关键词： 冻融循环   红砂岩   孔隙结构   孔径分布  

摘要： 为探讨冻融循环作用对寒冷地区岩石孔隙结构的影响,对不同冻融循环次数(0次、20次、40次)作用后的红砂岩试样进行了场发射扫描电镜观察、压汞测试和低温氮气吸附测试,并对不同尺度(微孔、过渡孔、中孔和大孔)孔隙的演化规律进行了研究。研究结果表明:冻融循环会改变红砂岩中孔隙孔径的分布规律,使原50~680 nm的过渡孔或中孔不断发育扩大为680~3800 nm的中孔和大孔;冻融循环有利于红砂岩中小于50 nm的微孔或过渡孔发育生成,且对3~4 nm的微孔影响最大。研究结果可为寒冷地区资源开发、工程建设及安全施工提供理论指导。

关键词： 体外膜肺氧合技术(ECMO)   膜丝阵列   孔隙尺度   沉浸边界法   多组分气体耦合求解器  

摘要： 为分析体外膜肺氧合技术(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)氧合器内膜丝排列方式对血液流动和气体输运的影响,该文选取某商用氧合器的轴截面为简化模型,采用基于沉浸边界(immersed boundary,IB)法的自编软件进行了稳态血液流动与多气体组分耦合输运的数值模拟。通过与商业计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件Fluent计算结果、已有文献结果进行比较,验证了所采用的数值方法和自编软件具有适用性。计算结果表明:在一定的孔隙率下改变膜丝排列方式和膜丝倾斜角将影响轴向和径向渗透率,会明显改变血液流动和气体输运的性能;具有径向交错和大倾斜角的膜丝排列能避免出口段大尺度旋涡,降低血液损伤风险。进一步分析可知,ECMO气体输运性能主要受膜丝排列方式的影响,且增大倾斜角有利于提升交错阵列的气体输运效率。该文研究可为实际工程中广泛存在的三维孔隙尺度多相流动数值模拟提供一定参考,为ECMO结构优化、临床运行中参数调整提供科学依据。

关键词： 碳酸盐岩气藏   格子玻尔兹曼法   气水两相流   孔缝洞组合   孔隙尺度  

摘要： 碳酸盐岩储层孔缝洞组合类型多样,从孔隙尺度刻画和认识气水两相在不同类型储层中的流动规律具有重要的科学意义。建立了适用于深层碳酸盐岩储层气水两相流动的多松弛颜色梯度格子玻尔兹曼模型(LBM),实现了气水两相在多孔介质中的可视化模拟,揭示了成藏过程(气驱水)和水侵过程(水驱气)不同孔缝洞组合流动通道中的气水两相动态流动行为。研究表明,碳酸盐岩气藏成藏过程中主要存在的残余水类型有盲端孔隙水、洞穴边部残余水、水膜水、“H型”残余水和网状残余水;水侵过程中,主要存在的封闭气类型有盲端孔隙封闭气、变径卡断气、绕流封闭气、“H型”封闭气和网状封闭气;由于洞穴体积较大,成藏和水侵过程中缝洞型储层残余水饱和度和封闭气饱和度均最大;裂缝型和缝洞型储层的气相渗流能力随含水饱和度变化波动明显,呈非线性变化规律。研究成果可为深层碳酸盐岩气藏微观渗流、水侵动态预测等提供理论支撑。

关键词： 联合表征   孔隙结构   核磁共振   气体吸附   连通性   可动流体  

摘要： 微观孔隙结构影响着流体在煤层中的储存及渗流。为精确表征煤层微观孔隙结构特征,本文以鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤层为研究对象,采用核磁共振、CO_(2)吸附和N2吸附手段,多尺度联合表征煤层的孔隙分布特征,并结合CT扫描技术对微观孔隙的连通性和均匀性进行研究。结果表明:煤的微孔是比表面积与孔容积的主要贡献者,介孔次之;核磁共振与吸附联合表征反映了微孔、介孔部分的孔径分布有较好的一致性,大孔部分差异较大;驱替核磁共振和CT在反映连通程度方面具有优势,且两者对于连通性的表征具有一致性,配位数以及渗流孔比例等参数可有效反映样品的连通程度;不同深度段煤层连通性不同,非均质性也不同;煤样束缚水饱和度与孔喉比存在良好的正相关性。可见,孔隙结构对流体的运移程度有很大影响,是研究及评价瓦斯赋存与渗流的基础。

