多孔介质中溶质有效扩散系数预测的分形模型

依据分形理论和方法,探索溶质在多孔介质中的有效扩散系数的替代预测方法。在多孔介质溶质扩散的弯曲毛细管束模型的基础上,以分形维数作为介质的基本几何特性参数,建立了多孔介质中溶质扩散的分形毛细管束模型,推导出了溶质有效扩散系数与介质孔隙度之间的幂定律关系式,幂指数是介质孔隙分维和表面分维的函数,反映了介质孔隙体积的层次分布与孔隙通道曲折程度对扩散的影响。对粘性土的分形维数测定数据和有效扩散系数试验测定数据的分析表明,利用该关系式预测多孔介质中溶质的有效扩散系数是较为准确可靠的。     

松散砂粒孔隙结构、孔隙分形特征及渗透率研究

多孔介质孔隙结构特征是决定流体微观运移机制的重要方面。文章用环氧树脂固结松散石英砂磨制出二维多孔介质薄片,并用孔隙结构图像处理方法提取出孔隙结构参数信息;根据孔隙结构参数,建立描述孔隙结构的分形几何模型,分析松散地层孔隙结构的分形特征;进行多孔介质渗透率的实验测量和分形计算。结果表明:多孔介质的孔隙率和孔径与粒径之间存在线性相关性,拟合度分别达到-0.976 5和0.996 6;在方格边长ε和含有孔隙的格子总数N(ε)的双对数坐标系中,lnε-lnN(ε)数据点近似成直线,且不同样品的孔隙分布分维数值比较接近;而在孔径r与大于该孔径的孔隙总数N(r)的双对数坐标系中,lnr-lnN(r)的数据点必须进行分段回归分析,以便能更好地反映孔隙结构的实际情况;孔隙分布分维数和孔径分维数与粒径也存在较高的对应关系;中砂渗透率的实验测得值是5.19×10-5mm2,孔径分维数分段回归法计算的大孔隙多孔介质渗透率为5.75×10-5mm2,测量值与计算值较为接近,孔径分维数可以计算多孔介质的渗透率。     

多孔介质渗透率的分形描述

针对土壤、岩石等多孔介质结构的复杂性,从其结构形成的物理机制和达西定律出发,利用分形几何理论,将土壤等作为在统计意义上具有分形特征的多孔介质来研究其水力参数与结构之间的关系,建立了饱和多孔介质渗透率与其分维数之间的定量化的函数式。试验应用扫描电镜法研究了多孔介质断面微结构并算出分维数。试验结果表明:利用该模型预测的多孔介质渗透率与实测值基本吻合,能够比较精确地预测多孔介质水力参数。     

多尺度多孔介质有效气体输运参数的分形特征

非常规油气资源的孔隙结构及其连通性非常复杂,其孔隙尺度从毫米到纳米跨越多个量级.多孔介质中气体的输运过程不仅依赖于介质的多尺度微观结构特征,还依赖于气体的相关属性.气体在多尺度多孔介质中的输运过程包括无滑流、滑脱流和过渡流,涉及分子扩散和努森扩散等多种机制,因此很难用唯一的连续介质理论来描述气体的输运特征.大量的数据表明真实多孔介质中的内部孔隙具有分形标度特征,因此采用分形几何表征多尺度多孔介质的孔隙结构,引入孔隙分形维数和迂曲度分形维数定量表征多孔介质的微结构和弯曲流道,建立多尺度多孔介质气体输运过程的细观模型;推导了多尺度多孔介质中气体的有效渗透率和有效扩散系数,并讨论了多尺度多孔介质微结构参数和气体属性对于气体等效输运特性的定量影响.该研究不仅可以丰富渗流理论,且有利于深入理解非常规油气藏的产出机制.      

