基于CT三维重建与逆向工程技术的煤体数字模型的建立

为了建立能够表征煤体真实孔隙结构的数字模型,进而进行数值模拟研究,通过μCT225kVFCB高精度CT系统扫描得到了大柳塔煤矿长焰煤CT数据,可观测到的最小孔隙直径为1.94 μm。使用基于Matlab语言的三维重建程序结合逆向工程技术,提出了一种将煤体CT三维数据转换为CAD数字模型的方法。以Ansys建立的煤体有限元模型为例,对煤体瓦斯渗流进行了模拟,分析了煤体孔隙内的速度及压力分布规律,并计算了沿X、Y、Z方向的渗透系数。计算结果表明：在微观尺度下（< 100 μm）煤体渗透系数呈现各向异性,其受煤体结构的影响较明显。提出的基于CT三维重建结合逆向工程技术构建的煤体CAD数字模型不仅可进行有限元分析,同时也可以被EDEM等离散元分析软件所使用,拓宽了煤体CT三维数据的应用范围,丰富了煤体在微观尺度上的研究方法。     

基于微米焦点CT技术的煤岩数字岩石物理分析方法——以沁水盆地伯方3号煤为例

数字岩石物理技术既可实现煤体孔隙的三维空间表征及重构,又可模拟孔裂隙系统中流体的流动和绝对渗透率的计算。以伯方矿3号煤层为研究对象,基于微米焦点CT扫描与图像处理技术相结合,建立了真实的三维数字岩心模型;应用MATLAB编程及AVIZO软件内含的多种形态学算法,进行了数字岩心孔隙结构量化和表征,建立了等价孔隙网络模型;将AVIZO与COMSOL完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟、绝对渗透率计算,并探讨了流体运移过程中的压力场及速度场的分布。研究方法丰富了现有数字岩石物理研究手段,为微观尺度上的煤体孔隙结构及流体运移研究提供了一种新的途径。      

基于CT的数字岩心三维建模

为研究储层微观孔隙结构和建立微观渗流模型,本文通过对东营凹陷沙三中亚段H152井区的典型低渗透储层岩样进行CT（computed tomography）扫描及图像处理,建立了微观尺度的数字岩心模型;继而经过对该模型进行分析和计算,提取了储层孔喉网络模型,在三维空间上直观、清晰地显示了不同尺度的孔隙及喉道的形态、大小和分布;最后通过对孔隙结构特征、孔隙度、渗透率和压降等动静态参数的分析和计算,建立了储层岩样的微观渗流模型。根据算法对比和参数分析结果认为：与传统中值滤波相比,非局部均值滤波算法可在相似性比较的基础上进行滤波处理,从而提高模型的准确性;基于CT的数字岩心建模可为地质研究提供可靠的数字模型;根据近似等压面假设的微观渗流数值模拟分析了流体渗流特征,为揭示低渗透储层流体渗流规律提供了一种新的途径。     

不同水力荷载路径下煤体微观渗流特征及宏观破坏研究

为探究煤体在不同水力荷载路径下的微观渗流特征,通过CT三维重建技术,建立了基于煤体微观结构的双介质渗流模型,并设计了恒定速度加载（LP1）、常规脉动加载（LP2）和强加载缓卸载加载（LP3）3种水力荷载路径,进行了在不同循环荷载路径下的煤体注水渗流数值模拟试验。另外利用自行搭建的煤体注水装置,探究了3种荷载路径下的宏观损伤情况。结果表明：联通裂隙占孔裂隙结构的73.49%,是影响煤体渗流的主要因素,而孔径为9～23μm的孔隙是孤立孔隙中的主要部分,数量和体积占比均超过了50%;煤体内部孔裂隙结构和荷载路径对渗流速度和压力的分布特征具有重要影响。LP1沿注入方向平均渗流速度的波动较大,LP3则抑制效果明显,且LP3路径较LP1和LP2随时间有较大跨度。LP3的荷载路径相对于LP1具有脉动荷载的疲劳损伤效果,并且造成的损伤程度强于LP2。该研究可为煤体微观结构研究和煤层注水技术参数优化提供方向。     

