关键词： 格子-Boltzmann   数字岩心   多点地质统计学   渗透率  

摘要： 流体的渗流是一种十分常见的自然现象,在许多工程领域都有应用,如化学工程、地下资源开采、农田水利、地下土壤污染防治等。石油工业领域中,人们关注油或油水在储层岩石这种孔隙介质中的流动。本文采用数值模拟的方法,用格子-Boltzmann这一计算流体流动的数值方法计算毫米尺度的数字岩心的渗透率。同时本文研究了如何用各种方法得到三维数字化岩心,其中包括用实际岩心铸体薄片结合多点地质统计学的方法得到三维数字岩心。由于用多点地质统计方法得到的三维数字岩心可以更有效的发现长程的连通孔隙,因此计算的渗透率更加准确,同时将计算的结果与实际岩石物理实验的结果进行了对比。

关键词： 膨润土   微细观孔隙   孔隙尺度   孔隙分布特征   压汞仪法   渗透性  

摘要： 土体的微观孔隙结构特征对其渗透性有着显著的影响,膨润土具有很强的防渗性能,在土中加入膨润土可改变其孔隙尺度分布和结构特征而降低土的渗透性。采用压汞仪法(MIP)试验研究了掺加不同比例的膨润土的细颗粒土的微观孔隙结构特征。试验结果表明:只要加入少量的膨润土便可使土体的大孔隙的数量急剧减少;随着膨润土的含量的增多,孔隙尺度分布逐渐发生变化,中孔隙的数量逐渐减少,小孔隙、微孔隙和超微孔隙的数量逐渐增多,孔隙分布密度函数由三峰态转变为双峰态,峰值所对应的孔隙直径减小。实验结果也证明了同一孔隙比的土样的孔隙特征的多样性,因此工程中采用的表达土的孔隙含量的宏观参数孔隙比并不能完整描述土体的孔隙特征,需要引入其他微观参数对土的孔隙特征进行描述。文中的研究对防渗工程设计与施工具有参考价值。

关键词： SEM技术   碳酸盐岩   孔隙空间   多尺度   FIB   扫描电子显微镜   岩石物理性质   层析成像技术  

摘要： 了解岩石物理性质和多相流动特性，对于油气评价和开发是非常有必要的。而这些特性往往受控于孔隙空间的三维几何形态和连通性。目前，碳酸盐岩孔隙大小分布的确定仍极具挑战性。由于碳酸盐岩的沉积环境变化非常大，而且这类岩石极易受后沉积作用的影响，导致其孔隙结构很复杂，孔隙的长度从数十纳米到几厘米不等。要更加深入地认识孔隙结构对连通性、导流能力、渗透率和采收率的影响，就需要在连续的70个长度尺度范围内（从10nm到10cm）研究碳酸盐岩的孔隙结构，并对不同尺度下的信息进行综合分析。本文利用微计算机层析成像技术（micro—CT）、反向散射扫描电子显微镜03SEM）、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIBSEM）实验技术，研究在数十个尺度下碳酸盐岩的孔隙结构。然后利用图像叠合技术对不同长度尺度下的数据进行综合。首先将一个岩心柱的三维图像（4cm，20微米体素[voxel]）与一个宏孔隙分辨率下的样品（8mm直径，4微米体素）进行对比。然后，重点将在亚微米（submicron）分辨率下获得的扫描电镜（SEM）及聚焦离子束扫描电子显微镜（FIBSEM）数据与在大约3～5微米分辨率下获得的微计算机层析成像（micro-CT）数据相结合。为了实现SEM图像的最佳像素叠合，我们开发了一个精确的模板，以便消除由SEM扫描方法导致的人为弯曲，同时我们已经成功地按照三维图像的灰度级对在SEM图像上可见的次分辨率孔隙度和孔隙大小进行了成像。利用FIBSEM技术也可以研究样品的三维结构，研究精度可达到数十纳米。我们简要地探讨了如何利用这种多尺度信息来加强碳酸盐岩岩石物性的研究。

关键词： 孔隙尺度   风干法   烘干法   冻干法   压汞试验  

摘要： 采用风干法、烘干法和冻干法分别对不同含水率的重塑膨润土进行干燥制样,利用压汞试验得到的累积进汞量曲线,对重塑膨润土进行了孔隙尺度划分,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征进行了定量分析。试验结果表明:采用风干法、烘干法和冻干法干燥制样后土体孔隙分布存在较大的差异性,土样的含水率越高,差异越明显;风干法、烘干法干燥土样会引起孔隙收缩,导致土体微孔隙特征的变化,冻干法不会引起孔隙收缩,因而不会导致土体微孔隙特征的变化。由此得出了干燥重塑膨润土制备压汞试验用土样最好的干燥方法是冻干法这一结论。

关键词： 二氧化碳盐水层封存   突破压力梯度   压力   颗粒直径   接触角  

摘要： 以CO_2捕集与封存为研究背景,开展了二氧化碳盐水层封存条件下超临界二氧化碳在多孔结构中的流动规律研究。通过基于孔隙尺度的数值模拟方法,研究了超临界CO_2注入储层多孔结构时突破压力梯度和流动时间以及CO_2饱和度的关系,分析了压力、温度、颗粒直径、接触角和表面张力系数对突破压力梯度的影响规律。研究表明,对于孔隙率以及颗粒分布状况相同的储层结构,在超临界CO_2注入速度相同时,影响突破压力梯度增加的因素包括:CO_2地质封存压力减少,地质封存温度增加,颗粒直径减小,接触角减小或表面张力系数增加。

