基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数计算

研究刻画岩石类材料中的孔隙结构特征对于揭示岩石的各种力学行为具有重要意义,为此将分形理论与数字图像处理技术相结合, 针对工业CT 扫描得到的岩石切片图像进行了分析, 从中提取研究了岩石的孔隙结构特点, 讨论了孔隙率和分形维数之间的关系. 岩石CT 图像中各像元的灰度值是对应岩石微元中各物质衰减系数的综合反映, 可以反映出岩石中各种尺度孔隙的影响. 结合实验测定的孔隙率, 采用逆分析的方法可以确定出分割阈值的大小, 从而得到岩石孔隙结构的二值化图像, 为进一步研究孔隙拓扑结构提供基础. 随着孔隙率的增大, 孔隙结构的分形维数也变大. 而且在孔隙率相同的情况下, 孔隙结构的分形维数也不尽相同. 孔隙结构越复杂, 其分形维数越大. 实验证实, 基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数是岩石孔隙率等参数的有效补充, 可以更好地表征岩石孔隙结构的分形特征.     

煤纳米孔径与分形特征的同步辐射小角散射

煤是一种非均质多孔介质,孔隙结构复杂.本文利用同步辐射小角散射试验对6种不同煤阶煤样纳米尺度微孔结构(1~100 nm)进行测试,分析了煤样的Porod散射曲线、Guinier散射曲线、孔径分布、比表面积和分形特征等,探讨了煤化过程中煤中微孔隙结构的演化特征.实验表明:6种煤样Porod散射曲线均呈现正偏离现象,Guinier曲线表明煤样孔隙呈多分散系分布特征;基于最大熵理论计算得出煤样孔径分布呈"双峰"形态,随变质程度增加,煤样平均孔径和最可几孔径均呈下降趋势;煤样比表面积表现为先增大后减小又缓慢增加.测试煤样的分维数在低角q阶段呈现表面分形,在高角q阶段表现为孔分形.表面分形维数随煤阶增加呈先减小后增加而后又减小的变化趋势,孔分形维数随煤阶增加呈先减小后增加的态势,且当R_(o,max)为2.07%时达最小值.     

变形条件下孔隙岩石CH_4微细观渗流的Lattice Boltzmann模拟

岩体开采变形对流体渗流性质的影响是煤瓦斯共采、油气资源开发、CO2地质封存及地下水资源保护等关注的重要问题.本文基于砂岩孔隙结构CT图像,发展了一种孔隙岩石CH4微细观渗流的LBM模拟方法及适合于大尺度孔隙模型的并行算法,运用此方法模拟分析了孔隙砂岩CH4微细观渗流性质及孔隙结构特征的影响,并与实验结果进行对比,验证了LBM方法的可靠性.利用LBM+FEM方法分析了应力作用下孔隙结构变形对CH4渗流的影响机制.结果表明:该方法可以直观定量地描述岩石微细观孔隙结构特征、渗流速度场空间分布、渗透率以及应力作用下孔隙结构变形对渗流速度场、有效孔隙度和渗透率的影响.不同孔隙度砂岩渗透率的LBM计算结果与实验值具有较好的一致性.     

微晶与纳米硅薄膜表面形貌分形特征的研究

对纳米硅薄膜的微结构研究一直是这个领域中令人感兴趣的问题.Mandelbrot提出的分形理论可用于材料显微结构的定量表征,而分形维数是描述分形结构特征的一个重要几何参量.近年来,人们利用光学显微镜和SEM等手段对薄膜材料和金属断口的表面形貌进行了很多研究,但由于实验手段的限制,通常只能获得材料在微米尺度上的分形特征,而且存在实验过程和数据处理繁琐等缺点.80年代初发展起来的STM,具有纳米量级乃至原子量级的分辨率,能够非破坏性地直接获得样品表面形貌的实空间三维图象,便于进行数据处理,从而使人们可较方便地在纳米乃至原子尺度上对材料的表面进行研究.我们首先采用STM在纳米尺度上对不同工艺条件下按常规PECVD技术制备的微晶及纳米硅薄膜的表面形貌进行了观测,并结合分形理论计算了样品表面形貌的分形维数D,从而找到了D值与样品微结构参数之间的联系.1 实验过程实验所用的硅薄膜样品是在常规PECVD系统中,使用高比例的高纯氢稀释的硅烷作为反应气体,利用RF+DC双重功率源激励等离子体辉光放电制备得到的.薄膜样品的厚度～1μm,衬底为普通的玻璃片.样品表面微观形貌的观测是采用CSTM-9000型STM(中国科学院化学研究所生产)在常温和大气中完成的.观测前,样品在稀释的HF中漂洗,以除去表面上的氧     

