆柱阵列构成的多孔介质孔隙内水的流动规律做了模拟分析,与他人的结论进行了对比,发现所建立的模型与已有结果完全吻合;(2)基于对Lee和Yang正方形排列的圆柱群渗透率公式的修正以及LBM的模拟结果,提出了相对误差更小的、适用于等边三角形排列的圆柱群的渗透率公式;(3)基于正方形排列的椭圆柱群的LBM模拟结果,提出了考虑不同椭圆柱长短轴比以及不同角度(椭圆长轴与渗流方向的夹角)的渗透率公式;(4)基于正方形排列的椭圆柱群,通过改变定向排列方向(0°-90°,为椭圆长轴与渗流方向的夹角)以及该方向定向排列的程度,研究了定向排列方向及定向排列程度对渗透率的影响;此外,还模拟了随机形状(随机尺寸的圆、椭圆)、随机倾向的柱群孔隙内的水流流动;(5)基于具有片状颗粒的粉砂的CT扫描成像重构出的数字岩芯,模拟了流速较低时、饱和砂土孔隙内水的流动规律;将LBM模拟的渗透率结果与渗流试验测得的渗透率结果进行对比,二者结果相差不大,大致在同一个数量级。

关键词： 河流相油藏   孔隙尺度   高含水期   三维平板模型驱替实验   岩心驱替实验   核磁共振   剩余油分布  

摘要： 设计了三维平板模型驱替实验和岩心驱替实验,应用核磁共振技术,从孔隙尺度研究了河流相储层高含水后期水平井和注入凝胶2种方法挖潜时剩余油分布规律及不同孔喉波及规律。结果表明,水驱后在顶部(低渗层)布置水平井挖潜,可以对低渗层大孔隙有很好的动用,但剩余油依然主要富集于低渗层以及中渗层的中—小孔隙;注入凝胶段塞可以有效调整吸水剖面,对后续水驱有着重要作用,而且与水平井挖潜相比可以有效动用低渗层的大—中孔隙,对低渗层小孔隙也有动用。

关键词： 木材   孔隙结构   影响因素   表征方法  

摘要： 介绍木材中宏观-介观-微观多尺度孔隙的分布、孔隙尺寸、孔隙形貌等孔隙结构,木材自身因素及干燥、热解等加工处理对孔隙结构的影响,压汞法等木材传统孔隙结构表征方法的优缺点,差示扫描热孔计法、核磁共振冷孔计法和超极化129Xe核磁共振法等新兴表征技术的基本原理,提出今后应结合多种表征技术重点探索木材介微观孔隙结构,以此为切入点探讨木材的物理力学性能,以期有助于推动木材孔隙结构的深入研究及其在其他领域的应用。

关键词： 低渗透油藏   CO2驱   孔隙网络模型   驱替相态   驱油效率  

摘要： 基于多孔介质油气两相渗流理论,采用截断威布尔分布作为孔喉特征分布函数,模拟储层岩心的气驱油过程,建立了能够反映多孔介质孔隙尺度的油气两相三维孔隙网络模型,推导了不同CO2驱替相态下界面张力及接触角计算公式。利用建立的孔隙网络模型,研究了相态变化对驱替效率的影响,从微观角度分析了不同CO2驱替相态下的驱替特征和驱油效果。结果表明:对于孔隙度以及颗粒分布状况相同的储层结构,在注入条件相同的情况下,与非混相驱替相比,实现CO2混相驱可以将原油的驱替效率提高约15%。

关键词： 天然气水合物   高精度X-CT   孔隙尺度   微观分布   饱和度  

摘要： 摘要在高分辨率工业型X射线层析扫描仪上（X-CT，X-Ray Computerized Tomography），研制了适用于沉积物中水合物微观赋存状态研究的CT原位探测装置，可通过模拟天然气水合物生成／分解过程，直接观测水合物在沉积孔隙中的微观分布特征．对粒径为0．425-0．85mm沉积物中水合物形成过程进行了CT观测研究，结果表明，沉积孔隙中水合物呈混合分布模式，但在水合物不同形成阶段，以某种分布模式为主导：在水合物形成初期，仅有极少量水合物悬浮在流体中，水合物主要以接触或胶结模式为主；在水合物形成中期（如饱和度为24．6％、35．0％时），水合物倾向于在孔隙流体中以悬浮状形态生成；在水合物形成后期（如饱和度为51．4％之后），悬浮状的水合物慢慢生长聚拢在一起，水合物又重新胶结沉积物颗粒．

关键词： 随机多孔介质   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   孔隙率   渗透性  

摘要： 为了探索多孔介质渗透性与孔隙率之间的关系,应用格子Boltzmann方法(LBM)以及无滑移流固边界条件,从孔隙尺度模拟了二维随机多孔介质中的流体流动.通过研究流量和压力梯度的关系,验证了格子Boltzmann方法模拟的Darcy定律.研究结果表明:在孔隙率较低(约小于0.3)的情况下,渗透性与孔隙率近似成指数关系变化,与前人的结果吻合.

