纳米C-S-H/PCE对蒸养UHPC力学性能增强机理研究

目前超高性能混凝土(UHPC)制品的力学性能有待进一步提升,采用纳米C-S-H/PCE对UHPC进行增强在理论上是一种可行的技术途径。本文研究了蒸养条件下掺入以聚羧酸(PCE)为分散剂的纳米水化硅酸钙(C-S-H/PCE)对UHPC力学性能的影响,通过测试水化热、水化产物、微观形貌和孔结构等对其机理进行了分析。结果表明,掺入3.0%(质量分数)纳米C-S-H/PCE可以显著提高蒸养UHPC的抗压强度和抗折强度。掺入纳米C-S-H/PCE可以促进UHPC的早期水化,生成更多的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,使水化放热温峰增高,并缩短达到水化温峰的时间。掺入纳米C-S-H/PCE可有效改善蒸养UHPC的孔结构,在掺量为3.0%(质量分数)时总孔隙率最小,有害孔比例最低。该研究可为纳米C-S-H/PCE在蒸养UHPC中的应用提供参考。

松辽盆地古龙页岩纳米孔喉体系中页岩油组分及成熟度分异效应

陆相页岩油储层中石油的微运移效应会导致微观孔隙空间中赋存的页岩油性质发生分异,然而页岩储层孔隙半径较小,孔喉结构复杂,很难通过常规手段对其进行精细刻画,导致对页岩油的微观富集机理认识不清。通过对松辽盆地古龙凹陷青山口组页岩岩心样品进行分步-接力抽提、低温氮气吸附实验,并开展全烃气相色谱、族组分定量、饱和烃气相色谱质谱和金刚烷双质谱等地球化学分析,揭示出页岩储层纳米孔喉体系内的石油组分和成熟度分异效应。结果表明,古龙页岩孔隙以介孔为主,随着页岩样品粒径的逐级减小,更多初始连通性较差的孔隙会被释放出来,同时微观纳米孔喉中烃类的重质组分相对增加,极性更强,页岩油的成熟度也相对更高,这与不同连通性孔隙空间中页岩油的排烃和微运移效应具有一定的相关性。研究成果可为精细表征页岩油的微观赋存特征,阐明页岩油储层烃类微观差异富集机理提供有效的技术手段,同时也为页岩油的可动性评价和甜点优选提供可靠的理论依据。

过热水蒸气作用下碳质页岩纳米孔隙结构演变规律研究

对流加热方式下碳质页岩纳米孔隙结构的演变是探明煤系烃源岩原位热解油气产出机理的关键。为此,基于烃源岩过热水蒸气热解平台,联合低温N2吸附技术,研究了不同过热水蒸气温度下页岩纳米孔隙结构的演变规律。结果表明:随着过热水蒸气温度的升高,碳质页岩纳米孔隙体积和比表面积呈现先降后升的变化规律,而平均孔径呈相反的变化趋势,300℃时孔体积和比表面积最低,550℃两者最高,小于10 nm孔隙数量的增多是高温段页岩比表面积和孔体积提高的主要原因。过热水蒸气热解作用下碳质页岩纳米孔隙的演变可划分为5个阶段。有机质热解生烃、无机矿物的溶蚀和分解、黏土矿物转化的综合作用控制了每个阶段纳米孔隙的演变特征。

正渗透离子截留性能的分子动力学模拟

正渗透离子截留性能的分子动力学模拟可为纳米孔材料的优化设计提供理论依据和技术指导。文章采用正渗透膜纳米通道模型,运用分子动力学模拟方法,模拟了不同孔径和亲水性纳米通道对离子的截留行为,分析了通道内离子截留率与离子水化数、离子水化半径及平均力势间的关系。结果表明:离子进入纳米通道需克服的能量势垒是由离子水化物的脱水引起,随纳米通道孔径的增大,离子水化物需脱去的水分子数减少;Na+和Cl-的截留率随孔径的增大而降低,当孔径≥1.356 nm时,二者均可通过膜纳米通道;离子进入纳米通道需克服的能量势垒、膜纳米通道对离子的截留率均随亲水性的增强而降低。