基于分形理论探究砂岩最小孔隙半径的最优区间

渗透率是评价多孔介质导水性能的主要参数,是导水介质微观孔隙结构在宏观上的表现特征。通过扫描电镜实验和图像处理技术,统计出砂岩微观孔隙几何参数,并结合分形理论探究了砂岩微观孔隙结构对渗透率的影响。同时,以实测渗透率为约束条件,确定了对渗流起作用的最小孔隙半径r_min区间,该区间可作为渗透率预测时最小孔隙半径r_min的最优取值区间,并获取了与之对应的孔隙半径累积百分数区间。结果表明:砂岩最小孔隙半径r_min的取值对渗透率影响较大,随着砂岩最小孔隙半径r_min取值的增大,其渗透率先急剧下降,后渐渐地趋于稳定,并伴有上升趋势。在致密砂岩中,理论渗透率与实测渗透率相等时,对应的最小孔隙半径r_min落在孔隙半径累积百分数为15%~25%内,该孔隙半径累积百分数区间对应的孔隙半径区间可作为计算砂岩理论渗透率时最小孔隙半径r_min的最优取值区间,并且随着砂岩渗透率的增大,最小孔隙半径r_min对应下的孔隙半径累积百分数逐渐增加。      

毛细管渗流模型在黄土渗透性中的应用探讨

黄土作为一种典型的多孔介质,多孔性是其重要特性之一。多孔性不仅影响着黄土的物理力学及化学特征,也严重影响着黄土的水理性质,特别是黄土的渗透特性。然而,作为多孔介质渗流理论的经典模型——毛细管模型,已经广泛应用于油气田开采、煤成气开采以及岩土工程等领域,但将多孔介质渗流理论模型引入表征黄土的多孔构造,这方面的资料尚欠缺。因此,本文以黄土的渗透性作为研究示例,在总结分析目前相对较为成功的多孔介质毛细管渗流模型的基础上,选取适于定量表征黄土渗透性的渗流模型,结合计算结果和渗透试验结果的对比,探讨将多孔介质毛细管渗流模型引入描述黄土渗透性这一方法的适用性。并提出孔隙的“香肠”构造（或称为“莲藕”构造）,为黄土的渗透性研究提供可借鉴的理论依据。     

基于孔隙网络模型的非水溶相液体运移实验研究进展

进行多孔介质中非水溶相液体（Non Aqueous Phase Liquids，NAPLs）运移的微观机理研究，微观孔隙网络模型实验是目前应用比较广泛且行之有效的方法。通过网络模型实验，获得对NAPLs在多孔介质中运移更深入的认识。从多孔介质孔隙结构测量、孔隙网络模型制作、NAPLs运移网络模型实验和数值模拟4个方面评述了该方向的研究进展，结果显示测量孔隙结构方法、图像刻蚀技术、可视化测量实验数据方法等有力地促进了本实验研究的发展。分析了孔隙网络模型实验存在的问题以及未来的发展趋势，对开展孔隙网络模型实验研究有一定的启发作用。     

基于多孔介质弹性理论的碳酸盐岩地层超压预测

碳酸盐岩地层超压预测目前仍然是国内外研究的难点问题。碎屑岩超压预测方法均是建立在明显的超压测井、地震宏观响应规律基础上的经验关系,这些经验性方法不适用于因岩性致密使得超压地球物理响应微弱的碳酸盐岩地层。通过碳酸盐岩样品超压岩石物理模拟实验,分析了在应力-孔隙压力共同作用下岩石中声波速度、弹性参数的变化规律;基于多孔介质弹性理论和广义胡克定律推导并建立了表征孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的理论模型,即多孔介质弹性理论的超压预测量化模型。以川东北地区典型碳酸盐岩超压钻井为例,开展了碳酸盐岩地层超压预测应用研究:针对碳酸盐岩地层选择油气水测井综合解释模型获取岩石物性参数;利用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型计算岩石基质体积模量,利用Wood模型和Patchy模型计算孔隙流体体积模量,利用BISQ模型计算岩石骨架体积模量,然后通过多孔介质弹性理论量化模型预测超压。预测结果显示预测压力与钻杆实测压力(DST)吻合较好,与泥浆密度换算压力和随钻监测压力变化趋势相近,表明这种基于多孔介质弹性理论的超压预测量化模型是一种解决碳酸盐岩地层超压预测的新途径。     

基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究

在充分分析国内外多孔介质有效应力研究基础上,针对石油工程中深层岩石复杂结构特征,应用分形几何理论,分别建立了深层多孔介质岩石有效应力的二维和三维分形计算模型。该模型能反应任意孔隙结构下的应力作用关系,是现有相关有效应力模型的补充和完善。为了现场应用方便,进一步给出多孔介质有效应力分形模型的简化式。实例计算表明,应用简化式计算的有效应力值误差在7％以内,可以满足油田现场的要求,并且应用简化式有利于应用测井数据获得连续的有效应力剖面。     

