基于PIV技术的细观矿堆溶液渗流场无扰动测试

建立由理想颗粒和真实矿石构成的细观矿堆物理模型,通过分散式布液结构,开展多种喷淋强度条件下细观矿堆的溶液渗流实验,采用粒子成像测速(PIV)技术无扰动地实测矿石颗粒间溶液渗流场。通过测试获取溶液质点瞬时位移图像,应用互相关算法处理,得到细观矿堆内溶液流速矢量分布情况。研究结果表明:细观矿堆溶液渗流场分布具有明显的不均匀性,受孔隙结构影响矿堆内存在优先渗流通道;不同喷淋强度下细观矿堆溶液渗流场分布趋势相似,溶液最大流速随喷淋强度增大而增大;矿堆孔隙结构及矿石颗粒特征是影响渗流场内溶液流速分布的主要因素。     

堆浸过程中溶质运移机制及影响因素

针对堆浸溶质运移过程的复杂性和多变性,以揭示溶质运移规律为目的,首先通过对其运移机制进行探讨,并基于矿堆理想渗流假设给出溶质运移均匀流模型,同时考虑矿堆内可流动溶液和不可流动溶液区的作用及其相互影响,建立溶质迁移流动-不流动模型.采用标记物穿透曲线法,进行溶质运移室内管柱实验,主要研究矿石粒径和喷淋强度对溶质运移规律的影响.研究结果表明;大粒径矿样的孔隙直径和孔隙率均比较大,可流动溶液在大孔隙的传导作用而快速流出,因此,溶质初期浓度升高相对较快;而小粒径矿石比表面积大,不可流动溶液比率大,溶质须通过分子扩散运移进入不可流动溶液区,因此,其浓度上升速度较缓;矿堆内不流动溶液是影响溶质运移规律的主要因素,因此,可通过控制矿石颗粒级配和喷淋强度以优化溶质运移过程.     

矿石粒径对矿堆内溶液毛细渗流的影响特征

为探究矿石粒径对矿堆内溶液毛细渗流的影响特征,利用所构建的溶液毛细上升实验装置,针对单一粒径矿堆和混合粒径矿堆,分别开展不同矿石粒径下溶液毛细上升实验,得到了溶液毛细上升高度与时间的关系曲线及相应的拟合方程,分析了溶液上升速度随时间变化规律。研究发现：实验初期矿堆内溶液上升速度较快,随着实验时间的增加,溶液上升速度逐渐减小并最终降为零,且溶液最大上升高度及溶液上升速度均与矿石粒径负相关。矿堆内由毛细作用形成的不可动溶液含量随矿石平均粒径的减小而增大,细颗粒矿石含量过多时在矿堆内将形成大范围的不可动溶液区域,影响矿堆内溶液渗透效果。     

致密砂岩气藏储层孔喉中气体分子运动特征

气藏储层岩石孔喉细小,连通关系极其复杂,研究气体分子在其中的运动特征对于气藏开发工程具有重要意义。通过气体分子运动、多孔介质孔喉特征和实验测试分析,对这一问题进行了研究,结果表明：低渗致密储层岩石孔喉中,气体分子运动表现出黏性流和扩散流两种形态;当地层压力较高时,气体分子平均自由程远远小于岩石孔喉直径,表现出黏性流,对气井产能贡献大;当地层压力较低时,气体分子平均自由程接近甚至大于岩石孔喉直径,表现出扩散流,对气井产能贡献小。在气藏开发过程中,针对渗流场中某一特定位置,气体需要特定能量才能产生有效流动,这种使气体产生有效运动的能量即为气体渗流启动压力。采用了两种实验方法对这一参数进行了测试,一种是经典的流量–压差方法;一种是气藏衰竭开采物理模拟实验方法;对该参数取得了一定程度认识。     

流体边界层对低渗透油藏渗流特征的影响

 低渗透油藏孔喉细小、孔隙结构复杂,固液界面相互作用力很大,在靠近孔喉壁面处存在一层流体边界层,阻碍流体在孔喉中的流动。为研究流体边界层对低渗透油藏流体渗流特征的影响,以去离子水在半径分别为10.0,7.5和5.0μm的微圆管中流动的实验数据为基础,通过数据拟合分析,确定了流体流动速度、边界层厚度与压力梯度之间的关系。结果表明,由于流体边界层的存在,低压条件下,去离子水在不同半径微圆管中的流动偏离经典的达西流动规律,表现出非线性特征,且存在启动压力梯度;随着管径的降低,流动偏离达西渗流规律的程度增大,非线性越发明显;随压力梯度增加,流体边界层厚度呈指数规律递减,压力增大到一定程度后,趋于定值。运用不等径毛管束模型,给出低渗透油藏单相流体渗流公式。     