橡胶-再生骨料保温混凝土热传输机理及微观结构分析

采用橡胶颗粒(RP)、再生骨料(RA)作为保温轻骨料,纳米SiO_(2)(NS)作为辅助胶凝材料,制备橡胶保温混凝土(IRC)。通过自然光照和模拟光照下的环境模拟试验,并结合材料密度、吸水率、导热系数、微观孔结构等指标,研究IRC的热工性能及热传输机理.结果表明:RP的掺加引入了大量孔隙,密度、吸水率和孔容逐渐增大,形成了多孔结构,提高了IRC的保温性能,RP掺量为20%时,导热系数为1.01 W(m·K)^(-1);NS的掺加细化了IRC的孔径,破坏了连通的热流通道,进一步提高了IRC的保温性能,掺入3%的NS后,导热系数进一步降低7.8%~9.4%。

纳米二氧化硅强化再生骨料混凝土微观结构研究

利用纳米二氧化硅增强的再生骨料(RAs)制备再生骨料混凝土(RAC)并研究其微观结构。试验中选取5种浓度(0%、1.0%、1.5%、2%、2.5%)的纳米二氧化硅溶液,分别在两种不同条件下(常压和1bar的真空加压)浸泡RAs。测试了纳米二氧化硅增强RAs和RAC的化学组分、孔隙率和孔隙结构并表征了其微观形貌。结果表明,单独使用真空加压条件时,2%为二氧化硅溶液的最佳浓度。该处理条件使CH含量降低了40%以上,总孔隙率下降,平均孔径缩小,以及少害孔(小于50nm)的体积分数降低。该结果经环境扫描电镜(ESEM)验证,归因于二次水化使水化产物增多和纳米颗粒的填充作用。微观层面的研究解释了纳米二氧化硅对再生骨料混凝土的强化作用,为建筑与拆除废弃物的高质利用奠定了理论基础。

NS-VAE泡沫混凝土微观分析与宏观性能研究

首先分别探究了VAE乳液(Ethylene-vinylacetatecopolymer,乙烯-醋酸乙烯共聚物)和纳米二氧化硅(NS)对泡沫混凝土干密度和抗压强度等宏观性能的影响,然后对VAE与NS复合改性泡沫混凝土的改性机理进行了微观分析。研究证明当NS掺入比例在0%~1%,VAE掺入比例在2%时,NS-VAE泡沫混凝土较普通泡沫混凝土改善了孔隙率和平均孔径,提高了3 d和28 d抗压强度,减小了0~7 d干缩值。微观分析表明NS形成的晶核附着在水化产物表面,并在水化产物表面与VAE一同形成致密的凝胶网膜结构,这些致密的凝胶网膜结构减小了泡沫混凝土内部的孔隙孔径,提高了复合改性泡沫混凝土的干密度与抗压强度。总体来看,NS-VAE泡沫混凝土同时具备VAE泡沫混凝土和NS泡沫混凝土的优点,早期干缩值小,不易开裂,早期抗压强度高,具备更优秀的力学性能。

高温-动态冲击作用下页岩微纳米孔隙结构演化特征

为阐明甲烷原位燃爆压裂载荷对页岩储层的微观改性特征,开展高温-动载协同作用下页岩微纳米孔隙结构的演化特征研究,选取典型页岩样品,综合应用3D轮廓测量、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD),分析高温-动态冲击作用后的页岩碎块的宏微观粗糙特性、孔裂隙结构及矿物组分随高温的变化特征。结果表明:随温度升高,页岩断面毫米级粗糙度先略有降低后急剧升高。随温度升高,页岩有机质纳米孔减少,石英中出现复杂裂缝,碳酸盐矿物产生气孔,黏土矿物层间结构破坏,页岩体孔隙度由常温的1.488%逐渐上升至700℃的1.997%。不同高温下页岩物性组成差异显著,XRD定量分析结果显示,石英的质量占比升高,方解石和白云石总占比降低,从微纳米尺度说明燃爆载荷对页岩储层有改性效果。