磁场-渗流场耦合作用下的铁磁流体多孔介质流动数值模拟

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从而耦合磁场-渗流场给出其流动方程,并采用全隐式有限体积法形成相应数值离散格式;通过二维均质填砂平板流动实验验证了模型和算法的正确性,在此基础上,对比了平面及纵向非均质多孔介质中注水及注铁磁流体的驱油效果,计算结果表明通过控制铁磁流体的驱替路径可以提高驱替波及范围继而提高采收率,为提高原油采收率提供了新的思路和方法.     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

多相渗流研究的近况和展望

渗流力学是现代流体力学的一个分枝,它是研究流体在孔隙介质中运动规律的学科。渗流力学也是多种工程技术的重要理论基础,诸如石油和天然气开采、土壤改良和水利工程、地下水的开发和人工储气库、水文地质和水文勘探、铁道工程及煤矿开采,甚至化工、陶瓷、冶金等工程技术,无一不     

渗流理论、方法、进展及存在问题

渗流理论是从随机扩散现象(如流体粒子通过孔隙介质逐步扩散并形成随机路径的过程)中抽象出的一种广泛的数学模型,主要研究无序体系随机几何结构形成过程中的演化规律、行为特征及各种临界现象。渗流理论涉及概率统计、图论、统计物理、随机过程、拓扑、几何、代数、动力系统分析等众多领域,是数学的一个重要分支。渗流理论不仅具有重要的理论意义,而且应用背景广阔。过去的50年中,渗流理论因表述简单、内涵丰富,获得了广泛应用,为化学、生态学、物理学、材料科学、传染病学、复杂网络等领域中的问题带来了新视角,提供了新的理论方法。目前渗流研究处于发展的关键时期,渗流中相变临界条件的确定、渗流团簇的复杂结构及其在临界点附近几何特征的理解是渗流研究的核心问题。文章介绍渗流理论研究的主要问题、方法和结果,简要回顾渗流理论发展的标志性成果,最后提出一些值得思考和研究的问题。     

水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

选取两种不同粒径分布的天然海砂样品,在相同实验温度及压力条件下合成甲烷水合物.开展水合物降压分解X-CT微观实验,获取不同时刻的沉积物内部构成图像.对X-CT扫描图像进行阈值分割、三维重建及拓扑等效等处理,建立不同粒径含水合物沉积介质不同分解阶段的三维孔隙网络模型,研究水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律及其控制机理.研究表明,甲烷水合物微观分布非均质特征显著,分解过程开始于气-水合物接触的位置,分解初期水合物具有孔隙填充、颗粒胶结等多种赋存模式,而分解后期孔隙中主要赋存颗粒胶结型水合物.随着水合物饱和度的减小,不同粒径含水合物沉积物的平均孔喉半径、孔隙度、绝对渗透率以及两相共渗区宽度均不断增大,配位数、形状因子及束缚水饱和度逐渐减小.受水合物分解动力学行为影响,分解前期沉积物平均孔隙半径缓慢降低,水合物饱和度下降至某一临界值(小于0.1)后,平均孔隙半径和绝对渗透率急剧增大.粒径分布越窄,相同水合物饱和度下沉积物平均孔隙及孔喉半径、孔隙度和绝对渗透率越高,但不同粒径沉积介质配位数和形状因子的变化存在交叉点,表明含水合物沉积物微观孔隙结构特征受粒径分布、水合物微观赋存状态及空间分布的协同影响.     

表征孔隙孔径分布的岩土体孔隙率模型及其应用

指出了现有岩土介质的孔隙率模型不能准确表示孔隙的孔径分布特性,提出了3种孔隙率模型.利用3种模型对黏土在二维空间和生态护坡材料在三维空间的微观孔隙孔径分布进行预测,显示了无论是总孔隙率或各级孔径下的累计孔隙率,预测值与实测值均非常接近.利用孔隙率模型,给出了基于土体微观孔隙结构的固结变形计算公式,在低固结压力下压缩应变计算值与实测值相差约0.007;建立了多种非饱和土的土-水特征曲线模型,从形式上包含了现有的土-水特征曲线模型,由于模型中的颗粒分布分维数是建立在孔隙分布特性的基础上,其物理意义更为明确;最后给出了土体黏聚力及体积密度与土样尺寸的关系式,验证了黏聚力及体积密度随土样尺寸增大而减小的规律.     

