两淮煤田低渗煤层孔隙结构三维可视化表征及其连通性

为研究煤层孔裂隙结构的连通性对煤层气赋存与运移的影响。以两淮地区矿区的煤样作为实验研究对象,对煤样进行三维可视化重构,构建了煤样的三维孔隙结构模型以及等价孔隙网络模型,利用多种算法并结合表征单元体对煤样的孔隙结构进行表征与分析,同时,从整体到局部的角度对孔隙结构进行分析,研究表明:两淮地区孤立孔隙中C形孔隙占据主导,连通孔隙中F形孔隙占据主导;刘庄与祁东煤样孔隙结构空间展布较任楼与潘一矿区的煤样要好,具有更好的连通性;粗类型喉道之间的搭配较其他类型喉道之间的搭配整体连通性要好。结果说明两淮地区的煤样,大体积连通孔隙在孔隙结构中占据主导地位。刘庄与祁东煤样较任楼与潘一煤样的连通性要好,且刘庄煤样的连通性最好,潘一煤样连通性最差。

多孔介质孔隙结构模型及其在渗流分析中的应用

对目前常用的孔隙结构模型进行了总结,将目前常用的模型分为孔隙重构模型、孔隙网络模型、等效孔隙网络模型3个类别,对上述3种模型的概念、建立方法以及在渗流分析方面的应用进行了介绍。从孔隙重构模型到孔隙网络模型再到等效孔隙网络模型,其对多孔介质孔隙结构的描述由真实性向等效性发展,而其计算效率则显著提高。基于孔隙结构模型已有研究针对渗流过程展开了大量的计算分析工作,研究表明孔隙结构模型能够较好反映多孔介质孔隙结构对渗流过程的影响,揭示渗流和物质输移过程孔隙尺度物理机理,在环境岩土工程及能源岩土工程等多个领域具有广泛的应用前景。未来孔隙结构模型研究将集中于基于孔隙结构模型建立宏微观行为的联系、基于孔隙结构统计参数建立更具普适意义的模型等方面。

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明:页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。

基于micro-CT扫描的孔裂隙结构表征及渗流模拟

以羊场湾不粘煤为研究对象,基于micro-CT扫描实验和Avizo处理软件,对煤中孔裂隙、矿物质以及煤基质进行精确提取与分割,并通过三维重构技术,得到了连通孔裂隙模型;在此基础上,进一步建立了具有孔裂隙形态学拓扑结构的等效孔隙网络模型,统计分析了煤中孔喉结构参数,包括孔隙半径、孔隙体积、喉道半径、喉道长度以及配位数;基于孔隙尺度的渗流模拟,实现了孔裂隙空间单相水的可视化渗流过程,并计算了3个方向的绝对渗透率。研究结果表明:羊场湾不粘煤中以片状孔隙群和大尺度互相垂直的裂隙发育为主,平均孔隙半径和喉道半径分别为106、27.79μm,平均配位数为3.45;在单相水渗流过程中,孔裂隙空间内的渗流速度明显高于流入流出端,3个方向的渗透率表现出明显的各向异性,其中y方向的绝对渗透率数值最大,x方向的渗透率最小。

低渗煤层孔裂隙特征结构表征与渗流指标相关性研究

为解决低渗煤层瓦斯抽采难度大、效率低等问题,以华晋焦煤沙曲一矿5#低渗煤层为研究对象,基于微米CT扫描实验,运用三维重构技术,探究低渗煤体孔裂隙结构特征与空间分布规律,通过构建具有拓扑结构的骨架化模型和等效孔裂隙网络模型,分析孔隙与喉道结构特征参数与渗流指标之间的关系。研究结果表明:在微米尺度下,沙曲一矿煤样裂隙对孔隙率的贡献远大于孔隙,孔隙以孔径在[53.13,100)μm的大孔为主;宽度在[0.1,1) mm,长度在[0.5,7) mm的微观小裂隙最多,占总裂隙的70.1%;通过统计孔裂隙网络模型提取出的孔隙和喉道发现,孔喉比较大,且连通路径单调,不利于气体运移。通过结构特征参数与渗流特性参数拟合,发现形状因子与孔隙直径呈正相关,迂曲度与孔隙直径、配位数与孔喉比均呈负相关。研究结果可为煤矿瓦斯高效抽采提供理论指导。

基于等效孔隙网络模型的水动力弥散数值模拟

等效孔隙网络模型基于统计参数描述多孔介质中复杂的孔隙结构,常用于分析多孔介质中渗流和机械弥散等物质运移过程的微观机理,但对溶质运移过程中分子扩散作用的研究相对较少。该文基于等效孔隙网络模型研究了多孔介质中溶质的对流、分子扩散和机械弥散过程,对多孔介质中溶质的运移规律进行研究。通过对等效孔隙网络模型参数进行敏感性分析,研究了多孔介质孔隙结构特征对有效扩散系数的影响;通过对比仅考虑机械弥散与同时考虑分子扩散和机械弥散的计算结果,讨论了分子扩散对于水动力弥散过程的影响。计算结果表明:有效扩散系数受到孔隙体积与孔喉扩散能力的共同影响,与孔喉曲率负相关,与配位数和连接数比值正相关;分子扩散作用与对流导致的机械弥散过程有耦合作用,分子扩散作用加速了溶质在低流速区域的运移。该文揭示了分子扩散作用影响水动力弥散过程的微观机理,为孔隙网络模型中的溶质运移通量计算提供了理论依据。

多场耦合作用下钙芒硝三维孔隙结构及渗流模拟研究

钙芒硝溶浸开采是一个多场耦合的过程,每个因素都会改变其连通性,从而影响其渗透特性。以钙芒硝为研究对象,利用显微CT技术和AVIZO三维重构软件,建立了不同温度淡水溶液作用后的钙芒硝细观孔隙结构三维模型,定量表征了其内部连通性的变化,并在此基础上,进行了细观尺度的渗流模拟,研究了不同温度淡水溶液作用后钙芒硝的渗透特性。研究结果表明:钙芒硝的连通度和渗透率均与温度呈正相关关系。35℃和65℃时钙芒硝内部的孔隙空间多以小孔吼、短吼道为主,连通性较差,渗流通道较为狭小;95℃时孔隙空间多以大孔吼、长吼道为主,连通性较好,渗流通道较为宽广;35℃到65℃渗透率增幅较小,仅为0.23μm2;65℃到95℃钙芒硝渗透率急剧增加,增幅为2.75μm^2。该研究结果对提高钙芒硝矿床的开采效率及层状盐岩溶腔储库的稳定性具有一定的指导意义。