多孔介质水油两相系统相对渗透率与饱和度关系试验研究

相对渗透率和饱和度定量关系是多孔介质多相流动系统中重要的动力学参数关系。使用设计的试验装置及试验方法测定了一维砂柱中油水两相动态流动系统的相对渗透率及饱和度数据,由试验结果分析表明:所测得的相对渗透率与实际情况吻合较好;细砂的强亲水性对不同先湿条件下的油、水相相对渗透率及饱和度有较大影响,并造成了不同先湿条件下流体间驱替机制的差异;相饱和度是影响相对渗透率的主要因素,孔隙空间中两种流体的分布方式和流体的饱和历史也影响各相相对渗透率。对试验结果用VGM模型(Parker-Lenhard模型)进行拟合所得结果较好;在水先湿条件下,将van公式拟合毛细压力-饱和度数据所得拟合参数用于VGM模型预测相对渗透率-饱和度曲线,所得结果与VGM模型直接拟合所得结果有差异,但两者所得结果均较好。     

基于机器学习和测井数据的碳酸盐岩孔隙度与渗透率预测

准确预测碳酸盐岩储层孔隙度和渗透率对于碳酸盐岩油气藏储层评价具有重要意义。碳酸盐岩储层裂缝与溶孔广泛发育,基于经验公式从测井曲线预测储层孔隙度和渗透率具有较大误差。以中东某碳酸盐岩油藏为研究对象,选取914块取心井岩心,测定孔隙度与渗透率,利用随机森林（RF）、K-近邻（KNN）、支持向量机（SVM）和长短期记忆网络（LSTM）4种不同机器学习方法,通过测井数据进行孔隙度与渗透率预测,优化机器学习参数,筛选出适用于碳酸盐岩油藏的测井孔隙度与渗透率预测方法。研究结果表明：4种机器学习方法预测储层孔隙度结果差异不大,通过调整输入参数种类,可进一步提高孔隙度与渗透率预测效果,当以补偿中子（NPHI）、岩性密度（RHOB）和声波时差（DT）3种测井参数数据作为输入时,基于LSTM的储层孔隙度预测精度最高,孔隙度预测结果均方根误差（RMSE）为4.536 2;由于碳酸盐岩储层的强非均质性,基于机器学习的测井储层渗透率预测效果较差,相对而言,仅以NPHI作为机器学习输入参数时,基于RF的储层渗透率预测精度最高,渗透率预测结果的RMSE为45.882 3。     

基于数字岩心分形特征的渗透率预测方法

基于数字岩心技术,对岩心CT扫描图像进行处理,结合分形理论求取数字岩心的分形特征参数并通过构建数字岩心的等效分形介质模型对岩心渗透率进行预测。首先对两块砂岩岩心进行了微米CT扫描,提取岩心孔隙网络模型,分析岩心孔隙结构特征,结果表明岩心的孔喉半径分布与孔喉配位数分布对岩心渗透率有一定影响;其次利用MATLAB、Image J等软件对CT扫描得到的数字岩心及帝国理工学院网站公开的数字岩心进行处理,基于分形理论求取数字岩心分形维数、迂曲度、迂曲度分形维数和最大孔隙直径等参数;最后基于分形渗透率模型对岩心渗透率进行预测。结果表明：预测渗透率与岩心渗透率具有良好的相关性,相关系数大于0.97。因此,基于数字岩心技术,通过构建数字岩心等效分形介质模型,可以有效预测岩心渗透率。     

分形多孔介质孔隙微结构参数与渗透率的分维关系

根据分形几何理论的基本概念,就无序分形多孔介质孔隙率φ和渗透率K与多孔介质结构分数维数Df的关系进行了推导,利用Sierpinski固相分形体(Solid mass fractal)与孔相分形体(Pore mass fractal)概念对分形多孔介质微结构特征、孔隙累积数量-尺寸分布和孔隙率φ等参数及其物理关系给予了详细论述,定量地分析和讨论了基于不同模型的渗透率-分形维数关系与它们的差异.     

