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。     

黏土微观孔隙结构对可溶性污染物运移的影响

多孔介质的微观结构对可溶性污染物的运移具有重要影响。文章利用随机生长四参数生成法(Quartet Structure Generation Set, QSGS),构造具有各向异性孔隙结构的黏土多孔介质,且其固相颗粒具有随机性的粗糙表面。通过Stokes方程与对流扩散方程（ADE）耦合计算得到微观孔隙结构的非均匀水流场与浓度场。对黏土微观结构的非均匀水流场和浓度场进行分析,研究不同截面位置上水流分布情况,在脉冲注入的条件下讨论黏土微观结构对于可溶性污染物运移的影响。结果表明:具有随机性的黏土微观孔隙结构是导致水流场水流速度分布不均匀的主要因素;黏土中微小空隙或死端孔隙往往容易残留高浓度污染物,造成污染穿透曲线的“托尾”现象,也是污染后期的主要污染残留位置。     

基于微观随机网络模拟法建立的储层孔隙结构模型

以张天渠油田为例,应用微观随机网络模拟法获得毛细管压力曲线和微观孔隙结构参数.基于渗流理论建立的微观随机网络模型,能方便快捷地构建出储层孔隙结构特征和润湿性特征,较好地表征多孔介质的微观静态特性,是一种获取渗流参数的有效方法,该方法可为油藏数值模拟提供可靠依据.     

多孔介质粒径变异系数对污染物运移的影响

多孔介质污染物运移对于明晰地下水污染很重要,但在多孔介质中粒径变异系数(coefficientofvariation,COV)对内部微观孔隙结构中污染物运移过程影响的研究还存在不足.为此,基于随机算法,提出了一种不同COV且孔隙度一致的多孔介质几何模型构建方法,通过对Navier-Stokes(N-S)方程和对流-扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)进行耦合求解得到多孔介质地下水流场及污染物浓度场,引入克里斯琴森均匀系数,定量评价流场流速分布的均匀性,基于MIM(mobile and immobile)模型和ADE模型分析耦合求解得到的穿透曲线特征.结果表明：随着粒径COV的增大,流场流速分布的不均性增强,MIM模型中的溶质流动区域占比β、无量纲传质率α^*均增大;MIM模型拟合优度高于ADE模型,且随COV增大,ADE模型的拟合全局误差Ei逐步增大.总体上,粒径COV控制了溶质流动区域和非流动区域的大小及其之间的溶质交换强度,造成了多孔介质内部溶质运移的“非费克”行为,使得ADE模型的误差逐步增大,对于较大COV的多孔介...     

多孔介质中非水相流体运移的数值模拟

针对多孔介质中水、气和非水相流体(NAPLs)的多相流动特点,建立了非水相流体(NAPLs)污染物迁移模型,分析了非水相流体在土壤非饱和区和地下水系统中的运移规律。通过有限元数值解对轻非水相流体和重非水相流体在土壤系统中的迁移过程进行模拟,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。计算结果表明,数值模拟方法能够合理地描述非水相流体的运移过程和污染特征。土体渗透性和污染物残余饱和度是其重要影响因素。     

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。     

多孔介质渗流力学理论研究现状及发展趋势

多孔介质广泛存在于地下岩土结构、工程材料、生物体中,由于多孔介质微结构的复杂性,多孔介质渗流问题受到广泛关注。总结介绍了多孔介质渗流理论在国内外的研究现状,对多孔介质的描述、渗流问题的研究方法以及多孔介质中溶质运移、热量运移以及数值模型等方面的研究进展作了评述,并就多孔介质渗流理论在环境、农业、生态等领域的应用与发展方向提出看法。     

介质润湿性和非均质性对重非水相运移影响孔隙尺度机制研究

重非水相（DNAPLs）是地下水常见的有机污染物,理解其运移机制对于污染物修复具有重要意义。为解释实验中多孔介质润湿性对DNAPL的流动速度及残余饱和度的影响,使用多相流相场法,在构造的二维孔隙中模拟DNAPL液滴的下落过程。结果表明：模拟能准确刻画多相流界面的不稳定性,重现与实验室尺度相似的现象。文章提出的双界面模型相较于以往的微观模型能够更好的解释介质润湿性对DNAPL运移的影响。DNAPL的下落速度受前后界面共同影响,而饱和度主要由后界面决定。同时,润湿性对运移的影响大小受制于多孔介质的非均质性。     

