黏结性对富油煤热解孔隙结构演变及渗流的影响研究

【目的】富油煤的原位热解是将煤层在地下加热生产油气的技术,其中煤层的孔隙结构和渗透特性是影响加热介质注入和油气产出的重要因素。黏结性富油煤热解伴随胶质体的形成,使其孔隙结构和渗透特性不同于非黏结性煤。【方法】将黏结性富油煤在300、400、500和600℃下热解,采用饱和流体法和氮吸附法测试半焦的孔隙参数,并采用显微CT表征半焦的孔隙结构;通过构建等效孔隙网络模型,分析煤样孔隙数目、孔隙半径和配位数等参数的变化规律,并模拟高温N2在孔隙网络中的渗流特征。【结果和结论】结果表明:煤样经300℃热解后仅产生少量裂隙,总孔隙率维持在约5%;当热解温度为400~600℃时,总孔隙率逐渐增至约50%,而微观孔隙仅在600℃脱气后更为丰富。当热解温度由300℃升至400℃,胶质体的形成、膨胀使孔隙和喉道的数量显著增大,但平均半径分别维持在约160μm和约88μm;再由400℃升至600℃,挥发分的析出促进了孔隙结构的连通,使孔隙和喉道的数量逐渐减少,且概率分布向等效半径更大的范围偏移,使平均半径分别增至292.81μm和170.60μm,并使孔隙平均配位数由5.82分别增至6.60和6.33,孔隙率和配位数的增大使半焦的平均模拟渗透率由246.75μm2显著增至1377.49μm2。研究结果可为黏结性富油煤原位热解的工艺研发提供参考依据。

X射线CT技术体积重构法表征异形泡沫金密度

采用X射线CT(XCT)技术进行体积重构的研究方法,解决了异形泡沫金密度表征中体积难以精确测量的问题,密度表征结果为978.68mg/cm3。同时,为了研究该方法的有效性与不确定度,开展了XCT体积重构法与排水法对具有不规则外形橡皮泥样品的密度表征对比实验,结果表明两者之间的相对误差小于1%。

基于CT技术评价水驱岩心储渗特征的方法

研究水驱采油中的流动特征,对跟踪油藏的开发过程,持续提高石油采收率具有显著的指导意义。通过对玉门老君庙油田岩心水驱油过程开展CT扫描,取得了岩心孔隙度分布和水驱油过程中含油饱和度分布的实时监测,并由此创新性地提出了6个统计参数对岩心孔隙度与含油饱和度分布的集中趋势、离散程度和分布形态进行表征。通过常规计量法与CT法对比表明,应用CT法研究岩心孔隙度与含油饱和度具有较高的精度,可以借此更加详细地研究岩心的水驱油流动特征。

应用CT成像技术研究岩心孔隙度分布特征

清楚地识别岩心内部孔隙度分布特征,并对其进行定量描述,有助于深入研究岩心的渗流特性。应用CT成像技术,通过对干岩心和饱和地层水岩心扫描,重建了岩心不同扫描层面、沿某正交切面以及三维孔隙度分布图。应用孔隙度频率分布和累积频率分布曲线得到了岩心孔隙度分布的统计特征。将岩心孔隙度划分为"层面级"和"岩心级"两个级别,选用7种参数对岩心孔隙度分布的集中趋势、离散程度和分布形态进行表征。研究实例表明,同一岩心不同扫描层面孔隙度分布存在明显差异,其集中程度、离散程度和分布形态均有所不同。采用这7种表征参数可精细刻画岩心孔隙度分布特征。

应用CT成像进行碳酸盐岩储层孔隙表征

通过CT扫描成像技术,研究了碳酸盐岩芯的孔隙度分布,采用孔隙度分布参数和孔隙度分布统计曲线定量表征孔隙度的分布特征。应用CT扫描成像技术,进行干岩芯和饱和地层水岩芯扫描,研究了岩芯不同扫描层面和岩芯整体孔隙度分布特征。利用孔隙度数字矩阵,重建了岩芯不同扫描层面、沿某正交切面、三维孔隙度分布图。选用7种参数对岩芯孔隙度分布集中趋势、离散程度和分布形态进行表征,应用孔隙度频率分布曲线得到了岩芯孔隙度分布的统计特征。研究实例表明,该碳酸盐岩芯为孔隙-溶洞型,应用上述评价方法可以实现对岩芯孔隙度分布特征的定量表征。