关键词： 二氧化碳储存效率   模型网格粗化理论   孔隙级   盐水层   气藏   油藏   宏观系数  

摘要： 为了提高油气田的油气开采量，通常把二氧化碳注入地层中，并储存于盐水层中。一旦把二氧化碳注入岩层，二氧化碳将通过弥散和对流作用在多孔岩石中弥散。盐离子与二氧化碳分子之间的化学反应及其随后与矿物颗粒发生的反应也是重要的过程。利用一纽与孔隙尺度和连续宏观尺度相对应的微分方程，来模拟任意多孔介质中二氧化碳分子的动态。基于孔隙尺度，对流-弥散方程通过考虑单位品胞中内界面的反应而求解。单位晶胞是多孔介质的最小组成部分，可以通过重复方式来复制多孔介质。单位晶胞中的内界面为矿物颗粒表面。通过采用相邻单位品胞的周期性边界条件，以及应用称之为宏观运移理论的泰勒一阿里斯弥散理论，把孔隙尺度内的弥散过程转换成连续宏观尺度。利用这种理论，把不连续多孔体系转换成一种连续体系。在该体系中，二氧化碳分子的弥散及其与多孔介质液体和同体基质间的交互作用，以3种独立于位置的宏观系数为特征：平均速度矢量U＊：弥散性向量D＊：测定体积二氧化碳的平均衰减系数K＊。

关键词： 核磁共振测井   孔隙尺度   岩石物理模型   数值模拟   弛豫响应  

摘要： 核磁共振(NMR)测井广泛应用于地层评价,确定储层参数及储层流体识别和评价,能够提供地层的孔隙度、渗透率、孔径分布、流体类型、束缚水饱和度等重要信息,已经成为现代测井技术不可或缺的手段之一,其响应特征的研究是储层资料解释与评价的重要基础。\n 利用孔隙尺度岩石物理模型能够很好地表述储层NMR弛豫机制。通过蒙特卡罗模拟算法描述流体分子在孔隙空间中布朗运动,表征NMR扩散弛豫和表面弛豫现象,结合CPMG脉冲序列,模拟梯度磁场下NMR数据采集。\n 利用图像的数字处理技术对SEM岩石薄片进行数字化处理,构建孔隙尺度下的二维岩石物理模型;通过基于成岩作用的颗粒堆积方法或X射线扫描(Micro-CT)获取岩石三维孔隙空间,构建孔隙尺度下的三维岩石物理模型。基于岩石物理模型,利用蒙特卡罗随机游走算法(Random-Walk)进行NMR响应数值模拟,得到对应模型的T2分布;考察不同岩性、不同孔隙结构、不同流体组分的NMR弛豫响应特征。分析磁场梯度、表面弛豫强度、分子扩散系数和观测参数等因素对孔隙尺度多孔介质NMR弛豫响应的影响,探索微观尺度NMR的响应机理。

关键词： TO-GRAIN CONTACTS   POROUS-MEDIA   PARTICLE DEPOSITION   FLOW   TRANSPORT   FILTRATION   SURFACES   ADHESION   VISUALIZATION   MECHANISMS  

摘要： The transport of micrometer-and submicrometer-sized particles of biotic and abiotic origin through both natural and engineered porous media is relevant to a wide variety of disciplines. While the influence on colloid transport of chemical factors such as colloid and media surface chemistry and the ionic strength of the carrying fluid are fairly well understood, the role of physical factors still needs clarification from a mechanistic standpoint. Along with recent recognition that pore-scale processes may depend on the coupling of chemistry and local hydrodynamics, which in turn depends on pore topography, there is a growing need for experimental systems that enable visualization of individual colloids in pores and pore networks that contain relevant three-dimensional features. We introduce a single camera-epifluorescence microscope system to track fluorescent colloids in three dimensions using the apparent diameter of out-of-focus colloids to estimate their z-axis location. The current system, using a Plan Achromat 5x objective, enables z estimation of 4.7-mu m-diameter fluorescent microspheres across a range of 1200 mu m with accuracy of approximately 34 mu m. In addition to discussion of system limitations and potential improvements, we present results from two mini-studies illustrating the use of three-dimensional particle tracking to investigate (i) the behavior of colloids approaching orthogonally oriented grain-to-grain contacts, and (ii) the potential retention mechanisms in porous media under chemical conditions unfavorable to deposition. The ability to track individual colloids in three dimensions brings experimental capabilities closer in line with computer-modeling capabilities, setting the stage for synergistic pairing of experimental and theoretical investigations.

关键词： 饱和软土   微细观孔隙   孔隙尺度   孔隙分布特征   压缩性   渗透性  

摘要： 软土的孔隙特征及其变化规律对软土的压缩性和渗透性有重大的影响,软土孔隙特征随荷载变化规律的试验研究为揭示软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据。利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的广州番禺淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析。试验结果表明:淤泥土中介于0.4～2.5μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10μm的大孔隙和小于30nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性。在固结前期(p<200kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小;在固结后期(p>200kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓。

关键词： 格子Boltzmann方法   自然对流   多孔介质   孔隙尺度  

摘要： 基于TD2G9不可压格子Boltzmann模型，通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化，并在标准演化方程后附加源项，构造了用于模拟多孔介质内在多物理场（浓度场，温度场）下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型．基于非平衡态不可逆热力学的基本原理，引入Boussmesq假设，在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程．采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟，研究了不同瑞利数Ra，不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征，考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响，创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究．