基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。     

植被发育斜坡土体大孔隙三维重构模型渗流场的LBM数值模拟

以云南昭通头寨植被发育斜坡土体为研究对象,结合CT扫描试验与数字图像处理技术实现了其三维大孔隙空间结构模型的重构。然后基于格子Boltzmann方法（LBM）的D3Q19模型,将固体土骨架视为渗流场边界,并设置反弹格式的边界条件模拟土骨架与水分间的相互作用,从细观角度研究了水在植被发育斜坡土体大孔隙中的渗流特性。研究结果表明：土体渗流过程中,在大孔隙纵向连通的通道内形成了优先流,且通道中的流速远超其他部位;而在封闭或者连通性差的大孔隙中导水率极小,流速几乎为0。土体中大孔隙通道内的流速由孔壁至通道中心逐渐增大,且流速与至通道中心的距离近似呈二次抛物线的分布特征。沿深度方向土体切片大孔隙率大的截面平均渗流流速Uz也较大,从整体变化趋势来看,截面大孔隙率与平均渗流流速有相似的变化规律,这充分说明植被发育斜坡土体内的大孔隙分布对土壤沿深度方向的渗流特性有重要影响。     

基于格子Boltzmann方法土体CT扫描切片细观渗流场的数值模拟

基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9基本模型,上、下边界采用非平衡外推格式,左、右不透水边界及土颗粒采用反弹格式设置边界条件,对土体细观渗流场进行数值模拟。首先将试验测得物理单位的数据转化为格子单位,然后用Matlab编制程序,对CT扫描切片进行处理,生成土体细观的数据结构,最后把格子单位表示的结果再转为物理单位,分析了渗流流速的变化规律,得到了整体和局部渗流场的分布情况。分析结果表明：（1）孔道处的流速U随着入渗时间的延长而逐渐达到一个相对稳定值,进而得到流体从开始入渗至稳定状态经历的准确时间T;（2）平均渗流速度由入口处沿y轴负方向逐渐递减,且小于入口处的平均渗流流速;（3）渗流量主要受控于通道的连通性、孔隙大小,最大渗流速度集中在通道的窄孔道处,封闭的孔道和孔隙渗流速度为0。格子Boltzmann方法能有效地对CT扫描得到的2D切片进行数值模拟,可以定量、准确地研究真实土体渗流场的变化机制。     

基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

对土体内部渗流可视化研究,透明土材料可以作为的重要研究手段之一,能实现的岩土体内部渗流直接观测研究。利用透明土技术,建立双重孔隙型介质渗流物理模型,利用有限差分软件FLAC3D建立双重孔隙型介质结构三维数值分析模型,进行测量数据和数值模拟计算对比分析。模型试验结果和模拟结果表明,基于透明体的双渗透实验能实现渗流的可视化,以及FLAC3D数值模拟结果与实验所测的流速曲线拟合良好。     

基于土体细观结构重构技术的渗流场数值模拟

真实土体的细观结构由许多个大小不一的土颗粒团组成,传统四参数随机生长法（QSGS）构建的土体结构土颗粒团比较均匀,与实际情况存在较大的差异。为弥补这一缺陷,考虑土体孔隙率及自相关函数的影响,对传统的四参数随机生长法进行改进,实现了更接近于真实土体的细观结构重构。在此基础上基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9模型,通过设置模型入口、出口边界为非平衡态外推格式,左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟重构土体细观渗流场的二维模型。同时,针对一算例编制了相应的计算程序,研究了恒定流速入渗情况下重构土体的细观渗流场。研究表明：土体的渗流方向优先选择连通性较好孔隙所形成的通道,流速受控于通道整体连通性的优劣。整体贯通型的通道流动速度较快,部分连通的孔隙中其流动速度相对较慢。即使局部孔隙空间较大,其渗流速度仍取决于是否位于贯通型通道上。     