基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析

为有效研究煤的孔裂隙结构特征,实现对煤的孔裂隙结构的定性定量表征和分析。以内蒙古巴彦高勒煤矿311102运输巷的煤样为研究对象,基于ZEISS Xradia510 Versa X射线显微镜扫描得到的CT数据,结合三维可视化软件AVIZO中内置数学算法,提出了煤的孔裂隙结构定量表征的方法,并建立了煤的三维孔裂隙结构模型和具有拓扑结构的孔隙网络简化模型。通过本文提出的方法,对巴彦高勒煤矿煤样的孔裂隙微观参数——孔径大小、孔体积、孔隙率、配位数、喉道长度等进行了统计分析。研究表明:在微米的尺度下,内蒙古巴彦高勒煤矿的煤样以大孔为主,并伴有网状的割理裂隙,有效孔隙率为10.34%,通过孔隙网络模型统计出的孔隙数为12 834,喉道数为432及其他的微观结构参数。

基于能谱CT的材料组分彩色表征研究

基于光子计数探测器的X射线能谱CT,通过增加能谱分辨率实现了CT图像由灰度向彩色的转变,提高了材料识别能力。然而随着能谱通道数量的增加,通道中的噪声也显著增加,降低了材料识别的准确性。为充分利用能谱CT图像的稀疏性以及能谱通道之间图像的相关性,提出一种多约束窄谱CT迭代重建算法,可在降低噪声的同时有效保留图像的边缘及细节部分。进一步利用主成分分析对窄谱CT图像中的能谱信息进行估计,并建立主成分图像与R, G和B颜色分量之间的映射关系,最后获取彩色CT图像。该方法通过材料组分的彩色表征可以有效识别材料,同时降低图像中的背景噪声。仿真实验和实际实验结果验证了多约束窄谱CT迭代重建算法的有效性以及利用主成分分析进行材料组分彩色表征的可行性。

基于X-CT技术的多孔排水沥青混合料空隙竖向分布特性

采用X-CT技术、数字图像处理技术与分形理论相结合对多孔沥青混合料的空隙竖向分布特性进行了研究,结果表明:空隙特征图像可以定性描述多孔沥青混合料的连通情况和分布特性,多孔沥青混合料中没有面内连通情况;所研究的6个截面空隙率分布范围为17.7%~22.2%;不同截面的空隙数量最大相差16个,约占空隙总量的四分之一;空隙轮廓分维数均大于其相应的空隙面积分维数,且与空隙数量和空隙率无关。空隙级配图显示,同一试件内两个正交截面空隙的级配大多分布在4~8 mm内,但分布形态各异。经对比分析发现,横向空隙与竖向空隙除最大直径相差2 mm外,等效直径分布较为接近。

基于全岩心CT的遗迹化石定量表征新方法:以加拿大麦凯Ⅲ油砂区块为例

根据高分辨率岩心照片、全岩心CT扫描和测井资料,以加拿大麦凯Ⅲ油砂区块下白垩统McMurray组为研究对象,开展了遗迹化石属种识别、定量表征及其空间分布特征研究。在划分目的层岩相类型的基础上,综合生物扰动指数(BI)、遗迹尺寸多样性指数(SDI)和围岩平均粒径,提出了生物扰动综合指数(BCI),并采用序贯高斯随机模拟建立了目的层BCI三维地质模型。结果表明:目的层发育9种碎屑岩岩相和9属遗迹化石。岩相以富含油块状中粒砂岩相、富生物扰动细粒砂岩相和富生物扰动泥质粉砂岩相为主,遗迹化石以Skoliths、Palaeophycus和Planolites为主。根据BCI模型,可将全区划分为Ⅰ类弱生物扰动(BCI<1.5),Ⅱ类中等生物扰动(1.5<BCI<3)和Ⅲ类强生物扰动(BCI>3)区域。本研究为定量表征遗迹化石的发育特征和空间分布提供了新的思路与方法。

X射线CT在C/SiC复合材料微观结构和损伤表征中的应用

本文采用X射线CT和三维数字图像处理与分析方法对C/SiC复合材料内部的微细观结构、损伤及其动态演化过程进行了表征,展示了X射线CT在认识C/SiC复合材料微细观结构和损伤机理等方面的优势,它不仅可以定性地在三维空间上揭示C/SiC复合材料内部碳纤维束、SiC基体和孔洞的三维形貌及其连通性,还可以定量地对每个个体的体积、表面积、厚度场等关键三维几何参数进行测量,获得孔洞、纤维束和SiC基体沿铺层厚度方向的变化规律;在不对试样进行破坏的情况下开展失效分析,在准确确定最终断裂位置的同时,对试样内部产生的微裂纹以及高温下发生的氧化行为进行表征。通过开展基于X射线CT原位观测的力学试验,可以对C/SiC复合材料试验件内部的损伤演化过程进行准确表征,为揭示其损伤和失效机理提供更加直接可靠的依据。