关键词： CRYSTALLIZATION   EVAPORATION   PATTERNS   SYSTEMS   LIQUID  

摘要： Understanding the physics of water evaporation from saline porous media is important in many natural and engineering applications such as durability of building materials and preservation of monuments, water quality, and mineral-fluid interactions. We applied synchrotron x-ray micro-tomography to investigate the pore-scale dynamics of dissolved salt distribution in a three dimensional drying saline porous media using a cylindrical plastic column (15 mm in height and 8 mm in diameter) packed with sand particles saturated with CaI2 solution (5% concentration by mass) with a spatial and temporal resolution of 12 mu m and 30 min, respectively. Every time the drying sand column was set to be imaged, two different images were recorded using distinct synchrotron x-rays energies immediately above and below the K-edge value of Iodine. Taking the difference between pixel gray values enabled us to delineate the spatial and temporal distribution of CaI2 concentration at pore scale. Results indicate that during early stages of evaporation, air preferentially invades large pores at the surface while finer pores remain saturated and connected to the wet zone at bottom via capillary-induced liquid flow acting as evaporating spots. Consequently, the salt concentration increases preferentially in finer pores where evaporation occurs. Higher salt concentration was observed close to the evaporating surface indicating a convection-driven process. The obtained salt profiles were used to evaluate the numerical solution of the convection-diffusion equation (CDE). Results show that the macro-scale CDE could capture the overall trend of the measured salt profiles but fail to produce the exact slope of the profiles. Our results shed new insight on the physics of salt transport and its complex dynamics in drying porous media and establish synchrotron x-ray tomography as an effective tool to investigate the dynamics of salt transport in porous media at high spatial and temporal resolution. (C)

关键词： 化学热泵   多孔介质   格子-Boltzmann方法   多相反应   反应精馏  

摘要： 余热回收利用是提高能源利用效率和减少污染物排放的重要途径,低品位能源的品位提升是余热回收利用的一个有效手段。异丙醇／丙酮／氢气化学热泵是能够实现能量的品位提升与有效储存的高效节能新技术,其关键部件反应器内发生的催化反应过程对化学热泵的性能起决定性作用。为此,本文采用实验与理论相结合的方法,在反应层面、部件层面以及系统层面等不同尺度上研究单／多相催化反应器性能。研究内容围绕在稳态条件下提高反应器反应性能及为满足高效化学热泵系统构建而进行的反应器优化设计两方面而展开。通过揭示多相反应机理、建立多孔介质体系内多相多组分热质传递理论、构建高效循环系统,为反应器性能提升及化学热泵系统的优化设计提供重要科学依据与关键技术支撑。第2章从反应层面开展了针对异丙醇液相脱氢反应机理及反应强化的超声辅助实验研究。研究了传统雷尼镍催化剂和新型非晶态雷尼镍催化剂的催化活性,指出了非晶态雷尼镍催化剂具有较高的低温液相脱氢性能。同时指出异丙醇液相脱氢反应中异丙醇的吸附和解吸为反应速率控制步骤,且丙酮的吸附和解吸在两个活性位点上进行,首次得到了两种催化剂在Langmuir-Hinshelwood型反应动力学表达式。在超声辅助脱氢反应实验中,比较了超声波与搅拌器情况下异丙酮液相脱氢速率。结果表明：当超声功率大于等于26.87 W时,脱氢性能显著优于搅拌,低温下超声更有优势,揭示了超声作用强化反应机理。最后,获得了超声功率与异丙醇脱氢反应速率的定量关系式,为第4章、第5章反应器模型化提供基础。第3章从反应器尺度上,将分形理论与格子Boltzmann方法相结合构建了多孔介质内耦合化学反应的单相多组分流动与传热传质过程LB模型,对放热反应器内丙酮加氢化学反应热质传递特性及影响因素进行了研究。探讨了反应物摩尔比、进口速度及孔隙率对反应特性的影响。对热质传递的分析结果表明：在多孔介质中进行化学反应,流动行为对热、质的传递过程起着重要作用;扩散和由流动引起的质量传输的耦合效应加剧了孔隙体系内化学反应的多组分热质传递机理研究的复杂性。通过本章研究,揭示了孔隙体系内耦合化学反应的单相多组分扩散和能量传递过程特性及其与反应转化率间的内在联系与规律。第4章在第3章单相反应的基础上,进一步发展了耦合化学反应的多相多组分流动与传热传质综合Lattice-Boltzmann数理模型,对吸热反应器内液相异丙醇脱氢反应进行了初步研究。将改进的伪势模型与Carnahan-Starling状态方程相结合使两相密度比接近700。通过对C-S状态方程共存曲线的数值及理论求解的对比分析验证了模型的可行性。随后研究了多孔介质内多相反应的流动传热特性,该模拟的成功实施拓宽了格子-Boltzmann方法在多相反应过程领域的应用。第5章从化学热泵系统层面,设计IAH-CHP液相吸热反应与反应精馏相结合的高效循环系统。首先通过异丙醇液相脱氢反应精馏实验,比较分析了采用反应精馏及非反应精馏反应器时,丙酮的纯度及塔内的轴向温度分布,实验证明了反应精馏可以大幅提高异丙醇脱氢反应转化率。同时详细研究了采用反应精馏时,热源温度、回流比以及进料中丙酮初始含量等操作参数的影响规律。基于以上实验研究,建立了包含反应精馏的异丙醇-丙酮-氢气化学热泵系统数学模型,并以性能参数COP和火用效率为评价标准对化学热泵系统进行热力学分析,含反应精馏段的热泵系统中精馏塔的火用损失减少了三分之一,COP和火用效率分别提高了19.2%和16.7%。