上新世红土微观结构参数与渗透系数的变化关系研究

新近系上新世（N₂）红土是实现我国西北地区保水采煤和生态环境保护的关键隔水层,研究红土的微观结构有利于分析其渗透性变化的内在机理。文章利用Matlab对不同渗透系数的N2红土的SEM图像进行了预处理和二值化分割,提取孔隙轮廓,得到其孔隙大小、排列、形态和类型等微观特征,并分析了红土的灰度熵、平均孔径、扁圆度、分布分维和概率熵等孔隙微观结构参数与渗透系数之间的关系。结果表明:图像灰度熵与渗透系数之间无明显变化规律,灰度熵在0.88~0.92之间;平均孔径在2.7~3.7μm之间,渗透系数随平均孔径的增加呈指数型增加;对孔隙大小按照微孔隙（<1μm）、小孔隙（1~4μm）、中孔隙（4~16μm）、大孔隙（> 16μm） 4组进行分类,发现小孔隙的数量最多,约占总孔隙数的50%以上,中孔隙和大孔隙的面积约占总孔隙面积的80%以上,渗透系数的增大主要与中孔隙和大孔隙有关;孔隙扁圆度在0.54~0.57之间,形状系数在0.63~0.75之间,孔隙主要呈扁椭圆状,渗透系数随扁圆度的增加呈指数型缓慢减小,随形状系数的增加呈线性减小;孔隙的分布分维数在1.00~1.40之间,随着分布分维的增加,孔隙由大变小,渗透系数随之呈指数型减小;不同土样的概率熵在0.97~0.99之间,孔隙缺乏明显定向性。     

饱和细粒土固结过程的三维孔隙演化特征

孔隙作为软土的重要组成单元,在软土性质发生改变时其变化最直接、最明显。研究软土固结过程中孔隙演化特征,对于认识软土排水固结机制具有重要理论意义。本文对大亚湾饱和细粒土在梯度压力下的孔隙结构进行微纳米尺度定量分析:将圆柱形土样进行真空冷冻升华干燥,利用同步辐射显微CT获取分辨率1.625μm的二维切片,应用Avizo软件的灰度阈值截断法将二维切片重建三维结构,采用形态学算法对三维孔隙结构进行量化和表征。研究表明:自沉状态下超过90%孔隙的等效直径为4～10μm,只有少数孔隙的等效直径大于40μm;土样在100kPa压力作用后,大孔隙数量迅速减小,小孔隙数量迅速增加,表明初始状态下孔隙对压力最为敏感;大中孔隙容易被压缩消灭或被分裂为小微孔隙;随压力增加孔径变化趋于平缓,小孔隙和微孔隙占优势,孔隙的抗压能力与大小成反比。经梯度压力作用后土体从絮凝结构逐渐变成片叠结构,颗粒之间平行排斥,孔隙丰度逐渐减小,形状变得细长,方向趋于水平。本研究利用同步辐射显微CT技术结合三维可视化软件Avizo,建立具有真实孔隙结构特征的软土三维模型,从微纳米尺度分析了饱和细粒土的固结蠕变机理。     

变形对非饱和土渗透系数影响规律模拟研究

渗透系数是非饱和土渗流分析中最重要的参数。本文以概率、统计理论为基础,结合流体力学的基本方程,建立了一个能够考虑孔隙结构影响的饱和土渗透系数计算模型,而后结合Mualeum(1976)的相对渗透系数模型以及Assouline(2006)提出并验证的孔隙结构参数随变形的变化规律,模拟了变形对非饱和土渗透系数的影响,通过和试验数据以及已有的模型对比。     

五大连池玄武岩三维孔隙组构的多重分形特征

通过CT扫描,获得了黑龙江省五大连池火山群中第4层玄武岩样本的1 423张高精度图像,利用数字图像分析方法识别出了玄武岩三维孔隙组构,基于二维切片序列重构了三维孔隙柱体,计算了孔隙的基本统计参数。结合分形与多重分形技术,利用多重分形分析矩方法对三维孔隙结构作了定量研究分析。分析可知,所取玄武岩样品几何结构复杂,非均质性强。多重分形维数谱函数f(α)呈连续分布,f(α)均为不对称的上凸曲线,表明岩石孔隙分布不均匀,具有明显的多重分形特征。三维孔隙结构的多重分形分析及三维重构技术可望进一步为岩心孔隙结构的定量化研究提供微观尺度上的证据。     

