岩土材料导热系数与孔隙率关系的数值模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了岩土材料的导热系数与孔隙率之间的非线性关系。有限元模型中的固体骨架和孔隙根据孔隙率的大小随机生成,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的热流密度分布和稳态热传导傅立叶定律,计算在不同孔隙率条件下的等效导热系数。研究表明,岩土材料模型等效导热系数随着孔隙的增加而减小;并且当孔隙率大于逾渗值后,等效导热系数的减小梯度明显降低;含孔隙岩土材料的热传导特性与渗流一样具有逾渗特性。     

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.     

陆相页岩热演化过程中孔隙分形特征

分形维数可定量表征储层孔隙结构的复杂性,为页岩储层评价提供思路。以热模拟获得的不同热演化阶段的鄂尔多斯盆地长7段页岩为研究对象,应用场发射扫描电镜观察了各演化阶段孔隙变化特征,并通过低温液氮吸附实验,研究各个演化阶段页岩孔隙分形特征,运用FHH模型计算页岩孔隙分形维数,探讨了分形维数与有机碳、矿物成分、孔隙结构参数的关系。研究结果表明:低成熟阶段页岩中纳米级有机质孔发育有限,随着成熟度的增加,在有机质内部开始逐渐发育孔隙,同时黏土矿物颗粒间的有机质也开始分解,出现纳米级层间孔,主要发育墨水瓶状孔和少部分的平行板状孔;孔径峰值主要在2~4 nm和40~50 nm,随着成熟度增加,上述2个孔径段的孔隙相对数量增加,分形维数依次增大,分形维数为2.592~2.717,孔隙非均质性增强。分形维数随着有机碳含量的减少而增加,而与石英、黏土矿物含量相关性不明显;随着成熟度增加,微孔和中孔比例增加,平均孔径减小,孔隙表面越复杂,比表面积和分形维数增加;分形维数与总孔隙体积、微孔体积、中孔体积具有很好的正相关性,而与大孔体积相关性较差。      

基于连续分形理论的土壤非饱和水力传导度的研究

土壤的孔隙是具有连续分形性质的物理结构,根据土壤孔隙分形结构建立了非饱和水力传导度模型。模型包括综合系数、分形维数和临界体积比3个参数,综合系数为不同土壤基质势对应的非饱和水力传导度与饱和传导度之间的水力联系,与土壤质地有关;分形维数反映土壤孔隙结构对于非饱和水力传导度的作用,土壤不同尺寸孔隙之间的连通性则通过临界体积加以描述。模型具有较为明确的物理解释。将模型应用于5种不同土壤的结果表明,所提出的非饱和水力传导度模型具有较好的模拟效果。     

简化线热源对ATRT计算土体导热系数的影响——数值模拟研究

不同深度土体的导热系数是精细评价浅层地热能的关键参数,基于内加热光缆的热响应测试(ATRT)是获取原位土体分布式导热系数的有效方式之一.利用有限元数值模拟软件ComsolMultiphysics,建立了二维有限元多孔介质传热模型,探究了U型布设内加热光缆条件下内加热光缆间距对实施ATRT计算导热系数的影响.结果 表明:...     

岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。     

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.      

基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究

为了得到冻融作用对黄土孔径分布的影响规律, 以重塑黄土为研究对象, 利用压汞法测试经历不同冻融循环次数后黄土样品的孔隙特征, 采用3种分形模型对冻融作用后的黄土微观孔隙结构进行定量表征和对比研究。结果表明： 未经冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈单峰分布, 经历冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈双峰甚至多峰分布。冻融作用对黄土中孔径分布在0.1 ~ 10 μm范围内的孔隙影响较大。前10次冻融作用使黄土孔隙率增加, 特别是经历6次冻融作用后, 与未经历冻融作用的黄土相比孔隙率增大约18.8％。随着冻融作用的继续, 黄土孔隙率减小且趋于稳定。经历不同冻融循环次数后的黄土孔隙分布均具有良好的统计分形特性。基于热力学模型和毛细管压力曲线法表征黄土孔隙结构时, 黄土孔隙呈现显著的分形特性, 可在整个孔径尺度范围内给出唯一且合理的分形维数。基于Menger海绵模型表征的经历冻融作用后黄土孔隙分形特征呈现多尺度分形, 在不同的尺度范围内, 有不同的分形维数。结合分形理论可知冻融作用改变了黄土孔隙均匀性及复杂程度。     

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。     

基于细观均匀化的膨润土有效热传导特性研究

基于均匀化方法和椭球夹杂问题基本解给出了非饱和岩土体的有效热传导特性模型。该模型可以考虑夹杂形态、体积分数和空间分布及夹杂间相互作用对有效热传导特性的影响,反映了由于非均匀夹杂引起有效热传导张量的各向异性特性。讨论了夹杂宽高比以及夹杂与基质热传导系数比对有效热传导张量各向异性系数的影响。将岩土体看作固体基质和孔隙夹杂构成的非均匀材料,探讨了岩土体有效热传导系数随孔隙形态、孔隙率和饱和度的变化规律。最后,应用上述模型对高庙子膨润土(GMZ01)有效热传导系数进行预测并与其他模型预测结果进行对比分析。研究表明,本文模型对GMZ01膨润土有效热传导系数具有较好的预测能力,但更准确的预测需根据膨润土的孔隙结构采用多层次均匀化方法。研究成果对于高放核废料深地质处置库缓冲材料的热-水-力耦合特性具有一定参考价值。     