聚合物溶液在孔喉模型中的阻力特性

以收缩流道和扩张流道作为孔喉模型,分别通过数值方法和流动实验研究了粘弹性流体、幂律流体和牛顿流体在孔喉中流动压力梯度随流变参数、孔喉比及喉道直径的变化规律.结果表明压力梯度随着流体粘弹性的增强而增加,随幂指数、稠度系数的增加而增加,随孔喉直径和孔喉比的增加而降低.将数值结果与孔喉模型中的流动实验及岩心渗流实验比较发现,流体在孔喉模型中流动阻力特性与岩心中渗流阻力特性有相似的变化规律,对于粘弹性流体,压力梯度随流速增加急剧上升,递增速率增大;对于幂律流体,压力梯度随流速增加的幅度逐渐变缓;对于牛顿流体,压力梯度随流速增加呈线性增加趋势,符合达西定律.可以将流体在单个孔喉中的流动作为研究其在多孔介质中渗流的理论基础.     

基于三维离散元法的无钟高炉装料行为

利用三维离散元法建立了无钟高炉布料模型,分析了料罐、旋转溜槽中的颗粒流动行为以及颗粒离开溜槽后的下落轨迹和料堆形成,可视化再现了装料过程.结果发现:炉料在流动过程中始终存在粒度偏析,料罐排料流为漏斗流,小颗粒由于偏析而倾向于后期排出;溜槽倾角对颗粒流动行为和料堆形成影响较大;溜槽内颗粒流由于溜槽旋转而向侧上部偏离和翻动,小颗粒因靠近壁面而位于料流内侧,大颗粒因聚集在溜槽上部而处在料流外侧,炉料颗粒偏析、偏转翻动和速度分布影响下落轨迹;在炉料下落到料面的堆积过程中,大颗粒易于向炉喉中心和边缘偏析,小颗粒因位于料流内侧和渗透作用而分布在堆尖下方且偏向中心侧.结合激光网格炉内测量技术料流轨迹测量结果,验证了模型的适用性.     

孔隙网络模拟渗流速度对页岩气开采的影响

孔隙网络模型是预测多孔介质流动特性的有效手段。基于页岩气藏微观孔喉参数建立了随机孔隙网络模型，并模拟了气水两相流动，通过求解模型压力矩阵方程，绘制渗流图像；通过模拟不同速度下的渗流特征，分析了水侵现象、渗流速度对气水两相渗流路径的影响。结果表明，渗流速度与驱替压差呈正相关，在渗流速度大于临界流速v_c的驱替过程中，压降梯度对渗流路径起主要影响作用，不同的渗流速度会形成不同的渗流路径，渗流路径符合分形特征；而由于较高渗流速度（大于临界流速v_c）会破坏气/水界面稳定性，因此，高渗流速度更利于水侵而降低页岩气产量；若渗流速度小于临界流速v_c，气/水界面趋于稳定，促使页岩气大量产出。     

COREX竖炉布料规律的数学模型

通过建立布料过程的数学模型研究了COREX竖炉的布料规律,改进了空区料流轨迹模型使其可以考虑溜槽内料流厚度和宽度分布及炉料粒度的影响,并用多条线段联合描述料面形状.研究表明:炉料在溜槽末端出口处的料层厚度和炉料的粒度分布决定了炉料在空区的料流轨迹;炉料离开溜槽末端速度与溜槽倾角成反比关系,与溜槽转速成正比关系;炉料在炉喉的落点位置离炉喉中心距离与溜槽倾角、溜槽转速成正比关系.利用该模型可计算出不同布料模式和布置不同炉料时料堆长大过程和形成的料面形状.     

排土场浸出过程中的渗流规律

在多孔介质地下水动力学的基础上, 分析溶浸液在浸堆内的渗流状态, 并提出渗流状态判据、各自状态下的渗流速度与水力梯度基本关系式. 根据潜水层完整井流公式, 推导不同流态下势函数与水力压头的关系式, 并建立各自的势函数积分表达式. 针对管注法浸出钻孔工程的典型布孔型式, 抽象出最基本的抽注单元, 并研究不同流态下各个抽注单元的单位面积浸出液总量公式, 分析浸堆渗流规律. 研究结果表明： 溶浸液在浸堆中的渗流规律不完全符合达西定律, 浸堆单位面积上的流量与注抽液孔内水力压头平方或立方差成正比, 随着孔径的增大而上升, 与两孔之间的距离的平方成反比;直线二点形钻孔布置方式的浸堆单位面积流量最大, 而三角形的渗流量最小, 直线三点形的渗流量介于两者之间.     