基于CT扫描单轴压缩下注浆体试块裂隙动态演化过程试验研究

为了研究注浆体在荷载作用下裂隙动态演化过程,以级配砂砾注浆试块为研究对象,利用CT扫描系统对其单轴压缩破坏过程进行阶段性扫描。通过图像重构技术实现注浆体试块内部裂隙结构空间可视化,定量表征裂隙数目和体积等结构特征参数;采用Python编程对CT切片的灰度值和分形维数进行计算,分析试块不同阶段的细观损伤程度。结果表明:整个压缩阶段,注浆体试块内部裂隙体积呈现缓慢上升-缓慢下降-缓慢上升-急速上升趋势,裂隙数目呈现先增大后减小的趋势;裂隙扩展遇到砂砾时,多为绕砾扩展,少数情况出现穿砾扩展,裂隙分叉扩展多发生在水泥基体与砂砾的界面处;按试块内部裂隙演化过程可将破坏分为4个阶段:初始缺陷扩张阶段、压密阶段、裂隙加速扩展阶段和裂隙贯通阶段;试块同一阶段同层切片的损伤变量与分形维数在数值上呈现一定的正相关性,与其裂隙体积演化趋势相似。研究成果可为深入研究注浆体失效过程及裂隙演化规律提供参考依据。

基于显微CT的泥岩单轴压缩破坏特征的声发射表征

研制了基于实时声发射采集和实时加载CT扫描同步进行的加载控制系统,组建了对岩石损伤、破坏过程进行声发射表征的实验系统和实验方法。研究表明:①在峰值载荷28%前,原生裂纹宽度基本无变化,而后经历先变窄再变宽的过程。在峰值载荷47%前,原生裂纹长度基本无变化,而后开始增长,原生裂纹在宽度上先进行扩展从而引起原生裂纹在长度上的增长;②在峰值载荷65%前,裂纹的延伸发生在裂纹尖端的软弱介质中,而后才是真正的原生裂纹起裂,并快速延伸扩展;③新生裂纹易产生在软硬夹层交界处,新生裂纹产生时的载荷约为峰值载荷的56%~75%,在峰值载荷84%前,裂纹处于稳定扩展阶段,三条裂纹同时各自发展;④裂纹宽度变大、原生裂纹在其尖端软弱介质中延伸、软硬交界处新生裂纹的产生过程中声发射较少,当这些过程连在一起时,便形成了声发射平静期;⑤建立了岩石孔隙率、裂纹长度和宽度与声发射能量、振铃计数之间的表征方程,并提出不同加载阶段岩石状态评价的判据。

基于CT成像的三维高精度储集层表征技术及应用

运用基于CT成像的三维高精度储集层表征技术,分别对砂岩、白云岩岩心和玄武岩露头样品进行了微观孔隙结构研究,主要包括CT扫描成像、图像处理和属性计算。根据CT扫描数据,建立了分析样品的固体相、孔隙相的三维可视化图像。针对砂岩样品,还计算出孔隙度和渗透率值,并将计算结果与常规测定结果进行了比较,结果表明,运用此项技术进行微观孔隙结构的研究,具有对样品的要求低、结果直观、数据丰富以及效率高等优势。