应用分形理论划分洪水分期的两种新途径

分析了水文现象的随机性、非线性、确定性和相似性, 在一定尺度范围内(如年内季节间)洪水表现出自相似性等分形特性, 以此作为应用分形理论的论据. 提出了用分形理论划分洪水分期的两种新途径: 按时间尺度容量维和空间尺度相似维划分洪水分期, 给出了两种分形维数测度具体步骤. 并以漳河水库历年汛期日最大流量为研究系列样本, 结果表明: 无论是用容量维数途径, 还是用相似维数途径划分的洪水分期一致, 且与经验统计方法划分的洪水分期基本一致, 但两种分形维数途径比经验统计方法划分洪水分期具有定量、客观计算简便等明显优点, 有利于在生产实际中推广应用.     

一种新的基于拓扑结构特征的微裂隙-孔隙空间描述方法

微裂隙在多孔介质储层大量发育并与基质孔隙连通,是流体渗流特别是非常规储层油气渗流的重要通道.高精度无损成像技术以及数字岩心技术的快速发展,为孔裂隙空间描述、孔裂隙模型构建等研究提供了数据支撑.本文基于传统孔隙空间拓扑学,分析裂隙拓扑结构特征,充分考虑三维裂隙空间区别于普通孔隙的面状特征以及与基质孔隙之间的相互连通关系,提出"特征点化"的思路,将裂隙空间点进行分类,形成了适用于多种孔裂隙空间的描述以及结构特征分析方法.首先基于传统孔隙拓扑结构分析方法,提出"线面共存"的新骨架模型,提取裂隙中轴骨架面、中轴骨架线,精细刻画裂隙轮廓以及孔裂隙连通关系;其次,基于各类空间点的拓扑结构共性分别提取相应点集,分割孔隙、裂隙空间,构建微裂隙-孔隙骨架模型;第三,基于新的孔裂隙骨架模型提取孔裂隙空间的几何-拓扑结构特征参数,获取裂隙孔隙度、开度、倾角等重要裂隙几何参数,以及孔裂隙配位数、裂隙发育范围等拓扑参数;最后基于上述骨架提取描述方法,对理想与真实孔裂隙空间的数字岩心进行了骨架提取和分析.从微裂隙拓扑形态开展研究进而对裂隙-孔隙空间描述,可简化此类孔隙介质的建模过程,为后续气、液流动模拟提供准确数据基础,促进缝洞介质油气开发的进展.     

波在饱水孔隙粘弹介质中的传播

弹性体及粘弹性体中波的传播问题已有较广泛的研究,取得了很多有价值的结果,但对于饱含液体的孔隙介质中波的传播问题研究得尚少。近年来此方面已有一些显著进展。Biot对饱水孔隙介质的力学曾进行了很多研究,假定介质为理想弹性体与孔隙流体为可压缩的,建立了运动方程组,证明了此时存在两种P波和一种S波。笔者视介质为弹性的,流体为不可压缩的,建立了方程组,研究了平面谐波的传播情形,证明对应变波而言此时只有一种P波和一种S波,与通过此种介质波将遭受阻尼和弥散,并给出了计算二种波的相速度和阻尼常数的公     

封面说明

<正>矿山岩体介质深埋于地下,传统的现场探测技术与实验方法难以准确地获知与直观表征地下开采引发的岩体介质内部孔/裂隙结构演化、应力重分布、流体渗流等"看不见、摸不着"的物理力学过程.数值模拟具有直观、定量、可重复、可预测和低成本等优势,成为解决上述难题的有力工具,但由于模型相似性、材料属性确定、特别是模拟结果难以验证等问题,岩体力学行为数值分析存     

Au/a-Ge双层膜中的分形形成对薄膜阻抗的影响

近年来,金属-半导体薄膜体系中分形现象的研究已取得了很大的进展,薄膜中分形晶化的本质正逐渐被人们揭示。然而,这方面的研究工作多着眼于体系中分形形成的动力学机制,很少研究分形形成后体系的物性变化及其规律。分形晶化后的金属半导体薄膜体系,微观结构发生了明显的改变,其宏观物性也可能发生相应的变化。分形维数度量了体系的什么性质,这是很值得关注和研究的课题.本文考察了Au/a-Ge双层膜的分形晶化行为,首次对具有不同分形维数的薄膜样品的电阻率进行了测量,发现薄膜电阻率与分形晶化的行为和分形维数有明显的关系,并对这一实验结果进行了合理解释。     