渤中凹陷深层特低孔特低渗砂砾岩储层储集空间精细表征

利用自动矿物定量识别系统(QEMSCAN)、二维大尺寸背散射图像拼接技术(MAPS)、多尺度微米CT、铸体薄片、恒速压汞等实验技术,对渤中凹陷深层孔店组特低孔特低渗砂砾岩储层的储集空间进行了二维、三维多尺度精细表征,并系统研究了砂砾岩储层渗流能力影响因素。实验结果显示,研究区砂砾岩孔隙毫米-微米-纳米级多尺度连续分布,孔隙度相对大的储层,孔径分布范围较宽,储层粒间原生孔、粒间溶蚀孔等大孔隙占比较高,粒内溶蚀孔、晶间孔占比较低。基于三维孔喉网络模型,孔隙主要半径分布区间为1.5～60μm,喉道半径分布在0.5～8.0μm之间,孔喉连通性的分布形态有条带状、连片状、孤立状,储集性较好的储层孔喉在三维空间多为连片状,渗透率相对较差的储层孤立状的大孔较多。孔隙型储层的渗透率与孔喉形态、喉道半径、配位数等参数密切相关。裂缝明显改善了砂砾岩的物性,也为酸性流体对储层的溶蚀提供了有效通道,导致溶蚀孔隙相对发育。综合研究认为,渤中凹陷深层砂砾岩储层的渗流能力受裂缝发育程度、孔喉连通性双重控制,储层中黏土矿物和碳酸盐矿物胶结对孔隙结构、储层渗流能力有重要影响。     

原状扬州黏性土压缩特性与孔径分布

研究土体压缩特性与孔径分布的关联性是探索土体宏观微观关系的途径之一。文章以扬州黏性土为研究对象,对不同深度的原状样同时进行压缩试验和压汞试验,重点研究了初始孔隙比相近而压缩特性不同的土层的孔隙结构以及各深度土层经历加卸载后的孔隙结构变化。试验结果表明:不同深度原状扬州黏性土的孔径分布均为单峰结构,孔径大小主要分布在0. 2～5μm,其压缩特性与孔径分布密切相关,孔径分布越集中,土的压缩性越小。12,15,18 m深度土样的孔径分布范围相对其他深度的更大,小孔隙占比更高,具有更大的压缩性和更强的结构性。初始孔隙比相近的不同深度的土样因孔径分布不同其压缩性也不同。在经历一个加卸载后,各深度土样的中孔隙占比均减小,孔径分布都向小孔径孔隙方向移动,且大孔隙占比变化都不大,而12,15,18 m累计孔隙体积减小量更多,使得这三层土样的中孔隙占比减小更明显。本文为黏性土的工程特性和微观结构的关联性探究提供了参考数据。     

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。     

裂隙特征对岩石渗流特性的影响规律研究

裂隙是油气储层主要的储集空间及流体渗流通道,影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要指标。以冀中坳陷任丘油田任10井为例,运用数值模拟方法研究了裂隙开展宽度和裂隙面粗糙度对岩石渗流特性的影响规律。研究结果表明,(1)裂隙开展宽度较小时,孔隙内流体压力仅在入口处小范围内呈扇形分布,裂隙中压力分布曲线呈正切函数型,流体流速在裂隙和孔隙中都较小;随着裂缝开展宽度的增加,孔隙内流体压力逐渐增大,裂隙中压力分布曲线逐渐向直线型转变,流体流速在入口处先减小后稳定,在裂隙中先增加后稳定;(2)裂隙面粗糙度对裂隙岩石渗流特性的影响与裂隙开展宽度有关,在裂隙开展宽度较大时,裂隙面粗糙度对流体压力的分布影响较大;随着裂隙面粗糙度增大,孔隙内流速逐渐增大,而裂隙中流速逐渐减小;(3)随着裂隙开展宽度的增大,影响裂隙流体流动的主控因素逐渐由裂隙开展宽度转变为裂隙面粗糙度。     

构造应力对裂缝形成与流体流动的影响

裂缝是低渗透储层流体流动的主要通道,控制了低渗透油气藏的渗流系统。低渗透储层裂缝的形成与流体密切相关,高流体压力引起岩石内部的有效正应力下降,导致岩石剪切破裂强度下降,使岩石容易产生裂缝。高孔隙流体压力还造成某一点的应力摩尔圆向左移动,可以使其最小主应力(σ3)由压应力状态变成拉张应力状态,从而在岩石中形成拉张裂缝。裂缝的渗透性受现今应力场的影响,通常与现今应力场最大主压应力近平行分布的裂缝呈拉张状态,连通性好,开度大,渗透率高,是主渗透裂缝方向。构造应力对沉积盆地流体流动的影响主要表现在三个方面:(1)构造应力导致的岩石变形,不仅提供了流体流动的通道,而且还改变了岩石的渗透性能;(2)在构造强烈活动时期,构造应力的快速变化是流体流动的重要驱动力;(3)岩石中应力状态影响多孔介质的有效应力,从而影响介质中的渗流场。当作用在含流体介质上的构造应力发生改变时,岩石孔隙体积变小,构造应力首先由岩石的骨架来承担;当岩石孔隙体积减小到一定程度时,构造应力由孔隙流体来承担,从而影响岩层渗流场的变化。     