肺孤立性占位中CT形态特征和PET代谢特征的比较研究

目的:比较分析肺孤立性占位^(18)F-FDG PET/CT图像中CT形态特征对PET代谢特征的影响。材料和方法:回顾性收集211例完成全身^(18)F-FDG PET/CT显像的肺孤立性占位患者,所有患者均经病理证实或影像学随访一年以上。在CT图像中分析每个病灶的大小、分叶征、毛刺征和胸膜牵拉征等形态特征,在PET图像中获取每个病灶的平均标准摄取值(SUVave)等代谢特征。所有特征均与病理和临床随访结果相比较。结果:211例肺孤立性占位患者中恶性占位163例,良性占位48例。以SUVave=2.5作为良恶性鉴别的定量依据,^(18)F-FDG PET对肺孤立性占位的诊断灵敏度、特异性及准确性分别为86.5%,52.1%和78.7%。163例恶性占位中,57例>3cm的恶性占位,其SUVave明显高于106例≤3cm的病灶(6.84±2.06比4.13±2.42,P<0.01);116例具有分叶特征的恶性病灶SUVave明显高于47例无分叶特征的恶性病灶(5.45±2.40比4.25±2.86,P<0.01)。106例≤3cm的恶性占位(肺孤立性结节),具有分叶、毛刺征的SUVave明显高于无毛刺征的恶性占位(4.70±2.41比3.30±2.20;4.55±2.20比3.58±2.59,P均<0.01)。胸膜牵拉征对SUVave的影响没有差异。结论:^(18)F-FDG PET显像可以较好的鉴别诊断肺内孤立性占位。肿瘤大小、分叶对恶性肿瘤代谢特征均有明显影响;毛刺征对恶性肿瘤代谢特征的影响主要体现在肺孤立性结节中,胸膜牵拉征对代谢特征影响不明显。

基于微米CT页岩微裂缝表征方法研究

页岩储层中的微裂缝是页岩气的储集空间,也是页岩气运移、散失的重要通道。通过微米CT扫描、场发射扫描电镜(FE-SEM)和岩芯观测等手段,明确了焦石坝地区JYA井龙马溪组页岩微裂缝结构特征,对比了微裂缝在不同条件下(地表或地层)的张开度及其对页岩渗透率的贡献,初步探讨了微裂缝对页岩纳米孔隙保存的影响。结果表明:①基于微米CT可将页岩样品分为基质组分、高密度矿物(如黄铁矿)及裂缝三个部分,其体积比分别为97.88%、0.88%和1.24%;②微裂缝在空间上主要呈孤立状、细长条状或锯齿弯曲状,其长度分布范围为3.4~299μm,以3.4~20μm为主,平均为12.44μm;③微裂缝在地层中的张开度约为2.2~30.33μm,平均为3.97μm,相对于地表张开度(平均为6.24μm)降低了36.38%。尽管这部分微裂缝体积仅占页岩样品总体积的0.7%,却提供了页岩储层中70%以上的渗透率。笔者认为JYA井龙马溪组页岩内部大量发育的网状结构微裂缝是页岩气沿着"孔隙-微裂缝-宏观裂缝"路径发生强烈"解吸-运移-逸散"作用的重要通道,进而导致孔隙因流体压力降低而压缩变形和闭合,不利于纳米孔隙的保存,这对于研究微裂缝在页岩储层中主要为储集空间或逸散通道具有重要的现实意义。

基于CT图像的高阶煤不同宏观煤岩组分裂隙差异发育规律

煤中裂隙深刻影响煤层气的解吸、扩散、渗流、产出等特征,其精细表征对于煤层气的勘探开发具有重要意义。为此,以沁水盆地和瑞矿区下二叠统山西组3号煤层为研究对象,开展了饱和造影剂溶液前后煤样CT扫描,基于CT扫描图像识别了宏观煤岩组分并划分了煤岩类型,进而用不同参数精细刻画其裂隙差异发育规律。研究结果表明:①CT扫描对宏观煤岩组分响应明显,根据灰度差异可识别出宏观煤岩组分,进而厘定出宏观煤岩类型;②相较于常规干燥样品,CT裂隙分割采用造影剂溶液后能够显著提高裂隙识别的精度,其裂隙孔隙度大于不添加造影剂的常规干燥样品,与气测孔隙度相近;③不同宏观煤岩类型中宏观煤岩组分的组合方式不同,自半暗煤—光亮煤,暗煤+丝炭由较宽的条带状转变为细条带状或线理状,透镜状的丝炭含量增加。结论认为:①裂隙含量与宏观煤岩类型具有较强的相关性,表现为光亮煤中裂隙含量最高,半暗煤中裂隙含量最低;②裂隙间距受宏观煤岩组分组合方式的影响,光亮煤中裂隙间距最大,半暗煤中则最小;③裂隙连通性不仅受宏观煤岩组分含量的影响,也与宏观煤岩组分的组合方式相关,表现为半亮煤中裂隙连通性最好,半暗煤中则最差;④相较于暗煤+丝炭,镜煤+亮煤中裂隙在开度、间距和连通性上均具有优势。

