黏土矿物微观孔隙结构的分形特征

以深部软岩中黏土矿物为研究对象,运用Image-proplus专业图像分析软件,对黏土矿物微观结构SEM图像进行处理,提取孔隙信息,结合分形理论,对微观孔隙结构进行分形数值分析。研究表明：软岩中黏土矿物微观孔隙结构分布具有分形特征,试样的分形维数在1~2。具有不同微观结构形态的相同类型黏土矿物和具有同种微观结构形态的不同类型黏土矿物,其分形维数均有差异。孔隙分布均匀程度与分形维数成反比。     

钙质砂颗粒内孔隙三维表征

南海钙质砂颗粒形状复杂,颗粒棱角突出且面孔隙与内孔隙结构发达.为了准确表征钙质砂内孔隙三维形态,本文借助高精度X射线μCT扫描技术,得到钙质砂颗粒高精度断层图像.通过对原始CT扫描断层图像切割、除噪、二值化等一系列操作,重构得到钙质砂颗粒三维图像.由于钙质砂颗粒外形不规则,因此直接提取其内部孔隙较为困难,本文通过对钙质砂颗粒的三维图像进行三维闭合运算等一系列算法的处理,较好地重构了钙质砂内部的三维孔隙.根据块状钙质砂颗粒的外表特征、内孔隙孔隙率的大小、孔径分布曲线形状以及分形维数的大小,可以大致将块状钙质砂颗粒分为两种类型.第1种类型块状钙质砂颗粒外表存在较多沟壑且内孔隙较为发达,第2种类型块状钙质砂颗粒内孔隙较不发达且连通性较低.两种类型块状钙质砂颗粒内孔隙的孔隙率与孔径分布曲线存在明显差异.同时研究发现,钙质砂颗粒内孔隙较好地符合三维分形特征,且分形维数的大小与孔隙率大小成正相关关系.为了深入地研究钙质砂颗粒内部孔隙的连通性,本文通过计算其距离图获得颗粒内孔隙的空间网络模型,对其分析得出,钙质砂颗粒网络模型的配位数分布大体趋势相同,由于两种钙质砂颗粒内孔隙形态的差异,配位数的分布也略有差异.     

基于孔隙特征的天津滨海软粘土微观结构研究

利用真空冷冻干燥法,制得天津滨海新区软土不同固结压力下代表性样品,并利用扫描电子显微镜(SEM)对样品进行扫描观察.在此基础上系统地分析了样品SEM图像在不同固结压力下孔隙结构参数的变化规律及运用平面分形维数Dp对样品不同固结压力下土中孔隙分布状况的整体性、平均性进行了分析,且提出能够综合反映土中孔隙的大小、形态、分布、定向性等微观特征的结构性参数孔隙结构因子(pore structure factor).分析表明,土体内部孔隙的结构性参数与外部荷载之间有着良好的对应关系,在结构屈服压力前后,土体内部孔隙特征存在明显的差异.     

基于CT技术的混凝土孔隙结构冻融损伤试验

运用电子计算机断层扫描(CT)技术对经历冻融循环后的混凝土试样细观损伤过程进行实时扫描,获得二维断层扫描图像。在此基础上,运用图像处理技术对孔隙结构进行三维重建,得到不同冻融循环次数下试样内部孔隙结构的空间分布特征与演化规律,以此分析孔隙结构与单轴抗压强度之间的关系。运用分形理论对冻融环境下试样孔隙结构与冻融循环次数的关系进行定量化描述。研究结果表明:试样内部孔隙的结构分布特征和演化规律与其力学性质和宏观破损特征密切相关。在冻融循环作用下,混凝土孔隙率随冻融循环次数的增加而逐渐增大,并与单轴抗压强度呈负相关;混凝土试样孔隙盒维数呈现初期降低后期增加的变化规律,即在孔隙结构的扩展经历了复杂无序—单一有序—复杂无序的演化过程。     

基于多点地质统计法的多孔介质重构研究

多孔介质的真实结构特征一直是渗流机理研究的关键参数.随着实验技术的进步,高精度的设备已能获取微米精度的孔隙结构数据,但仅能在毫米量级的岩样上无损地获取其三维体数据.因而,如何虚拟重构更大尺度的多孔介质、并再现真实岩样的孔隙结构特征的研究就十分必要.本文提出了一种利用多点地质统计法中数据模板所捕获的拓扑结构特征来重构多孔介质的方法.该方法先获取体数据中各种孔隙结构特征的概率,再根据这些概率将孔隙结构特征复制到虚拟重构的图像中.实验说明了该方法的有效性：（ⅰ）分别对该方法重构的砂岩与真实砂岩体的渗透率（利用LBM）进行计算,误差不足1.2%;（ⅱ）变差函数曲线说明重构的砂岩具有与真实砂岩相似的结构特征.     

煤岩超微孔隙结构特征及其分形规律研究

煤岩超微孔隙结构对煤的吸附和强度性能起到非常重要的决定作用.为了对其进行精确测定,采用了高精度压汞仪对来自8种不同硬度的煤样进行压汞法实验,测定得出超微孔隙结构的所有特征参数.根据压汞法基本原理和分形几何学理论建立了切合实际的煤孔隙分形维数计算模型,利用孔隙特征参数计算出各硬度的孔隙结构分形维数.研究发现:煤孔隙结构具有很好的分形特征,煤体越松软,分形性越好,用分形规律研究煤岩孔隙结构越精确;随着煤体硬度的增加,孔隙分形维数不断降低,煤体抗压强度不断增大;建立硬度与孔隙分形维数之间的定量关系式,可以用硬度定量描述煤的吸附性和抗压强度.研究结论对于煤层瓦斯的运移、瓦斯抽放以及瓦斯突出均有着极为重要的意义.     