低渗致密储层微纳米孔喉分布及其对渗流的影响

低渗-致密储层微观孔喉分布有较大差异,导致其渗流特征亦有明显不同。将室内实验与油藏工程计算相结合,定量研究了低渗-致密储层微纳米孔喉分布特征及其对渗流的影响。结果表明:1)孔喉半径小于1μm的孔喉体积占总孔喉体积的主体;2)岩心渗流特征曲线呈非线性渗流规律,渗透率降低,启动压力梯度显著增大,附加渗流阻力占总渗流阻力的比例也增大,研究物性范围内,附加渗流阻力占比均大于50%,渗透率为0.4 mD时,附加渗流阻力占比可达84.8%;3)微纳米孔喉的存在使得油井泄油半径降低,渗透率为0.4 mD时,极限泄油半径仅28.5 m,制约了井间及压裂水平井段间原油的动用。该研究成果可为认识低渗-致密油藏流体渗流规律和制定合理开发方案提供指导。

煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义

多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。

基于核磁共振法的纳米TiO_(2)混凝土抗冻性能研究

孔结构演化对混凝土抗冻性能至关重要,为研究纳米TiO_(2)对混凝土孔结构及抗冻性能的影响,本文选取替代率分别为0%、1%、3%、5%(质量分数,下同)的纳米TiO_(2)混凝土为研究对象,进行了快冻法试验、抗压强度试验、核磁共振试验及扫描电子显微镜试验。通过纳米TiO_(2)混凝土冻融循环前后质量、动弹模量、抗压强度、孔结构及微观形貌的变化,评估-18~5℃条件下的冻融损伤并分析纳米TiO_(2)对混凝土性能的改善机理;同时建立抗压强度、相对动弹模量、自由水饱和度及裂缝占比响应模型以确定纳米TiO_(2)的最佳掺量。结果表明:适量的纳米TiO_(2)可有效改善混凝土微观形貌,增加混凝土微孔及中孔的比例,减小大孔及裂缝的比例,过量的纳米TiO_(2)会使混凝土中大孔和裂缝的比例增大,不利于混凝土抗冻性能的提高;纳米TiO_(2)掺量为1%时,混凝土抗冻性能最佳。基于抗冻性能指标与孔隙测试结果建立响应模型,确定纳米TiO_(2)最佳掺量接近1%,这与试验结果相符合。

分子模拟技术在页岩油气吸附和流动特性研究中的应用进展

分子模拟技术作为研究纳米尺度下物质行为的关键技术,在页岩油气开采的微观机理研究方面已成为一种重要的研究手段。本文首先概述了分子模拟技术的原理和方法,对页岩储层的常见分子模型进行了总结,对表征页岩油气在储层的分布特征和动力学性质的物理参数如吸附热、吸附能、密度分布、径向分布函数和扩散系数及应用案例等进行了分析;分析总结了温度、压力、孔径、孔壁类型、组分性质对页岩油气吸附特性的影响及机理;重点介绍了分子动力学模拟纳米限域内单相和两相流动中流体黏度变化、黏附和滑移的边界条件导致的流速低于或高于泊肃叶公式预测流速的现象;并对表活剂驱替及渗吸、超临界二氧化碳吞吐页岩油技术中基于分子动力学的微观作用机理进行了阐释。最后总结了分子模拟技术在非常规油气资源开发的优缺点,并提出分子模拟技术在页岩油气领域的未来发展趋势,为非常规油气的开发提供了微观尺度的理论支撑。

考虑微纳米限域效应对相平衡影响的CO_(2)驱油机理研究

注二氧化碳能够有效提高致密油藏采收率。然而,致密储层低孔、低渗,微纳米孔喉发育,孔隙中流体受到吸附、流体分子与孔壁相互作用等限域效应的影响,传统相态理论难以对微纳米孔隙中二氧化碳同烃类的相互作用进行准确描述。为此,本文首先提出一种考虑微纳米限域效应的相平衡理论模型。通过引入吸附效应和流体分子-孔壁相互作用参数,对Peng-Robinson状态方程(PR-EOS)进行修正。分别计算了流体组分的无因次临界温度和临界压力的相对偏差值,计算值同实验值符合良好,验证了算法的准确性。然后进行了储层温度压力下的流体相平衡计算。结果表明,微纳米限域效应使流体泡点压力降低,溶解气油比和地层油体积系数增大,原油黏度和界面张力降低。此外,对于CO_(2)驱油过程中轻烃抽提作用和CO_(2)扩散作用研究表明,微纳米限域效应使轻烃的抽提系数降低,CO_(2)扩散作用增强,有利于CO_(2)与原油充分接触,提高原油采收率。该模型能够准确预测致密储层CO_(2)-原油多组分混合物的相行为,为致密储层CO驱油提高采收率技术的应用提供理论支持。