基于CT扫描的致密砂岩渗流特征及应力敏感性研究

认识低渗透储层的渗流特征对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,研究利用微CT扫描技术对致密砂岩岩样进行扫描,据此建立了能够精细刻画岩样的微观模型,运用COMSOL模拟了流体在岩石孔隙中的渗流特征,研究了致密砂岩的渗流特征及应力敏感性。研究结果表明:流体入口和出口间压差固定时,岩石的渗透率保持不变,与入口出口压力的具体数值无关;不同方向的岩石模型计算渗透率处在同一数量级但有微小差异;在侧向压力作用下,渗流路径变窄,通过渗流路径的整体速度下降,渗透率下降,但在孔隙相对较大的地方,由于路径变窄,流体速度较未加压力前略有上升。      

不同固结压力下强结构性黏土孔隙分布试验研究

为探讨结构性土变形的微观机制,以湛江地区结构性黏土为研究对象,对原状土和压缩试验后土样进行压汞试验,分析不同固结压力下土的孔隙分布、孔径大小以及孔隙结构特征参数的变化规律,辅以SEM图像进行孔隙形态的定性分析,并从分形理论角度对此解释与验证。结果表明,湛江黏土各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在瓶颈效应以及边-面-角的空间接触形式,其结果可能会夸大真实小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性对压缩过程中孔隙分布影响较大,当固结压力增大至结构屈服压力后,孔径为0.01～0.50 μm的孔隙组变化明显,孔隙的连通性变差,孔径分布向小孔径范围移动,孤立式孔隙增多,大、中孔隙的界限变得不明显。湛江黏土孔隙具有多重分形特征,据此确定微裂隙、粒间孔隙和孤立孔隙孔径的分界点为0.01 μm与0.50 μm,同时给出了湛江黏土的孔径界定标准。     

上海软黏土的孔径分布试验研究

为研究结构性对软黏土变形特性的影响,对上海软黏土原状样和不同制样方式得到的重塑样、泥浆样和压实样开展了压缩试验和压汞试验,确认固结压力和制样方式对软黏土的孔径大小及分布具有重要影响。试验结果表明:上海软黏土原状样的孔径分布为单峰孔径分布,孔径大小主要分布在0.01~1.00?m之间;结构性对孔径分布影响较大,随着固结压力的增大,大孔隙和中孔隙逐渐向小孔隙转化,尤其是固结压力大于结构屈服应力后,这种现象更加明显;不同制样方法得到的重塑样、泥浆样和压实样,在饱和状态下的孔径分布均为单峰孔径分布,但不同制样方式得到的土样孔径分布差别较大,压实样的孔径相对较大,泥浆样的孔径分布较为集中;随着固结压力的增大,不同制样方法在相近孔隙比下的土样孔径分布差别虽然有所减小,但仍无法达到相同或接近,即固结压力无法消除制样方式对土体孔径分布的影响。用简单表示组构的参考孔隙比对不同土样的压缩曲线进行归一化整理,得到4种土样的压缩曲线可归一化为一条相关度极高的直线,说明参考孔隙比用于简单表述土体的组构是合理、有效的。     

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。      

基于数字岩心技术研究低渗砂岩渗流特征

以传统岩石物理实验研究低孔、低渗、高复杂性孔隙结构储层的宏观岩石物理性质,不仅成本高、周期长、误差大且难以定量研究储层微观因素对岩石物理属性的影像规律。通过Micro-CT扫描与高级成像处理技术,构建与真实岩心相等价的精确代表性孔隙空间模型,利用Avizo-XLab求解器数值模拟计算以N-S为控制方程的孔隙流体流动及以达西定律计算岩石渗流参数。通过计算结果的可视化处理,以三维流线展示孔隙空间流体流动,以高度梯度图展示孔隙压力分布场,使模拟结果清晰直观。研究表明,基于数字平台仿真孔隙微流动及测量岩石渗流参数具有高可信度。该研究方式弥补了传统岩石物理实验的不足,为数字化研究岩石物理属性提供借鉴。     

基于分形理论的SWCC边界曲线滞后效应模型研究

微观土颗粒及孔隙分布的非均匀性及由此引起的瓶颈效应是造成非饱和土土-水特征曲线(SWCC)滞后效应的主要原因。引入分形理论,考虑非饱和土孔径及渗流路径的微观分形特性,提出了一个用于描述水在非饱和土中渗流的毛细管模型。模型中将非饱和土孔隙简化为一系列具有不同孔径大小的毛细弯管,其孔径大小及弯曲程度假定服从分形规律。在此基础上,推导得了非饱和土的吸湿与脱湿过程的饱和度S_e~-水头高度h来描述土-水特征曲线滞后效应的特征方程以及饱和度S_e~-相对水力传导系数Kr特征方程。与室内观测结果及已有研究的对比表明,该模型相比以往方法,可更好地模拟非饱和土土-水特征曲线的滞后效应。对非饱和土吸湿与脱湿过程滞后效应的本质进行了对比分析,揭示了滞后效应产生的根本原因在于土体中流通孔隙大小的非均匀性。     