关键词： 润湿性   CO_(2)地质封存   孔隙尺度   润湿转变   成像技术  

摘要： 多孔介质的润湿性是CO_(2)地质封存过程中的重要参数。基于润湿性测量方法和光学成像技术综述了CO_(2)封存条件下不同尺度的多孔介质润湿性测量技术,并分析了相关润湿现象。目前,岩石润湿性的测量主要分为:实验室尺度的表面润湿性测定、孔隙尺度的内部壁面接触角测定,以及宏观尺度的岩心整体润湿性评价。孔隙结构、矿物组成成分和表面粗糙度是孔隙尺度接触角的关键影响因素,它们会影响多孔介质的混合润湿特性并造成润湿滞后现象。根据不同局部驱替事件(如排水、渗吸)的接触角分布建立了孔隙尺度与连续尺度的岩石润湿性关系。最新研究发现,随着驱替的发展,岩石润湿性在排水和渗吸过程中发生了显著改变,但不同尺度的岩石润湿性的关系及润湿转变机理仍需要进一步研究。

关键词： 碳封存   润湿性   接触角   孔隙尺度  

摘要： CO_(2)地质封存是实现温室气体深度减排的重要方法,岩石润湿性是影响其安全性与储存潜能的关键因素之一,因此探明岩石多孔壁面的润湿规律及其对CO_(2)-盐水界面迁移的影响机理,有助于推动碳封存项目规模化实施.本文简要综述了近年来碳封存领域多孔介质壁面润湿性测量的研究进展,归纳了多孔介质壁面润湿性对气-液界面运移微观影响机理的最新成果.从目前的研究来看,应用微流控芯片和X射线CT可视化技术成为研究孔隙壁面润湿性的重要手段,多孔介质壁面接触角测量已从传统岩心表面接触角转变岩心内部多孔壁面局部接触角测量研究,研究获得了基于气-液界面特性与局部润湿行为的岩心整体润湿性评价方法.但如何建立不同尺度润湿特性之间的联系关系目前仍面临挑战.另一方面,业内学者在孔隙尺度获得了不同润湿条件下CO_(2)-盐水界面演变特性,随着更多微观渗流机理的发现,岩石润湿性对不同气-液界面行为的影响机理还需大量工作.

关键词： 金属丝网   多孔介质   孔隙尺度   渗透率   毛细特性   层流  

摘要： 金属丝网多孔材料由于其孔隙可控、高比表面积、高强度和价格低廉的特点,在过滤、催化、高效换热以及防爆领域引起广泛关注。为表征其毛细特性,测量了四种不同规格的铜丝网几何尺寸,并建立了平纹方形编织金属丝网的单元孔隙结构模型。分析了丝径、孔径对孔隙率、比表面积、渗透率的影响。研究发现:Kozeny-Carman公式可以较好预测低流速(小于0.01 m/s)下的金属丝网渗透率关系,其中几何因子与丝网网径成对数关系。流速大于0.01 m/s时,惯性效应的影响不能忽略,通过Forchheimer公式得到Darcy渗透系数和非Darcy渗透系数,并根据类Kozeny模型修正了渗透系数与孔隙率和丝径的关系。研究得到了平纹编织丝网几何结构与毛细特性的拟合关系,为吸液蒸发用金属丝网提供了设计依据。