面接触条件下胶结颗粒物导热系数模型优化

为了更好地探究岩土类胶结颗粒材料的导热系数变化规律,减少造成的热害问题,根据胶结颗粒物的结构特征,考虑颗粒物和胶结基质为混合物时的状态,并结合有效介质导热系数模型和面接触导热系数模型,构建了适用于岩土类胶结颗粒材料的有效导热系数计算模型。采用瞬态热线法测试了实验试块的导热系数,将预测值与实测结果和Maxwell-Eucken模型的计算结果对比后发现,两模型的导热系数计算值都随着孔隙率的增加而逐渐减小。4组测试数据结果显示,Maxwell-Eucken模型的导热系数计算结果平均值为0.171 72 W/（m·K）,优化的导热系数计算模型结果平均值为0.171 39 W/（m·K）,说明优化的导热系数计算模型得出的结论与实际测试结果平均值（0.169 22 W/（m·K））更接近,能够更好预测胶结颗粒物质的导热系数。      

裂隙岩体非饱和渗流的分形模型

基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定,建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。根据Monte-Carlo模拟技术由平硐资料生成三维裂隙网络,利用盒维数方法计算裂隙岩体体积分维数。探讨了分维数与裂隙渗透率的关系。结合糯扎渡水利工程实例,将模型计算结果与Brook-Corey模型对比,结果表明相对渗透率主要受最大裂隙开度的影响,当裂隙开度范围不大时,分形模型可较好描述岩体裂隙的毛细压力与有效饱和度的关系。当裂隙开度范围较大时, ,忽略最大裂隙开度,模型可以等价于Brook-Corey模型。     

基于微观结构的青藏高原风积沙导热系数变化机理研究

风积沙作为青藏高原一种重要的局地因素, 改变了多年冻土的赋存条件. 风积沙的导热系数特征对预报分析其对冻土赋存有利或者不利具有重要作用. 采用非稳态法对青藏高原红梁河风积沙进行了导热系数测试, 并结合电镜扫描/能谱分析, 从微观结构的角度探讨了风积沙的导热系数变化机理. 结果表明: 研究区风积沙平均粒度为242.427 μm; 标准偏差值为0.125, 分选极好; 偏度为0.359, 接近对称; 峰度值为1.086, 峰态中等; 颗粒粒径主要分布在75～500 μm之间, 沙粒均匀, 不含黏土及砾石成分, 自然堆积状态下其孔隙率为0.391. 天然状态下的风积沙颗粒呈类球形, 颗粒磨圆度高, 点与点接触, 颗粒间孔隙较大; 表面有明显撞击坑和擦痕, 这导致颗粒的比表面积增大, 连通性增强, 孔隙率增加. 干燥状态下风积沙颗粒的相互接触面积较小, 孔隙由空气填充, 导热系数较低; 而在湿润状态下, 正温时孔隙中的水间接增大了风积沙的接触面积, 导致其导热系数增大; 负温时, 孔隙内的水变成冰, 从而导致导热系数进一步增大. 天然状态下, 暖季地表风积沙含水量较低, 导热系数较低, 而冷季地表风积沙含水量较大, 导热系数较大. 此外, 风积沙为颗粒物质, 表面光滑, 颗粒之间粘性小, 孔隙未被填堵, 结构松散, 这些因素导致自然堆积状态下其渗透系数较一般细砂大, 透水性良好, 保水性差, 是防冻胀较好的换填材料.     

分形渗透模型在饱和冻土中的应用

冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。     

排土场散体岩石粒度分布与剪切强度的分形特征

应用分形理论研究了矿山排土场散体岩石粒度分布的分维规律,建立了分维数与排土场散体物料剪切强度参数的定量关系式。研究表明,排土场岩石块度分布具有良好的分形结构,分维数值大小随着排土场高度的增加而增加,但不超过3。当采样尺度范围一定时,分维数越大,散体中细颗粒含量越多,平均粒径也越小。分维数与散体岩石的剪切强度参数摩擦角?呈负指数关系。分维数值可用于排土场粒度资料的统计分析与剪切力学强度参数的预测。     

羌塘盆地南坳陷布曲组白云岩储层孔喉结构及其分形特征研究

羌塘盆地中侏罗统布曲组白云岩为非均质性强的低孔、低渗储层,孔喉结构评价难度较大。选取南羌塘坳陷布曲组20件白云岩岩心样品,通过铸体薄片、扫描电镜观察,结合物性分析和常规压汞实验,研究其孔喉分布和分形特征,探索分形维数与白云岩储层物性参数、孔喉结构参数、孔隙成因之间的关系。结果表明：（1）研究区布曲组白云岩储集空间类型包括组构选择性孔隙、非组构选择性孔隙、裂缝3类,依据毛管压力曲线特征将其孔喉结构分为5种类型,其分形曲线具有明显的转折点,转折点为孔喉分布峰值,代表连通性好的大尺度孔喉向连通性差的小尺度孔喉的转变;（2）小尺度孔喉的层内非均质性较弱、层间非均质性强,大尺度孔喉的分形维数比小尺度孔喉小,但分布区间较宽,样品间差异明显,表明大尺度孔喉复杂多样,层间（整体）非均质性比小尺度强;（3）大尺度孔喉的分形维数与储层参数、孔喉结构参数相关性较好,可用于布曲组白云岩储层的孔喉结构定量表征,大尺度孔喉分形维数越小,储层物性越好,大尺度孔喉占比越多对储层整体渗透能力的贡献越大;（4）该套储层的储集空间与孔喉结构以沉积形成的碳酸盐沉积物孔隙为基础,白云石化作用和溶蚀作用共同控制了孔喉结构的差异性。