均质承压水渗流实验中的非均匀渗流问题研究

对地下水在多孔介质中的渗流情况进行实验研究.通过采用实验室内渗流槽装置,模拟天然均质介质承压含水层中的地下水渗流情况.采用NaCl作为示踪剂观察水的运移情况,利用控制变量的方法,在不同水力梯度下进行实验,对中砂均质介质承压水渗流中水流的流动情况进行研究.结果表明,在天然情况下,中砂均质介质中承压水非均匀流确实存在;随着实验水力梯度增加,渗流槽中的边界效应增加;在同一水力梯度下,每行观测孔的NaCl浓度峰值随着与NaCl溶液混合区的距离增加而减小,每列观测孔达到NaCl浓度峰值的时间随着与NaCl溶液混合区的距离增加逐渐增加;渗流槽边壁处NaCl浓度峰值大于渗流槽中间部分NaCl浓度峰值,渗流槽边壁处NaCl浓度峰值达到的时间小于渗流槽中间部分NaCl浓度峰值的时间;随着与NaCl溶液混合区的距离以及水力梯度的增加,这种渗流的不均匀性逐渐加大.     

回灌溶液盐度变化对浅层储能咸水介质热量运移特性影响

根据地下储能咸水层水文地质特性,以多孔介质传热、传质理论为基础,建立咸水层多场耦合储能模型.以天津市某咸水储能系统为研究对象,探索采用不同盐度溶液回灌模式下含水层热量运移特性及温度场变化规律.经模拟计算得到,采用1∶1混合溶液与去离子水回灌时,粗粉砂层在夏季储热期与次年春季间歇期的热作用半径变化率分别为0.313、-0.016,0.348、-0.04m/d.研究表明,在储能阶段,伴随回灌溶液盐度降低,地下水渗流速度上升,导致对流换热与热弥散效应增强,回灌溶液温度场影响范围、幅度增加;间歇阶段,则由于地下咸水与回灌溶液间盐度梯度变大,在分子扩散作用下含水层渗流溶液热作用半径收缩.     

孝泉-新场地区须四段砂岩储层微观孔隙结构特征

根据岩心观察、铸体薄片、扫描电镜及压汞曲线等分析,从孔隙类型、孔隙结构等方面对孝泉-新场地区上三叠统须家河组四段砂岩储层进行了深入的研究。研究区须家河组四段储层孔隙类型可分为原生残余粒间孔、次生粒间溶蚀孔、粒内溶孔、铸模孔、晶间孔和裂缝6种主要孔隙类型;研究区须四段砂岩中可见多种孔隙组合类型,主要有:残余原生粒间孔-溶孔型,晶间孔-溶孔型,其次还有少量的微孔、微裂缝型;孔隙结构可分为4种类型:Ⅰ类粗喉大孔型、Ⅱ类粗喉小孔型、Ⅲ类细喉大孔型以及Ⅳ类细喉小孔型等4种类型,其中Ⅰ类粗喉大孔型、Ⅱ类粗喉小孔型为较好类型储层孔隙结构,可以获得一定的工业产能。     

致密油藏非达西渗流流态响应与极限井距研究

基于实际岩心流动实验,利用典型非线性渗流数学模型,对致密油藏非达西渗流流态响应和极限注采井距进行研究,并结合实例,计算不同渗透率级别下采油井的极限布井轨迹,揭示注采井间压力及压力梯度分布特征。研究结果表明:致密油藏单相流体渗流可分为不流动区域、非线性渗流区域和拟线性渗流区域3个渗流流态响应区域;考虑压裂时,不同渗透率级别下采油井的极限布井轨迹相似(一条直线和一段1/4圆弧组成);随着距水井距离的增加,注采井间压力及压力梯度分布的3条近似直线段依次对应注水井附近的径向流、裂缝附近的拟径向流和裂缝内的线性流3种渗流流态,且渗透率越小,最小启动压力梯度越明显,注水井与裂缝端点之间的压力损失越严重。     

径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响

径向流吸附器内的均匀布气对其性能有重要影响.本文以实验室用小型径向流吸附器为研究对象,建立了三维流动数学模型,并对径向流吸附器内部的流场进行了数值模拟.对比研究了径向流吸附器内气体流动型式、中心流道与外流道的截面积比、中心流道开孔率、外流道开孔率等对流场均匀分布的影响.结果表明：径向流吸附器采用向心流动的最为合适,并且∏型向心流动略优于Z型向心流动;中心流道与外流道的截面积比为18.9%时,获得最佳布气效果;中心流道开孔率越小,径向流速度不均匀度值越小,布气效果越好,但开孔率过低将导致布气孔附近局部布气不均匀,能耗增大;外流道开孔率变化对径向流吸附器内气流均布影响有限.     