砂岩孔隙介质内天然气运移的微观物理模拟实验研究

采用真实的砂岩微观模型,通过与实际地质状况较为相似条件下的气驱水运移实验模拟天然气在砂岩孔隙内的二次运移,直接观察了天然气在砂岩孔隙、喉道内运移的过程和特征,在此基础上,分析和探讨了真实砂岩孔隙介质中天然气的微观运移机理。研究发现,天然气运移路径的形态通常迂回曲折,表现复杂的分支状特征,而且气体只沿毛细管阻力最小的运移路径向前运移;受真实砂岩孔隙结构的非均质性和运移动力变化的影响,天然气运移的速率不均一,呈现出跳跃式的运移方式;在孔喉比相差较大的亲水介质中,气体的卡断现象较为普遍,卡断增加了气体运移的阻力,对天然气运移十分不利;外界突发性的振动能够增加天然气运移的有效性。     

多孔介质中水气交替注入微观渗流模拟

针对水气交替注入(water-alternating-gas,WAG)过程中,油气水三相渗流的微观机理认识不足和油气水三相流体在多孔介质中分布规律认识不准确等问题,基于三维孔隙网络模型,应用孔隙级模拟方法,从微观角度模拟了不同润湿性多孔介质中的WAG驱替过程.结果表明:连通性较好的多孔介质中,原油主要在前两轮的WAG循环中被驱替出来;在前两轮WAG驱替之后,流体饱和度和分布规律达到比较稳定的状态,但在完全水湿模型中油相仍然在多孔介质中流动.得出的WAG驱替过程中各相流体饱和度的变化规律、各相流体分布规律和驱替类型,较好地阐述和解释了多孔介质中的微观驱替机理.     

Using pore-solid fractal dimension to estimate residual LNAPLs saturation in sandy aquifers: A column experiment

The“tailing”effect caused by residual non-aqueous phase liquids(NAPLs)in porous aquifers is one of the frontiers in pollution hydrogeology research.Based on the current knowledge that the residual NAPLs is mainly controlled by the pore structure of soil,this study established a method for evaluating the residual saturation of NAPLs by investigating the fractal dimension of porous media.In this study,the soil column experiments of residual light NAPLs(LNAPLs)in sandy aquifer with different ratios of sands and soil were carried out,and the correlation between the fractal dimension of the medium,the residual of LNAPLs and the soil structure parameters are statistically analyzed,and its formation mechanism and main control factors are discussed.The results show that:Under our experimental condition:(1)the fractal dimension of the medium has a positive correlation with the residual saturation of NAPLs generally,and the optimal fitting function can be described by a quadratic model:S_R=192.02 D2-890.73 D+1040.8;(2)the dominant formation mechanism is:Smaller pores in the medium is related to larger fractal dimension,which leads to higher residual saturation of NAPLs;stronger heterogeneity of the medium is related to larger fractal dimension,which also leads to higher residual saturation of NAPLs;(3)the micro capillary pores characterized by fine sand are the main controlling factors of the formation mechanism.It is concluded that both the theory and the method of using fractal dimension of the medium to evaluate the residual saturation of NAPLs are feasible.This study provides a new perspective for the research of“tailing”effect of NAPLs in porous media aquifer.     

Numerical simulation of NAPL flow in the subsurface

A three-dimensional, three-phase numerical model is presented for simulating the movement of immiscible fluids, including nonaqueous-phase liquids (NAPLs), through porous media. The model is designed to simulate soil flume experiments and for practical application to a wide variety of contamination scenarios involving light or dense NAPLs in heterogeneous subsurface systems. The model is derived for the three-phase flow of water, NAPL, and air in porous media. The basic governing equations are based upon the mass conservation of the constitutents within the phases. The descretization chosen to transform the governing equations into the approximating equations, although logically regular, is very general. The approximating equations are a set of simultaneous coupled nonlinear equations which are solved by the Newton-Raphson method. The linear system solutions needed for the Newton-Raphson method are obtained using a matrix of preconditioner/accelerator iterative methods. Because of the special way the governing equations are implemented, the model is capable of simulating many of the phenomena considered necessary for the sucessful simulation of field problems including entry pressure phenomena, entrapment, and preferential flow paths. The model is verified by comparing it with several exact analytic test solutions and three soil flume experiments involving the introduction and movement of light nonaqueous-phase liquid (LNAPL) or dense nonaqueous-phase liquid (DNAPL) in heterogeneous sand containing a watertable. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Upscaling polydispersed particle transport in porous media using pore network model