有效压力对低渗透多孔介质孔隙度、渗透率的影响

以低渗透多孔介质为研究对象,通过实验得出孔隙度、渗透率随有效压力变化曲线。研究表明,流体在低渗透多孔介质中渗流时,流固耦合效应十分显著。这是因为低渗透多孔介质的孔隙很小,而孔隙度的微小变化,都会对渗透率产生大的影响,因此低渗透介质随有效应力的变化十分明显。由于流固耦合效应的存在,在低渗透油气藏的开发中,不宜采用降压开采,进行油藏数值模拟时,也应进行油藏流固耦合数值模拟。      

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10^-13m²）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

多孔介质非饱和导水率预测的分形模型

多孔介质非饱和导水率是地下水污染预测与评价的重要参数。根据分形几何的基本原理和方法,推导出了与Campbell经验公式在形式上完全一致的多孔介质非饱和导水率的预测公式。公式中的幂指数为介质孔隙分维和随机行走分维的函数,分别体现了多孔介质的静态性质与动态性质对其中水分运动的影响,但静态性质的影响是主要的,即导水率主要受多孔介质的结构控制。根据文献中报道的大量数据,利用笔者推导的预测公式计算得到的幂指数的统计值与试验测定的幂指数的统计值基本一致,说明推导的理论公式预测多孔介质非饱和导水率是较为可靠的。     

孔隙介质的渗透特性初探

孔隙的存在是岩土类介质材料结构的本质特征,它不但改变了岩土体的力学特性,而且严重影响着岩土体的渗透特性。大多数经典的渗流理论中,多孔介质模型都假定孔隙率和渗透系数是与时间无关的材料常数。实际上由于淘涮、侵蚀、冲刷等原因,它们是随时间和坐标变化的,同时又与孔隙中的压力、流速等因素有关。基于孔隙率和损伤变量之间的定量关系,从连续损伤力学的角度对多孔介质岩土材料的渗流力学特性进行了研究。首先,对传统的达西定律形式进行修正,提出了孔隙介质完备有效的达西定律（模型）;然后,对该模型中渗透参数的特性进行了讨论和分析,得出了一些有益的结论。     

多孔介质油水两相k~s~p关系数学模型的实验研究

数学模型是研究相对渗透率与饱和度关系曲线的重要方法。采用自行开发设计的人工平面多孔介质模型,测定了相对渗透率与饱和度的关系曲线。多孔介质选择粒径为0.5~1mm、1~2mm的标准砂,纯净的水为湿润相,用3号苏丹红染色的93#汽油为非湿润相,组成多孔介质油水两相流动系统。采用Van Genuchten and Mualeum(VGM)和Brooks-Corey-Burdine(BCB)两种数学模型计算相对渗透率与饱和度的关系曲线,通过比较两种数学模型计算结果之间和模型计算结果与实测结果的差异以及模型的应用、多相渗流系统自身特征,得出VGM、BCB两种数学模型计算结果符合实际情况,VGM模型应用过程更为简便,但VGM模型具有一定适用条件;在砂性多孔介质中,BCB模型计算相对渗透率与饱和度关系曲线更准确。     

非均匀多孔介质等效渗透率的普适表达式

多孔介质渗流是普遍的物理过程,涉及地下工程、地热开采、环境工程等各行各业,尤其是工程建设,常面临防渗问题。由于地质条件的复杂性,工程区域地层受到成岩、压实、风化、生物作用等各种影响,故渗流性质复杂,常需要对建设区域的渗流状况进行数值模拟,从而为工程的设计施工提供决策依据。数值仿真结果依赖于对地层介质关键参数的选取,但目前工程多将其视为均匀介质处理,对于介质的非均匀特性考虑较少。文章旨在研究非均质多孔介质渗透率空间分布与等效渗透率的关系。基于连续介质假定、达西定律以及非均匀多孔介质渗透率空间分布函数,建立一维到三维的达西渗流问题模型,通过求解偏微分方程和理论推导,得到基于渗透率空间分布函数的等效渗透率理论表达式,并与有限元计算的数值解进行对比分析,结果表明理论值和数值解误差很小,证明等效渗透率的表达式的合理性。利用该成果可通过多点局部渗透率的测定构建渗透率空间分布函数,从而对整体渗流区域的渗透性质进行快速计算和评估,从而简化异常复杂的工程地质模型以减少计算量需求,对于工程仿真的快速计算和结果评估有重要意义。