不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形特征及其对渗透性的影响

煤的孔隙-裂隙结构特征是研究储层渗透性的关键问题。为了定量描述孔隙-裂隙结构的复杂程度,以黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田原生结构煤和碎裂结构煤为研究对象,基于压汞实验数据和扫描电镜（SEM）图像,采用Menger分形模型和计盒维数方法,分别计算不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形维数;同时采用不同孔径段的孔隙体积比作为权重值,计算得到孔隙综合分形维数,探讨孔隙-裂隙结构分形维数和渗透率之间的关系。研究结果表明,脆性构造变形作用对孔隙整体复杂性,裂隙孔、渗流孔复杂性以及微观裂隙复杂程度均具有积极改造作用,对吸附孔结构复杂性具有均一化作用;微观裂隙分形维数与渗透率具有较高非线性关系,脆性构造作用改造下形成的碎裂煤,其具有的孔隙-裂隙结构优势配比是决定储层高渗透性的关键。因此,建议优先考虑弱脆性变形的碎裂结构煤为主体的断层、向斜和背斜区域进行煤层气抽采。      

原生煤岩组合体界面力学效应数值模拟研究

原生煤岩组合体界面是非均质的且包含大量复杂的微观结构。为透明求解非均质煤岩界面导致的复杂物理场,采用工业CT对原生煤岩组合体试件进行了扫描试验,重构了原生煤岩组合体界面三维模型,计算了非均质煤岩界面的分形维数;基于此建立了原生煤岩组合体数值模拟模型,模拟分析了单轴压缩条件下原生煤岩组合体的应力及损伤特征,并通过煤岩组合体单轴压缩试验结果验证了数值模拟规律的可靠性。研究结果表明：原生煤岩组合体界面具有复杂的微观结构且具有分形特征,分形维数能够反映界面宏观形态;单轴压缩状态下,原生煤岩组合体中垂向应力呈非均匀分布,煤岩界面的存在会在煤体中派生水平压应力,在岩石中派生水平拉应力,煤岩界面附近水平应力呈拱形分布;原生煤岩组合体的损伤破坏主要发生在煤体中,煤体的损伤首先发生在远离界面的煤体中并逐渐向界面处扩展,界面分形维数与试件出现初始损伤对应的轴压呈正相关;由于煤岩界面压应力拱的存在导致原生煤岩组合体整体的强度高于煤体,破坏后的煤体呈拱形分布。预期研究结果对于煤岩动力灾害防治具有一定意义。     

考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透特性研究

以往的研究多是从宏观层面建立孔隙压缩敏感性与渗透率之间的关系,缺乏砂岩不同尺度孔隙结构改变对渗透率演化规律的认识。从细观孔隙层面来看,不同尺度孔隙在应力作用下闭合程度差异明显,考虑不同尺度下孔隙压缩敏感性对准确预测渗透率演化至关重要。因此,利用多场耦合核磁共振试验平台开展了砂岩渗流-应力耦合试验,获得了不同应力作用下砂岩渗透率以及孔径分布曲线的变化规律,将孔径分成大孔(>1μm)、中孔(0.1～lμm)、小孔(<0.1μm)3类,计算了砂岩不同尺度孔隙压缩系数及其转化因子,提出了考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透率计算公式。结果发现:砂岩不同尺度孔隙的压缩性差异明显,大尺度孔隙的压缩敏感性更强;考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的渗透率公式与试验值具有较好的一致性。     