Understanding particle transport in porous media is critical in the sustainability of many geotechnical and geoenvironmental infrastructure. To date, the determination of the first-order rate coefficients in the advection–dispersion equation for simulating attachment and detachment of particles in saturated porous media typically has been relied on the result of laboratory-scale experiments. However, to determine attachment and detachment coefficients under varied hydraulic and geochemical variables, this method requires a large experimental matrix because each test provides only one set of attachment and detachment coefficients. The work performed in this study developed a framework to upscale the results obtained in pore-scale modeling to the continuum scale through the use of a pore network model. The developed pore network model incorporated variables of mean particle size, the standard deviation of particle size distribution, and interparticle forces between particles and sand grains. The obtained retention profiles using the pore network model were converted into attachment coefficients in the advection–dispersion equation for long-term and large-scale simulation. Additionally, by tracking individual particles during and after the simulation, the pore network model introduced in this study can also be employed for modeling the clogging phenomenon, as well as fundamental investigation of the impact of particle size distribution on particle retention in the sand medium.

     

Computation of large-scale parameters for dispersion in fissured porous medium using finite-volume method

In this work, we are interested in solute transport in fissured porous media. The medium is considered as a special case of a two-region system, and a two-equation model previously obtained from a volume averaging technique is used to derive large-scale dispersion coefficients. These coefficients are obtained as solutions of a set of closure problems and the main objective of this work is to present an efficient method to solve these closure problems. The method makes use of an unstructured grid and special techniques to take into account the fissure network. Results are compared with other existing methods on simple fissured media. Finally, the technique is applied to a complex structure.     

基于多尺度X-CT成像的数字岩心技术在碳酸盐岩储层微观孔隙结构研究中的应用

为了更加直观、准确地刻画碳酸盐岩储集层的微观孔隙结构特征,分别选取裂缝发育的双孔介质碳酸盐岩储层样品与裂缝不发育的单介质碳酸盐岩储层样品,利用多尺度X-CT扫描成像技术建立不同级别的三维数字岩心,应用最大球算法与孔喉尺寸校正方法,提取并建立碳酸盐储层纳米级数字岩心孔隙网络模型,最后实现利用三维孔隙网络模型模拟储层物性参数、进汞曲线以及孔、喉分布曲线,并与常规高压压汞法结果进行平行对比。研究结果表明:利用数字岩心技术模拟得到的孔隙度、渗透率参数与实际测量结果相差较小;模拟得到的进汞曲线、孔喉分布曲线与室内压汞实验得到的曲线具有较高的一致性,数字岩心得到的模拟结果具有较高的可信度。数字岩心技术在碳酸盐储层微观孔隙结构的直观刻画与定量描述方面,具有明显优势。     

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。     

裂隙岩体高压压水试验水-岩耦合过程数值模拟

为了解高压水渗流作用对裂隙岩体应力和变形的影响,结合黑麋峰抽水蓄能电站岩体高压压水试验的渗压及变形测试成果,采用多孔连续介质全耦合理论,研究了试验区岩体测点在压水孔加压和卸压过程中的孔隙压力和位移变化过程。通过对测点位移和渗压随时间变化过程的计算值和实测值对比研究,验证了所采用的水-岩耦合数值模型的合理性。研究表明：在压水孔内的水压力和岩体孔隙压力的共同作用下,岩体内的应力大幅度增加;压水过程中,岩体因渗流作用产生了较大的位移,停止压水后的一段时间内,由于岩体中还存在一定的孔隙水压力和水压力梯度,从而导致岩体内仍存在部分变形值,且该部分变形值并非是压水孔卸载后岩体内的塑性残余变形;高压水渗流作用下的岩体耦合效应对工程应力和围岩变形有重大影响,考虑水-岩耦合效应的岩体稳定性评价结果对工程设计更具指导意义     

基于岩土材料层析成像的孔隙网络构建算法

孔隙网络模型是研究多孔介质和其中颗粒的关键。现有的构建孔隙网络模型的算法有许多,但人们开始越来越多地研究基于图像的算法。将讨论一种基于中轴线的孔隙网络构建算法,并且对原有算法中孔隙中心表示方法不合理及缺少中轴线上各点坐标的问题提出改进,改进后的算法提出了孔隙中心的另一种表示方法,并且中轴线上任一点的坐标都被标出。在构建孔隙网络模型后利用该模型计算孔隙体积和喉径,并且针对过度分割的问题提出基于欧氏距离及基于分水岭算法的两种融合算法对孔隙和孔喉进行融合。