关键词： 表征体元尺度   孔隙尺度   多孔介质   渗透率   格子玻尔兹曼   微生物生长  

摘要： 建立了孔隙尺度微生物生长与REV尺度多孔介质渗透率衰减的耦合算法,分析了微生物生长对多孔介质渗透率衰减的影响规律,为有效控制地下水回灌过程中的微生物堵塞提供了理论依据。多尺度耦合模型的孔隙尺度部分采用LBM-IBM耦合模型模拟多孔介质中流场,CA模型描述微生物生长。宏观尺度部分采用通用渗流模型描述流体在多孔介质内的流动。结果表明:由于流体和营养物的优先渗流性,微生物生长在空间上呈明显的非均匀性。多孔介质进口处微生物生长最快,远离进口的多孔介质骨架上微生物生长量与上下游位置关系不大,而与优势流直接相关。将不同营养物进口浓度工况下的局部当量孔隙率动态变化曲线用于REV计算,发现REV尺度的营养物进口浓度每增加1倍,多孔介质开始发生堵塞的时间可缩短18.0%~30.7%。

关键词： 矿井瓦斯   CO_(2)相变致裂   孔隙结构   致裂压力   尺度效应  

摘要： 为探讨不同CO_(2)相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响,开展120,150,185 MPa作用下的CO_(2)相变致裂煤体实验,综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温CO_(2)吸附孔隙结构参数测试方法,分析CO_(2)相变致裂后煤的大孔(>50 nm)-介孔(2~50 nm)-微孔(<2 nm)结构演化特征。结果表明:CO_(2)相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应;致裂后,大孔平均孔径与孔容大幅度增大,孔表面积降低;介孔平均孔径增大,孔表面积明显降低;孔隙连通性明显增强。CO_(2)相变致裂过程时间极短,高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展,延伸至微孔时,衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO_(2)相变致裂在大孔-介孔尺度的扩孔效应,随致裂压力的增大而增强;不同变质、变形程度煤的大孔-介孔-微孔发育存在差异;因此,研发“高致裂压力-长作用时效-大能量”的CO_(2)相变致裂器,有助于进一步增强CO_(2)相变致裂的扩孔效应、改善纳米尺度瓦斯运移通道、提高瓦斯抽采效率。研究成果为CO_(2)相变致裂技术优化和改进提供了科学依据。

关键词： VOF方法   两相流   孔隙尺度模拟   CO_(2)地质封存   复杂多孔介质   润湿性   黏度比   毛细管数  

摘要： 二氧化碳(CO_(2))捕集与封存技术有利于减少CO_(2)的排放量,近年来针对CO_(2)地质封存形成了从纳米尺度到油气藏尺度的大量研究成果,大多数研究只针对单一维度多孔介质中流动行为开展研究,且物理实验方法受许多不确定性因素影响,十分耗费时间和成本。为了从微观角度深入理解CO_(2)地质封存过程中的渗流行为,提高CO_(2)地质埋存量,基于追踪两相界面动态变化的VOF(Volume of Fluid)方法,分别建立了2D和3D模型,开展了超临界CO_(2)-水两相流动数值模拟研究,对比了不同润湿性、毛细管数、黏度比条件下的CO_(2)团簇分布特征、CO_(2)饱和度变化规律,揭示了孔隙尺度CO_(2)埋存的内在机理。研究结果表明:①随着岩石对CO_(2)润湿性增加,CO_(2)波及范围扩大,同时CO_(2)团簇的卡断频率减少,CO_(2)埋存量增加;②随着毛细管数的增加,驱替模式由毛细指进转变为稳定驱替,CO_(2)埋存量增加;③随着注入超临界CO_(2)黏度逐渐接近水的黏度,两相流体之间的流动阻力降低,促进了“润滑效应”,CO_(2)相的渗流能力提高,CO_(2)埋存量增加;④润湿性、毛细管数、黏度比在不同维度多孔介质模型中对CO_(2)饱和度的影响程度不同。结论认为,基于VOF方法的CO_(2)-水两相渗流模拟研究在孔隙尺度上揭示了CO_(2)地质封存过程中的渗流机理,对CCUS技术的发展有指导意义,也为更大尺度的CO_(2)地质封存研究提供了理论指导和技术支撑。