关键词： 多孔隙介质   全变分正则化   共轭梯度   多尺度   反演  

摘要： 通过研究地震波在地下介质的传播可以发现,多孔隙介质理论能够更准确地描述地震波的传播规律.由于很多地下介质的相关参数信息都包含在多孔隙介质波动方程的系数中,对这些参数进行正反演可以获得大量的地质信息,从而能够为实际应用提供更多、更准确的资料.而就波动方程反问题本身而言,更是面临着算子方程的非线性、不适定性以及计算量和储存量大等本质性困难,因此,对波动方程正反问题及其数值反演算法展开深入的研究是十分必要的,它具有非常广泛的应用前景.本文针对波对多孔隙介质波动方程的传播规律及特点,以Biot理论为基础选取了多孔隙介质波动方程作为具体的数学模型,构造研究正反演算法.首先将该数学模型使用有限差分方法进行离散化,然后对这个非线性问题进行正则化的处理,由于本文所求问题是不连续的,而全变分正则化对于不连续的函数又有很好的正则化效果,因此本文将采用全变分正则化方法处理该不适定性问题.对于正则化的问题,将结合共轭梯度迭代法,构造出单尺度全变分正则化-共轭梯度迭代反演算法.为了减少计算量并提高计算效率及精度,本文又在单尺度全变分正则化-共轭梯度迭代反演算法基础上引入多重网格的思想基础,构造了多尺度全变分正则化-共轭梯度迭代反演算法.为了检验算法的可行性、效率的高低以及稳定性,我们分别选取了三层介质模型和单个异常体模型对多孔隙介质波动方程的孔隙率参数进行数值仿真,得到的数值模拟结果有力地说明了算法的可行性和效率,在一定程度上解决了反演所遇到的问题。

关键词： 韩城矿区   构造煤   孔隙结构   多尺度   分形维数   非均质性  

摘要： 以韩城矿区为研究区域,系统采集不同类型构造煤样,采用前人划分方案,确定构造煤煤样类型。在分析整理韩城矿区原有地质资料的基础上,结合煤层变形特征和煤样宏观与微观观测结果,定性描述了构造煤变形特点。采用显微CT法、压汞法、低温氮吸附法等多种测试手段,结合盒维数、热力学、FHH等分形理论模型对筛选的不同变形强度的典型构造煤(碎裂煤、碎粒煤、碎粉煤、鳞片煤、糜棱煤)的渗流孔和吸附孔孔隙结构进行了多尺度下的精细化、定量化表征。在此基础上深入探讨构造变形作用对煤的孔隙结构演化控制机理,为构造复杂区煤层气可采性评价提供重要研究基础和理论支撑。 结果表明,受到构造应力作用的影响,不同类型构造煤变形特征在宏观与微观尺度下具有一致性。煤体结构整体上随构造变形程度增强表现出煤颗粒粒度减小,煤体硬度降低的特点。脆性变形煤变形以脆性破裂为主,表现为角砾、外生裂隙等特征,而脆韧性与韧性变形煤不仅发生脆性破裂,还具有韧性流变现象,表现出揉皱、流纹等特征。不同类型构造煤变形特征均影响了孔隙结构特征。弱脆性变形使煤体角砾孔和微裂隙发育,导致其大孔含量较多;强脆性变形使角砾破碎为碎粒,导致碎粒孔增加,使大孔比例减小,中孔比例增加;韧性变形作用使煤颗粒进一步糜棱化,使煤岩物质重新排列,充填原有孔隙空间,结果使小孔比例降低,微孔比例增加。随着孔径分布情况的变化,孔隙度、孔容、孔比表面积和平均孔径等孔隙结构参数也发生相应变化。 分形维数能够表征孔隙结构的非均质性。孔隙结构越复杂,非均质性越强,其分形维数越大。研究发现：显微CT法表征结果中,脆性变形强烈的碎粒煤分形维数最大,原因是其角砾孔、碎粒孔十分发育,孔隙结构最复杂,而构造变形更强的脆韧性变形煤鳞片煤分形维数最小,分析其原因为韧性变形使糜棱质发育,堵塞较大孔裂隙,使大孔隙数量减少,分布零散,小孔隙虽大量增加但由于显微CT技术无法检测到纳米级孔隙信息,造成鳞片煤孔隙结构简单的假象,使其分形维数变小;与之相比,压汞法与低温氮吸附法表征结果中,分形维数可以定量反映出构造应力的强弱变化,可以作为构造煤孔隙结构变形程度的指示剂,分形维数随构造变形增强而增大,孔隙结构趋于复杂化,非均质性增强。