基于核磁共振实验对页岩孔隙结构及分形特征研究——以荆门地区YT2井五峰组—龙马溪组为例

页岩气是化石能源低碳化革命的重要能源补充。孔隙结构特征是衡量和评价页岩储层的重要指标。以荆门地区五峰组—龙马溪组页岩为例,通过选取荆门地区页岩样品进行有机地球化学、矿物组成等分析的基础上,基于核磁共振(NMR)测试和分形分析,对比了核磁孔隙度与常规水测孔隙度的相关性,研究了页岩全尺寸孔隙结构和分形特征。结果表明：荆门地区研究层位核磁共振孔隙度与常规孔隙度具有较好的相关性。荆门地区YT2井核磁共振孔径主要为2～100nm,孔隙体积主要由中小孔提供。孔径为2～100nm范围内提供的孔隙度从样品YT2-4、YT2-18、YT2-2、YT2-11、YT2-12依次减小。NMR模型分形曲线并非直线,具有明显的转折点,页岩中小孔和大孔微观孔隙结构特征呈现出明显的各向异性分形特征。有机质含量与矿物组成对分形维数有明显的控制作用。应用核磁共振技术可以有效对页岩微观孔隙结构与形态特征进行分析,为页岩储层评价和页岩孔隙非均质性研究表明了新的思路。     

姚桥矿7号煤层垂向孔隙结构及分形特征研究

煤孔隙结构特征对煤储层流体的赋存与运移起关键作用。为研究姚桥矿7号煤层的孔隙特征,采用刻槽取样法自下而上等距采样,选取不同深度的9个样品,通过低温液氮吸附和低场核磁共振等实验方法进行测试,结合分形理论,系统分析了7号煤层的孔隙结构特征,探讨了各孔隙参数和分形维数在垂向上的变化趋势。研究表明：样品低温液氮吸脱曲线可分为L1、L2和L3三种类型,低场核磁共振T₂谱均呈三峰分布;煤样孔隙微孔和过渡孔较为发育,微孔和过渡孔提供主要的比表面积、孔体积,BET比表面积为0.722～1.199 m²/g,BJH比表面积为0.941～1.535 m²/g,BJH总孔容为0.002 97～0.004 76 cm³/g,比表面积与孔体积垂向上呈不规则“M”状分布,平均孔径为12.832～15.100nm,在垂向上呈倒“M”状分布;低温液氮吸附实验分形维数可分为表面分形维数和结构分形维数,表面分形维数D₁为2.306～2.374,结构分形维数D₂为2.592～2.624,低场核...     

变井径环空分形表征及其对固井顶替效率的影响

为分析井径非线性变化对油气井注水泥顶替效率的影响,利用W-M分形函数、体积填充等理论,研究变井径环空几何形态表征及注水泥顶替效率计算,建立实测井径曲线的分形函数特征参数计算方法及变井径环空顶替流动分析模型,开展注水泥顶替流动数值模拟。结果表明：变井径环空的顶替效率低于均匀井径环空的顶替效率;标度参数、分形维数增大,井壁壁面凸起、凹陷高度增大,不规则程度增高,顶替效率降低;高标度参数、高分形维数范围内,顶替效率降低幅度高,顶替效率相对变化率大;顶替注入流速增大,顶替效率相对变化率减小;井斜角增大,顶替效率相对变化率增大;计算顶替效率时,当标度参数、分形维数低于阈值时,可将井眼环空近似考虑为均匀井径环空,而当标度参数、分形维数较高时,采用均匀井径环空简化处理会造成很大偏差;工程中,应注意处理计算模型选择及有效解决顶替效率问题。该结果为解决注水泥顶替效率计算的准确性、推进科学化固井设计与施工提供基础。     

京津冀城镇体系与水系结构的时空关系研究

京津冀地区人水关系矛盾突出,分形可以有效描述城镇体系和水系时空演化特征,从而揭示两者演化关系,为城市问题的解决提供一些理论和经验依据。论文采用分形理论中的网格维数和多分维谱,首先分别刻画了两者的时空演化特征,其次探讨了城镇体系和水系结构之间的时空关系,最后探究了水系结构退化的影响因素。主要结论有：① 1990—2010年,京津冀地区建设用地的网格维数升高、自相似性增强、从集聚向分散转变,意味着建设用地朝着空间填充程度增强、有序、分散的方向发展,而水系反之,证明两者具有不同的时空演化方向;② 21世纪10年代,京津冀的人水关系十分紧张,南水北调虽然缓和了京津冀用水问题,改善了大尺度上的水系结构,但在小尺度上改善有限;③ 越靠近城市中心,建设用地分形形态发育越成熟,结构越有序,越靠近外围越混乱无序;④ 京津冀地区水系退化,由自然和人为两方面因素造成,21世纪以后人为因素的影响较为显著。针对京津冀地区水系退化,提出如下政策建议：在城市建设过程中,一方面科学规划城市水系,重视低等级水系的保护;另一方面节约集约利用水资源,完善水资源管理机制。未来,需要进一步探索城市发展和水系的非线性关系,为城市可持续发展提供依据。     

土地利用景观格局空间尺度效应研究——以武汉市为例

城市土地利用景观格局研究对城市规划设计和土地资源管理具有重要的理论价值和现实意义,而研究尺度的选择是其必不可少的部分。本文基于景观生态学方法,以武汉市为研究区域,选取聚集分散指数、斑块类型指数、形状指数三种类型指数对土地利用景观格局进行分析,同时引入层次分析法,研究武汉市土地利用景观格局的空间尺度效应及其响应特征,结果表明武汉市土地利用景观格局具有明显的空间尺度效应,随着空间尺度的增大,景观破碎程度增大,景观分布越来越分散,景观异质性减小,斑块之间连接度越来越弱。在此基础上,建立最佳尺度选择模型,并基于分型理论对最佳尺度的合理性进行验证,最终得出武汉市土地利用景观格局研究的最佳空间尺度为60 m。     