现代油气渗流力学体系及其发展趋势

油气渗流是油气藏开采的科学核心问题,以连续介质假设和达西方程为基础的传统渗流力学在常规油气资源开发中发挥了重要作用.近年来,非常规油气藏成为油气行业勘探开发的主要阵地,其开发理论和技术尤其是渗流问题也成为学术界研究的热点问题.非常规油气藏其岩石多孔介质具有明显的多尺度特征,尺度差异达到6个数量级之多,而且采用大规模的水平井分段压裂开发模式,储层应力强烈作用.因此,传统的油气渗流理论已无法准确描述非常规油气藏的流动特征.实质上,非常规油气资源的开发过程是一个典型的多场作用下的多流动模式的多相流体(油气水)在多尺度多孔介质的流动过程.为此,本文提出了"多场作用下的多流动模式的多相流体在多尺度多孔介质中流动动力学体系"的现代渗流力学体系的概念,并从纳微尺度油气流动模拟、流动模拟的多尺度升级、非常规油气藏的宏观流动模拟、大尺度缝洞碳酸盐岩油藏的流动模拟以及油气渗流物理模拟等方面系统阐述了其研究现状及发展趋势.     

X52管线钢仿生超疏水表面的制备

采用喷砂毛化处理、化学刻蚀和氟化处理复合法在X52管线钢表面成功地制备了超疏水表面.十七氟癸基三乙氧基硅烷(HFTTMS)对其表面进行低能化修饰.研究了化学刻蚀液浓度、化学刻蚀时间对管线钢表面形貌及表面与水的润湿行为的影响.结果表明,在一定的盐酸浓度下,随着化学刻蚀时间的延长,管线钢表面与水的接触角增大;然而当化学刻蚀时间过长,管线钢表面与盐酸反应过久,表面微结构的复杂程度减小,接触角将减小.随盐酸浓度的升高,管线钢表面与盐酸反应变得剧烈,表面微观形貌变得复杂,分形维数增大.当盐酸浓度过高时,表面微细凸起结构又被腐蚀掉,导致表面复杂程度降低,分形维数下降,与水的接触角随之减小.试样在7 mol/L的盐酸中刻蚀1.5 h后,喷砂毛化管线钢表面能获得最佳的表面复合结构,经氟化处理后,与水接触角为156.4°,获得良好的超疏水性.     

Pd_(77.5)Au_6Si_(16.5)合金无容器凝固组织中的分形结构

合金凝固组织形态及其演化一直是现代凝固组织的核心问题。近年来,分形几何的发展和应用为合金凝固组织的研究提供了一种新方法,并取得了一定进展。本文研究的Pd_(77.5)Au_6Si_(16.5)合金在无容器凝固环境下的凝固过程为一非平衡凝固过程,其凝固组织中初生相具有不规则的几何形貌,用分形分析的方法来定量地描述其形貌及演变过程尚未见报道。     

双重介质非线性渗流

自Баренблатт建立了双重介质线性渗流模型以来,近二十年“弱压缩液体在裂缝-孔隙介质中不定常渗流”的研究,主要沿着该方向展开,无疑,这对裂缝性油、气田的开发,有较大的理论和实际意义,但是,随着对碳酸盐岩油藏不断深入的研究,发现这类裂缝性油藏还不同程度地发育着溶洞系统,液体在裂缝-溶洞系统中流动不再符合层流线性Darcy定律,因此,很有必要研究双重介质非线性渗流模型及其解。     

X52管线钢仿生超疏水表面的制备简

采用喷砂毛化处理、化学刻蚀和氟化处理复合法在X52管线钢表面成功地制备了超疏水表面. 十七氟癸基三乙氧基硅烷（HFTTMS）对其表面进行低能化修饰. 研究了化学刻蚀液浓度、化学刻蚀时间对管线钢表面形貌及表面与水的润湿行为的影响. 结果表明,在一定的盐酸浓度下,随着化学刻蚀时间的延长,管线钢表面与水的接触角增大;然而当化学刻蚀时间过长,管线钢表面与盐酸反应过久,表面微结构的复杂程度减小,接触角将减小. 随盐酸浓度的升高,管线钢表面与盐酸反应变得剧烈,表面微观形貌变得复杂,分形维数增大. 当盐酸浓度过高时,表面微细凸起结构又被腐蚀掉,导致表面复杂程度降低,分形维数下降,与水的接触角随之减小. 试样在7 mol/L的盐酸中刻蚀1.5 h后,喷砂毛化管线钢表面能获得最佳的表面复合结构,经氟化处理后,与水接触角为156.4°,获得良好的超疏水性.