低渗储层可动流体核磁共振研究

以低磁场核磁共振岩心分析技术为主,辅助以岩石薄片、环境电镜扫描、高分辨率CT、成像测井等常规测试手段,对国内3种不同岩性的典型低渗储层共计277块基质岩样进行可动流体评价研究,分析储层可动流体分布规律和影响因素,计算可动流体的T₂截止值和孔喉半径下限值。研究表明：低渗储层可动流体参数变化范围较宽;岩样渗透率越高,其与可动流体参数的相关性越强;低渗透砂岩储层可动流体百分数与孔隙度、渗透率之间相关性均较好,利用非线性最优化方法得到的计算值与实测值吻合很好;微裂缝的发育程度、孔径分布、粘土矿物含量及其充填程度等微观孔隙结构特征是低渗储层可动流体的主要影响因素。     

非饱和花岗岩残积土水-气两相驱替过程数值模拟

水流在非饱和土体中的入渗过程实质上是水在下渗的过程中驱替空气的两相流问题。为揭示非饱和花岗岩残积土水-气两相驱替动态渗流机理,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描图像与Level Set方法,研究了原状土样两相驱替的动态特征。结果表明:对于细观尺度水-气两相驱替模拟,Level Set法能很好地捕捉两种不混溶流体间的界面位置;水-气两相驱替过程存在大孔隙优先流特征,且“绕流”现象一般易于出现在孔隙成圆度较高处;两相渗流速度主要受孔道迂回度控制,笔直、较宽孔道,渗流速度相对较高,同时存在明显的“优势通道”,且随渗流时间增大以先急后缓的特征呈正相关变化,最大增速率为 10.77%,最小仅 1.90%;孔道横截面速度大小分布与孔隙结构有关,“回流”和“绕流”现象会使驱替速度骤降,降低幅度可达21.62%;驱替阻力最大出现在孔壁处,孔道越窄,阻力越大;驱替效率与驱替压差成正比关系,且初期加压增速效果显著,可达25.49%,后期仅为1.47%。该研究成果可丰富降雨型滑坡理论基础并预防灾害产生,具有重要的理论价值及工程意义。     

孔径分布对软黏土渗透特性的影响分析

用单向固结仪对取自不同地区的三种软黏土原状样和重塑样分别开展了固结渗透试验,得到不同土样的固结曲线和压缩曲线,推算土样在不同固结压力下的渗透系数。试验结果表明:相同应力时,土体的结构性使原状样的渗透系数明显大于相应重塑样的渗透系数,且随着固结压力的增大,两者的差距逐渐减小;原状样和重塑样的渗透系数与孔隙比的变化模式基本一致,但同一孔隙比下原状样的渗透系数大于相应的重塑样的渗透系数,比较浦东软黏土原状样和重塑样在相近孔隙比下的孔径分布曲线后确认:这是由于它们的孔径大小及分布存在明显差异引起的,且通过比较相同孔隙比下原状样和重塑样的大孔隙体积含量可合理地解释上述试验结果。最后,用简单表述土体的孔径大小及分布(土体的组构)的参考孔隙比e*10对多种软黏土的渗透指数Ck进行整理后,发现多种软黏土的原状样和重塑样均为一条相关度极高的ck-e*10直线,说明用参考孔隙比e*10可很好地反映土体的组构对软黏土渗透特性的影响。     

天然气水合物地层渗透率研究进展

天然气水合物开采涉及传热、水合物分解相变、多相渗流和地层变形4个物理过程。多相渗流过程伴随着对流传热,影响传热效率;多相渗流过程影响孔隙压力的消散速率,引起有效应力改变而影响地层变形;多相渗流过程影响传热的效率和孔隙压力的消散速率,使温度和压力条件发生变化,影响水合物的分解。多相渗流过程中,某相流体的有效渗透率不仅与该相流体的饱和度有关,还与地层绝对渗透率有关。地层绝对渗透率是多相渗流过程的关键参数之一。概述不同贮存状态水合物、地层孔隙率、水合物饱和度和地层有效应力对地层绝对渗透率影响的研究内容。以国内外天然气水合物地层绝对渗透率研究成果为基础,将来的研究重点主要包括粉细砂、黏土类地层和各向异性地层多相渗流研究,以及地层有效应力对绝对渗透率影响研究。