低温氮吸附法判识构造煤的实验研究

煤体结构是煤与瓦斯突出防治和煤与瓦斯共采的重要地质因素之一。为了区分煤体结构在地应力作用下的破坏程度,采集了淮北矿业股份有限公司桃园煤矿8283采煤工作面煤样,基于自相似原理和实验室内对煤样的加压模拟实验,通过煤基质纳米级孔隙在低温氮吸附-解吸曲线上的响应对比分析,建立了低温氮吸附法判识煤体结构的方法,并对淮北矿业股份有限公司桃园煤矿10号煤层内1026和1035工作面煤体宏观结构及微观孔隙发育特征进行了对比研究。结果表明,煤体微观孔隙结构变化与构造煤发育程度密切相关;随着煤体破坏程度的提高,在吸附-解吸曲线上表现为吸附量明显增大,纳米级孔隙的比表面积和比孔容明显增加,平均孔径略有增加;构造煤解吸曲线上有明显的陡降点,而原生结构煤的解吸曲线不具有这个特征。     

塑性扩容梯度对孔隙介质岩体中T-H-M耦合作用的二维有限元分析

由双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型退化为单一孔隙介质模型,将其与岩体扩容梯度引入笔者所研制的二维有限元程序中,使用Mohr-Coulomb准则,计入塑性扩容对岩体孔隙率及渗透系数的影响,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和孔隙介质岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定不同扩容梯度值的5种工况,进行4年处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、正应力、塑性区、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速的变化、分布情况。结果主要显示,相比于不考虑扩容梯度的工况,考虑扩容梯度工况的正应力、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速等的分布与塑性区的分布有明显的对应关系,呈现了某种"剪切带效应";正应力量值、塑性区面积、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速等均随所取扩容梯度值的变大而增加。     

塔河油田奥陶系生物扰动碳酸盐岩储集层微观孔隙结构的数字化表征与连通性分析

塔河油田奥陶系鹰山组和一间房组发育大规模生物扰动碳酸盐岩储集层。在岩心观测和详细描述的基础上,通过岩石薄片的偏光显微镜、阴极发光显微镜观测和柱塞样品的X射线显微镜扫描与分析,实现了塔河油田奥陶系生物扰动碳酸盐岩储集层孔隙结构的数字化表征与连通性分析。结果表明:(1)由于生物扰动区潜穴充填物和围岩基质的岩石组构差异大,使这类储集层呈现极强的非均质性。(2)生物潜穴充填物主要由白云石晶体组成,白云石晶体以自形、半自形晶体为主;白云石晶间孔隙发育,孔隙体积集中于10～100μm3,喉道半径一般小于10μm,喉道长度一般小于40μm,白云石晶间孔为这类储集层的主要储集空间,围岩基质孔隙不发育。(3)生物潜穴充填物孔隙度介于7%～10%,孤立孔隙虽然数量多,但连通孔隙体积占比大,且连通孔隙拓扑结构复杂,孔隙连通性很好;通过表征单元体的尺度粗化升级分析发现,这类储集层的孔隙局部连通较好,而整体连通性相对较差。该研究真实、直观、准确刻画了生物扰动碳酸盐岩储集层微观孔隙结构特征,可为后续这类生物扰动碳酸盐岩储集层的微观渗流模拟研究提供所需的特征参数;未来将这类生物扰动碳酸盐岩储集层微观尺度上的孔隙结构数字化表征和渗流模拟结果与宏观分布规律相结合并应用到实际储集层评价中,可为这类储集层的油气资源量估算、开发方案优选、产能预测和提高采收率提供指导。     

基于接触价键的颗粒材料微观临界状态

用颗粒离散元法,分别对二维圆形、椭圆形颗粒体进行了双轴压缩数值模拟。微观尺度的变形是基于孔隙胞元和其中的变形来计算的,而单个孔隙胞元的变形通过周围颗粒的相对运动来计算。针对该方法提出了以接触价键（每个孔隙胞元的边数）来表征颗粒材料微观临界状态的理论。为了定义临界接触价键的极限值,分别讨论了摩擦系数较大、较小时的两种情况。文中给出了微观几何织构（包括接触价键、孔隙胞元的形状、孔隙比）随压缩变形的演变过程,比较了不同颗粒形状、颗粒间摩擦系数以及颗粒体的固结压力对颗粒体的微观力学性能的影响。计算结果表明,颗粒材料的微观临界状态并不是可以唯一表征的,而是受围压、摩擦系数,颗粒形状等参数的共同影响。     