基于EEMD分形和LS-SVM的次声信号识别泥石流类型

基于无接触的泥石流次声信号的有效波形特征提取识别不同类型的泥石流及预警泥石流规模、危害是国内外泥石流研究的新方向。本研究利用室内实验采集到的65次稀性、过渡性和粘性泥石流次声信号数据,采用集成经验模式分解(EEMD)对次声信号进行分解,提取本征模态函数(IMF)主分量,对比分析了原始信号和主分量信号STFT分布的时频特性差异,计算了主分量IMF盒维数值,并将其作为特征值输入最小二乘支持向量机(LS-SVM)分类器进行训练和分类,初步实现了基于次声分形特征指标识别泥石流类型。研究表明:(1)通过对EEMD重构的主IMF分量信号进行短时傅立叶变换(STFT)时频分析后,主分量信号具有优良的时频聚焦性能,提升了信号识别的准确性和精度;(2)稀性、过渡性和粘性泥石流的原始次声信号盒维数值分别为1.625、1.578和1.519,利用次声盒维数值可以识别泥石流的类型;(3)通过LS-LSVM模型训练测试,正确识别率达87%,其中稀性和过渡性泥石流为80%,粘性泥石流为100%。本研究利用次声特征指标无接触判识了泥石流类型,为次声自动识别、监测和预警泥石流灾害做了积极探索。     

基于高压压汞技术和分形理论的致密砂岩储层分级评价标准

利用铸体薄片与场发射扫描电镜观察,分析南襄盆地泌阳凹陷核桃园组三段致密砂岩储层储集空间;基于高压压汞技术和分形理论,对致密砂岩储层进行分类与分级。结果表明:研究区致密砂岩储层孔隙系统可划分为小孔(孔隙直径<0.1μm)、过渡孔(孔隙直径为0.1～1.0μm)、中孔(孔隙直径为1.0～3.0μm)和大孔(孔隙直径>3.0μm)。根据储层中不同类型的孔隙所占比例,可将致密砂岩储层分为4类,Ⅰ类(以大孔为主)、Ⅱ类(以中孔为主)、Ⅲ类(以过渡孔为主)和Ⅳ类(以小孔为主)。根据不同微观孔喉参数与储层物性的相关关系,可将致密砂岩储层分为4级,Ⅰ级储层孔隙度>10.0%,渗透率>1.000×10-3μm2;Ⅱ级储层孔隙度为5.0%～10.0%,渗透率为(0.200～1.000)×10-3μm2;Ⅲ级储层孔隙度为2.5%～5.0%,渗透率为(0.030～0.200)×10-3μm2;Ⅳ级储层的孔隙度<2.5%,渗透率<0.030×10-3μm2。利用储层分级评价标准选取最优质储层,为致密砂岩储层的油气勘探与开发提供指导。     

金品位分形结构特征及其地质意义——以胶东乳山蓝家庄金矿床为例

胶东乳山蓝家庄金矿床为近年来胶东东部牟平-乳山金成矿带探明的一处大型金矿床。该文通过系统收集该矿床Ⅰ号矿体金品位数据,综合运用特征参数统计和分形理论,分析了金品位特征参数垂向变化规律及垂向分形结构特征。研究结果表明,金品位具有显著的多重分形结构特征,矿化较好地段一般具有3～4个分维值,而矿化较差地段一般仅具有1个分维值。金品位特征参数和分形结构的规律性变化指示蓝家庄金矿床Ⅰ号矿体向-500m标高以深仍有一定程度地延伸,预测深部具有良好的找矿前景。     

城市地理研究中的单分形、多分形和自仿射分形

分形几何学在城市地理研究中具有广泛的应用,然而很多基本概念却让初学者感到迷惑。如何区分单分形、自仿射分形与多分形,是一个基本而重要的问题。简单分形容易理解,而真实的地理现象很少是单分形的。城市生长过程具有自仿射特征,而城市空间格局却具有多分形性质。作者发现,各种分形的共性在于三个方面：标度律、分数维和熵守恒。论文基于标度、分维和熵守恒公式,借助隐喻城市生长的规则分形来区分单分形、多分形和自仿射分形,讨论分形系统演化的机理、分形与空间自相关和空间异质性的联系,同时澄清一些在地理分形研究中的常见错误概念。最后以城市位序-规模分布为例,说明并对比单分形和多分形在城市地理研究中的建模与应用思路。     

京津冀城市用地形态的双分形特征及其演化

区域城乡一体化的标志之一是城镇体系结构的一体化,这个过程可以从标度的角度进行描述和评价。分形是标度分析的重要方法,地理空间无尺度分布特征的典型参数是分维。论文以京津冀城镇体系为例,利用遥感图像的解译数据和人口普查数据开展分形分析、位序-规模分布分析和异速标度分析,用以解释1995—2013年间京津冀城镇体系演化的过程。结果表明,京津冀城镇体系及其演化的特征有：①京津冀空间结构和位序-规模分布都表现为自仿射双分形结构;②京津冀区域的城市人口-城区面积异速标度退化为假线性关系;③随着城镇体系的演化,自仿射的双分形结构逐步向自相似分形结构演化。由此得出结论：其一,京津冀城镇体系存在结构性的不协调因素。其空间结构和等级结构具有二元化特征,但演化方向却呈现内在结构一体化的显著趋势。其二,大城市用地不够集约。城市边缘区的无序扩张导致土地利用铺张浪费。地方政府和规划专家可以有意识地利用城镇体系演化的这种特征和趋势制定管理措施和优化规划方案。