基于多孔黏结层的超疏水复合涂层制备及其耐磨性研究

目的提高超疏水涂层的耐磨性。方法采用底面复合方法增强超疏水涂层的附着性和耐磨性,通过发泡剂在树脂底漆表面形成均匀孔隙结构,使喷涂于底漆表面的部分超疏水纳米颗粒嵌入孔隙中,通过硬化树脂的凸起结构有效保护超疏水纳米颗粒,从而提高涂层整体的耐磨性。在摩擦磨损试验机上开展橡胶磨损测试,综合评价涂层的耐磨性能,并通过扫描电子显微镜和同轴光学显微镜对涂层表面的原始形貌及磨损形貌进行分析,通过接触角测量仪对涂层磨损前后的表面润湿性进行测试。结果当异构十六烷的质量分数为50%、预热温度为130℃、预热时间为100 s时,在底漆表面可形成较深且分布均匀的孔隙结构,基于该底漆制备的超疏水复合涂层的耐磨性相对更好。在30 N载荷下,优化涂层经橡胶磨损700次后,仍能保持较好的疏水性。结论通过发泡剂对底面复合涂层进行改进,可有效提高超疏水纳米涂层与基底之间的黏结强度;底漆表面的孔隙结构有利于超疏水颗粒的嵌入,充分利用硬化树脂的凸起结构对嵌入的超疏水颗粒进行保护,可有效提高底面复合超疏水涂层的整体耐磨性。

陆相咸化湖盆页岩油甜点孔隙特征与成因——以准噶尔盆地芦草沟组为例

陆相咸化湖盆页岩油甜点孔隙特征与形成机制复杂,是陆相页岩油研究的关键科学问题。本文以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组为例,综合应用岩石薄片观测、X射线衍射、高压压汞、氮气吸附、扫描电镜、电子探针、碳-氧同位素分析和成岩反演等方法,对此进行了研究。结果表明,以芦草沟组为例的陆相咸化湖盆页岩油甜点段矿物组成以长英质碎屑矿物和碳酸盐类矿物为主,黏土矿物含量较低,成分成熟度低,属于湖相混积岩。甜点孔隙以微—纳米孔为主,类型丰富,半径大于1μm的孔隙主要为粒间溶蚀扩大孔与粒内溶孔,100 nm~1μm主要为晶间孔,小于100 nm主要为黏土级碎屑颗粒粒间孔。沉积微相是控制甜点孔隙发育的关键,特别是滩坝相和三角洲前缘亚相原生孔隙发育,且抗压实能力强,粒间孔保存较好;溶蚀作用是次生孔隙形成的主要原因,进一步改善了储层物性;含铁白云石胶结总体上降低了孔隙度,但也在一定程度上增强了储层刚性,有利于部分孔隙保存。陆相咸化湖盆页岩油甜点孔隙演化呈现快速压实减孔、酸性溶蚀增孔和含铁白云石胶结减孔“三段式”特征,相互之间的匹配关系是控制孔隙发育的关键。

五峰组—龙马溪组页岩储层纳米孔隙结构分类量化表征——以巫溪地区WX-1井为例

由于页岩储层孔隙结构复杂,发育尺度处于纳米量级,为了实现孔隙结构的精细表征,以巫溪地区WX-1井五峰组—龙马溪组页岩储层不同层段的代表性页岩样品为例,通过对代表性页岩储层样品的氩离子抛光-场发射扫描电镜观测以及基于ImageJ软件的定性-定量表征分析,获取高精度纳米孔隙图像,进行针对性的孔隙结构表征。结果表明,页岩储层孔隙类型以有机质孔隙、矿物颗粒间纳米孔、矿物粒内孔隙及微裂缝为主,孔隙结构复杂;不同层段页岩储层孔隙发育程度存在显著差异,有机质热演化成因孔隙发育数量占比最高(约为64.90%),孔隙直径发育为5~350 nm;矿物周缘孔隙统计数量次之,平均孔径超过100 nm;矿物粒内孔隙与微裂隙统计数量占比较少;不同层段孔隙发育比例及结构特征差异显著。通过页岩储层纳米孔隙图像处理(Image Processing)以及量化统计分析,可以实现对不同页岩储层层段微观储集空间差异的量化表征以及对不同类型孔隙的专门表征,为丰富储层孔隙评价方法体系提供参考。