基于CT三维重构的煤孔隙结构表征及分析

为研究煤的孔隙特征对煤体宏观物理特性的影响,对煤的孔隙结构进行定量表征和分析。以大柳塔煤矿长焰煤煤样为研究对象,基于X射线三维显微CT扫描得到的数据体,结合三维可视化软件Avizo的三维重构技术及图像灰度分割技术得到煤体的微观孔隙模型,并建立了煤孔隙三维展布模型和孔隙球棒模型。通过提出的方法和模型的建立,对长焰煤的孔隙微观参数-孔隙率、孔隙半径、喉道半径、孔隙体积、喉道体积、配位数等进行了统计分析。结果表明:在微观尺度下,长焰煤煤样孔隙总体分布比较分散,孔隙率15.47%,通过孔隙的球棒模型统计出的孔隙数27 432,喉道数38 829及其他的孔隙微观参数。

CT扫描的煤岩面裂隙椭球模型重构与张量表征及其应用

CT扫描技术为观测煤岩内部裂隙提供了重要手段,然而由于煤岩CT扫描裂隙场的高度复杂性,对其精确定量描述一直是行业内十分困难的问题。通过CT扫描发现,煤岩内部裂隙结构以面裂隙为主,因此针对CT扫描获得的煤岩面裂隙结构,提出了一种基于椭球模型的解决方案:首先将煤岩CT扫描获得的面裂隙结构离散为三角形面网格,在Geomagic Wrap软件中对三角形面网格进行简化和修复,得到一系列三角形裂隙面代替原有的裂隙结构;然后采用一种特殊的面椭球,即旋转扁椭球,拟合每一个三角形面裂隙,据此实现对整个裂隙结构的椭球模型重构,详细给出了二维空间和三维空间中面椭球重构的控制方程及求解策略,并验证了求解策略的可行性,给出了椭球模型重构CT扫描裂隙场的精度分析;最后利用重构的椭球形裂隙场,分别设计面裂隙方向张量与面裂隙组构张量,定量表征煤岩CT扫描面裂隙结构,同时给出了针对面裂隙方向张量与组构张量的简便计算方法。对于裂隙张量表征理论的应用,选取了简单面裂隙结构、CT扫描获得的真实复杂裂隙结构、真实裂隙场的演化过程等3个具体案例,验证了裂隙张量理论对煤岩复杂裂隙结构的描述能力,并阐明了其与孔隙率、分形维数描述方法之间的异同。关于椭球模型重构方法的应用,除了有助于裂隙结构的定量表征,还介绍了其在裂隙煤岩等效弹性模量预测理论方面的应用前景,并通过数值模拟分析初步验证了理论公式的适用性。

基于参考组分的双能CT成像方法

双能CT材料分解对了解物质内部材料分布有重要作用,常规CT所使用的X射线能谱分布未知,无法根据能量信息获得材料衰减系数,并且连续能谱投影与单能重建算法不匹配,导致重建图像衰减系数和材料理论衰减系数之间存在误差,分解结果不准确。针对上述问题,本文引入参考组分获得等效能量信息,进而获得材料的单能衰减系数,并且引入邻域空间欧式距离容差对材料分解模型中的材料组成进行约束,欧氏距离容差根据参考组分重建图像获取。实验结果表明,本文方法能够在常规CT投影系统的基础上,对检测物体中各材料进行准确分解。

基于显微CT的石墨内衬的孔隙及其分形特征

针对稀土电解槽石墨内衬破损问题,通过显微CT扫描对石墨内衬孔隙结构进行了定量表征,利用这些孔喉参数可以分析空气和电解质在石墨内衬中的流动情况.结果表明:该样品的孔隙度为19.44%,孔喉半径大都在1~6μm;孔喉形状因子为0.02~0.05,这表明其形状大多不规则,空气和电解质在其内部的流动阻力大,从而减缓了其氧化腐蚀;平均孔喉比,平均孔隙体积、平均喉道体积分别为2.28,1 177.64、106.19μm^3,意味着孔隙间有较大的喉道连通,空气和电解质在其内部的流动阻力较小,从而加速了其氧化腐蚀.进一步应用分形理论分析发现:该石墨内衬孔隙构造符合分形规律,其分形维数可以很好的说明孔隙分布复杂程度.最后建立了石墨内衬孔隙率的分形表达式,由此计算石墨内衬的理论孔隙率为21.46%,这与其实际孔隙率19.44%相差不大,可以用此式来预测石墨的孔隙率.