低渗透储层中氮气的微尺度流动及其对渗流的影响

从气体在低渗透储层微米量级孔喉中的微尺度流动规律研究入手,探讨低渗透储层中气体的非线性渗流机理.实验研究了气体(N2)在内径为2.05～10.10μm微管中的流动规律.结果表明:气体在微管中的流动具有明显的微尺度效应,表现为实测流量大于经典流体力学理论预测流量;管径越小,流动压力越小,微尺度流动效应越强,实测流量与预测流量的偏离越显著.根据微管实验数据,结合毛管束模型,研究了气体微尺度流动效应对渗流的影响.结果表明:考虑孔喉中气体的微尺度流动效应后,低渗透多孔介质中气体的渗流具有非线性特征,表现为视渗透率随流动压力的减小而增加;多孔介质平均孔喉直径越小,视渗透率随压力的变化越明显.     

模拟孔喉构型变径通道中微气泡流动特性研究

为了了解微泡沫驱中微气泡在多孔介质中的渗流特性,设计制作了一种集成T型通道和变径通道的微流控芯片,采用基于显微成像的微流控系统观察了液相分别为去离子水和0.02%吐温20水溶液时,微气泡在变径通道内的流动特性,并采用CFD方法分析了微气泡融合、变形过程中速度和压力变化情况。研究结果表明,以去离子水为液相时,随着气体压力和液相流速的变化,微气泡在流经变径通道时出现融合和不融合两种行为;以0.02%吐温20水溶液为液相时,微气泡在流经变径通道时会依次通过;微气泡在“喉—孔”处融合时,表面张力促使微气泡变形导致周围流体速度波动较大,形成“涡流”;融合后的气泡再次进入“喉道”时,“孔道”内压力增大。本研究有助于进一步认识微泡沫驱的渗流特性及驱油机理。     

地下通风渗流参数测定的实验模型设计

针对地下通风中的渗流问题，选取一个有代表性的渗流区域作为原始模型，通过相似分析，确定模型主要参数，进而建立了用于研究渗流运动规律的实验模型，该模型对把握渗透气流的运行轨迹，验证渗流速度场通用数学模型的正确性，确立流态指数与渗透速度之间的关系等方面，起到了重要作用。     

基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性

采用核磁共振成像技术对柱浸渗流过程进行非接触、无损探测,得到溶液静止和流动时的核磁共振图像.通过对速度值分布的分析,评价了速度场均匀性,得到了均匀性指数与喷淋强度的关系,进而研究了细观渗流速度场分布特性和孔隙内速度场演化规律.研究表明：流速分布具有明显的不均匀性,流速值与孔隙大小并不严格一致;不同喷淋强度下速度值分布趋势相似,最大流速与喷淋强度正相关;通过分析速度场均匀性与喷淋强度间关系可得到喷淋强度阈值,实验中0.7 L· cm -2·h -1为此粒级级配的喷淋强度阈值.现场应用动态喷淋强度可明显改善堆场的渗透性,提高铜的浸出率.     

水库水温分层的流场分析

水库水温分层是流体密度流现象的一种,其形成受库区内流场、太阳辐射和表层热交换的共同影响,而水温分层状态的出现又将影响水库来流在库区的流动过程和出库水流的温度.以流场与温度场耦合计算的立面二维水库水温模型为基础,对水温分层的主要影响因素进行了理论分析,结合数值模拟讨论了温度场与流场的相互作用,对分层状态与来流发展特别是与垂向流动的关系进行了剖析.认为一定的来流水温差和表层热通量是水库形成分层状态的必要条件;水库表层温跃层对紊动扩散的抑制使温跃层内纵向和垂向动量均低于层外水体,上游来流高温水遇此温跃层之后易被阻碍而形成密度流下潜;双温跃层主要由高温流动层通过紊动不完全侵蚀底部低温水层而形成;水库底部回流区方向受主流动层流线方向控制并随主流动层流线趋于水平而被压缩;泄流孔口高程处主流动层形成的流速切应变使附近温度梯度减小,等温线趋于稀疏,主流动层随流量增加而增厚.