松辽盆地古龙凹陷页岩油储层中的纳孔纳缝及其原位成藏理论初探

古龙凹陷青山口组页岩油的,地质资源量达151亿t,是重要后备的油气资源。用电子背散射(HDBSD)发现了古龙页岩油储层中纳米孔和纳米缝非常发育,电子探针表明这些纳孔纳缝均被沥青充填。纳米孔的直径多在10~50 nm,中位数在20~30 nm,形态多不规则,多呈多角形,主要是一种E-F纳孔,其次为E-E纳孔,多与纳米缝联结。纳缝宽度多在10~50 nm,中位数也在20~30 nm。它们主要是由黏土片(黏土域)的F-F凝聚形成的。黏土的凝聚与有机质密切相关。黏土胶体由于同晶置换会带负电荷,使得其周围会吸附带正电的金属阳离子,形成一个带正电的黏土团。这种带正电的黏土团又会吸附带负电的腐殖酸(有机质)和初步降解的藻,形成一个有机黏土絮凝体。这种有机黏土絮凝体进入生排烃门限后,由于生排烃有机质体积会收缩,体积收缩最高可达87%。生排出的烃会就近充填在这种收缩形成的孔隙中,又由于纳孔纳缝的毛细阻力(约12 MPa)等使得排出的烃无法运移出去便形成了古龙页岩油的特殊连续原位油藏。

川东南地区龙马溪组页岩有机质纳米孔隙结构表征

富有机质页岩中广泛发育的纳米孔隙是页岩气的重要储集空间。为了明确页岩有机质孔隙发育特征,以四川盆地东南部丁山地区下志留统龙马溪组页岩为研究对象,通过扫描电镜(SEM)、N_(2)和CO_(2)低压吸附实验,对龙马溪组页岩有机质面孔率进行统计,并对页岩中纳米孔隙结构特征进行表征。结果表明,总有机碳(TOC)含量是影响龙马溪组页岩纳米孔隙比表面积和孔容的主要因素。龙马溪组页岩有机质孔隙的比表面积和孔容均随TOC含量上升而增加,且在TOC值较高时超过无机孔隙的比表面积和孔容。孔径为2~10 nm的孔隙对龙马溪组页岩的总孔容贡献最大。焦沥青相比于其他有机质发育更多的介孔,焦沥青含量增多将导致页岩中介孔孔容显著增加,而排油效率可通过影响焦沥青含量间接导致页岩纳米孔隙发育差异,高排油效率会降低页岩介孔和总孔孔容。在龙马溪组页岩勘探开发过程中,应综合考虑TOC含量、排油效率及焦沥青含量对页岩气储集条件的影响。

纳米改性水泥基渗透结晶材料提高混凝土防水性能研究

水泥基渗透结晶防水材料常被用于提高混凝土防水性能。研究了纳米改性水泥基渗透结晶材料的工作性能和对混凝土防水性能的改善效果,并探讨其作用机理。结果表明,纳米改性水泥基渗透结晶材料施工性能好,在水灰比0.40~0.50下,流动度保持在140~220 mm,能够满足涂刷需要。涂刷纳米改性水泥基渗透结晶材料后,砂浆毛细吸水高度降低了22.3%,归因于砂浆表层孔径细化、孔隙率降低。

页岩微纳米孔缝封堵评价方法研究

针对微纳米级孔缝的超低孔超低渗页岩地层,国内外缺少可靠的方法对其封堵进行评价。实验以延长组长7段页岩为参考对象,测试了页岩的岩性、孔隙特征等数据;通过研究膨润土、各类钻井液处理剂和API重晶石对泥饼厚度及渗透率的影响,构建了模拟页岩的“标准厚泥饼”封堵评价方法,厚泥饼平均厚度为10.05mm、平均渗透率为4.81×10^(-4)mD,且具有良好的重现性,能定量评价微纳米封堵剂SPA-1在甲酸钾钻井液体系中的封堵效果,解决了页岩封堵剂及水基钻井液封堵效果评价难题,对保障页岩井壁稳定具有指导意义。