生活垃圾污染粘土的微观结构与渗透特性

在建立生活垃圾污染模拟试验装置的基础上,制备了深度为22.5cm、45.0cm、67.5cm和90.0cm的污染粘土,分别通过扫描电镜(SEM)和变水头渗透试验测定了污染粘土的渗透特性和微观结构,采用MATLAB软件计算了污染粘土的微观结构参数。研究表明,粘土遭受生活垃圾污染后渗透性降低;随着污染深度的增加,污染粘土总孔隙面积、表观孔隙比和平均孔径逐渐增大,渗透系数逐渐提高;粘土孔隙逐渐由以小孔和中孔为主演化为以大孔和超大孔为主。     

基于最大球算法定量表征土体空间孔隙网络

孔隙网络控制着土体渗流、排水固结与基质吸力等重要工程性质。本文介绍了多孔介质孔隙网络最大球建模基本原理与算法。以显微CT扫描振捣干法生成的南京粉砂试样为例,采用最大球算法建立了试样三维重构模型表征单元体(REV)的空间孔隙网络球棍模型,计算得到了样品REV尺度的孔隙网络参数,统计发现,孔隙半径、喉道半径、孔隙配位数、孔隙截面形状因子、喉道截面形状因子与喉道长度等孔隙参数均近似服从正态分布,孔隙体积近似服从衰减型指数分布。孔隙与喉道半径分别分布在100μm与65μm以内,两者数学期望分别为40. 0μm与18. 0μm;配位数分布在25以内,数学期望为5. 1;孔隙与喉道截面形状因子分别分布在0. 01~0. 04与0. 01~0. 05的区间内,两者数学期望分别为0. 019与0. 033;喉道长度分布在100~800μm以内,数学期望为292. 22μm。同时发现,样品中体积小于1. 5×10^7μm^3的小孔隙数量超过90%。本方法可应用于土体细观孔隙结构的定量表征。     

注水煤体有效渗流通道结构分形特征核磁共振试验研究

为定量表征注水煤体有效渗流通道结构变化特征,基于核磁共振试验测试了注水过程中,不同围压及水压作用下煤体孔隙结构特征,并结合分形几何理论对煤体有效渗流通道结构分形特征进行了分析。结果表明:注水煤体内部孔径分布差异明显,在不同水压及围压影响下,各孔径孔隙体积占比变化明显,大孔体积变化幅度最大为13.72%,其次为过渡孔及中孔分别为8.12%和5.39%,最小的微孔为2.05%。结合T_(2C)测试结果,当孔隙半径大于270 nm时为有效渗流通道,则影响注水煤体渗流特性的孔隙结构主要集中于大孔及中孔尺度内;试验过程中,试验及理论分形维数变化较小,表明煤样在不同承压条件下,渗流通道结构均具有明显的分形特征,同时两者相反的变化趋势验证了各自表征意义的不同。     

基于高分辨率CT的孔隙型白云岩储层孔隙系统分形与多重分形研究

孔隙型白云岩储层由于孔隙类型的多样性、孔隙结构的复杂性和非均质性,需要运用新手段对其孔隙系统进行刻画和表征。综合利用高分辨率微纳米CT技术和分形与多重分形理论,通过不同孔隙类型、不同样品尺度的CT图像二维系列切片和三维数字岩心数据体研究,讨论了粒间孔、晶间孔、铸模孔等不同孔隙系统的分形与多重分形特征。结果表明,晶间孔、粒间孔、铸模孔和混合孔等孔隙在分形盒子维数上有明确的响应,二维系列切片盒子维数值的相对大小为:铸模孔粒间孔晶间孔混合孔。盒子维数与孔隙度、渗透率的数据对比表明,孔隙度可能也对盒子维数产生影响。通过对粒间孔和铸模孔样品孔隙系统在三维空间上的多重分形分析,揭示其孔隙结构标度-频率图是一条直线,为典型的幂律分布,即在不同尺度上具有标度不变性;在多重分形频谱图上是连续频谱分布,为明显的多重分形分布特征,反映了三维空间上孔隙分布的不均一性。     

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.