多尺度分形多孔介质气体有效扩散系数的数学模型

基于毛细管束假设和分形理论,建立了一种计算多孔介质中气体有效扩散系数的数学模型.利用分形几何理论,引入孔隙面积分形维数、孔道迂曲度分形维数以及孔隙连通性等参数定量表征多孔介质中真实的内部结构,构建出多孔介质、多尺度孔隙结构的分形模型,系统地研究了多孔介质中不同尺度孔隙下的气体扩散过程,推导出了分形多孔介质气体有效扩散系数模型,并分析讨论了多孔介质微结构参数对气体有效扩散系数的影响.研究结果表明,气体有效扩散系数随着平面孔隙度的增大而近似呈线性增加,孔隙面积分形维数与气体有效扩散系数呈正相关,而孔道迂曲度分形维数与气体有效扩散系数呈负相关;不同孔隙度情况下,气体有效扩散系数随着孔隙最小/最大直径比的变化趋势不同,孔隙连通性越强的多孔介质,气体有效扩散系数越大.     

基于铸体薄片的致密岩心孔隙结构多重分形特征研究

基于压汞和核磁共振实验进行了致密岩心孔隙结构分类,提取了不同孔隙结构的铸体薄片并应用PSO多阈值分割算法得到孔隙-骨架二值图。结合孔隙结构的多重分形理论计算了不同孔隙结构的多重分形维数及多重分形谱,分析了多重分形维数与饱和中值压力、平均孔喉半径和核磁T2几何平均值的关系。研究表明:基于多重分维表征方法与压汞、核磁共振等实验具有一致性,不同孔隙结构岩石的多重分形特征各异,物性越差、孔隙结构越复杂,多重分形维数越大;多重分形维数与饱和中值压力成正比,与平均孔喉半径和核磁T2几何平均值成反比;D_(min)与孔隙结构类型及其他孔隙结构表征参数的相关性最强,在缺乏压汞、核磁等实验数据时,基于铸体薄片的多重分形维数为致密岩石孔隙结构的定量表征提供了有利依据。     

陇东地区长7致密油储层微观孔喉结构 分形特征

微观孔隙结构研究对低渗、超低渗或致密砂岩油藏的渗流机理认识及开发有着极其重要的意义。利用鄂尔多斯盆地陇东地区36口井40块岩样的压汞资料,研究了长7储层微观孔隙结构的分形特征。研究发现,储层孔隙结构存在单一分形和多段分形特征。不同孔径范围具有不同的分形维数。不同的分形特征反映微观孔隙结构组合特征也是不同的,揭示了研究区储层孔隙结构的复杂性。表征微观孔隙结构的参数与分形维数存在良好的线性关系,表明可以用分形维数表征储层微观孔隙结构的非均质性。     

平茬周期对沙柳林地土壤孔隙结构分形特征的影响

为揭示毛乌素沙地不同平茬周期的人工沙柳林地土壤孔隙的分形特征,阐明平茬周期对沙柳林地土壤孔隙结构特征的影响,以平茬周期为3、5、7a进行定期抚育的沙柳林地土壤为研究对象,通过低温氮气吸附试验研究了不同平茬周期沙柳林地0～50 cm土壤的孔隙结构参数及等温吸附曲线,采用Frenkel-Halsey-Hill模型计算孔隙表面的分形维数,分析了林地土壤各孔隙结构参数之间的关系以及孔隙表面分维数与各孔隙参数之间的关系.结果表明:①该研究区的林地土壤孔径以中孔(2～50 nm)为主,有少量的微孔(≤2 nm)和大孔(≥50 nm);②不同平茬周期的沙柳林地土壤孔隙结构分形特征明显,分形维数范围为2.4971～2.7797,平均为2.6849,可较好地描述林地土壤孔隙表面和孔隙结构的分形特征;③不同平茬周期下林地土壤分形维数与各孔隙结构参数有密切关系,分形维数越大,孔隙表面越粗糙,不规整程度越高;④植被的平茬影响其再生复壮,针对沙柳为主要防风固沙树种的毛乌素沙地,平茬周期为5a时较适宜林地土壤发育并保持结构稳定.可见合理的平茬周期有利于当地人工林的生长和土壤稳定发育,因此,研究结果可为当地沙柳人工林的管理和经营提供理论指导,促使沙柳人工林达到预定的生产经营目标.     

贵州黔北地区构造煤与原生结构煤孔隙特征及分形

为了研究煤体在构造作用影响下孔隙结构与分形特征,本文采用低温氮气吸附法、压汞实验等方法,并结合分形理论对三甲煤矿突出孔洞内外煤样孔隙分布进行定量分析。通过MIP与N2GA联合分析,软硬煤临界孔径分别为59nm和86nm。硬煤孔容主要分布在100nm以下的孔隙中,构造煤各孔容分布差异不大,其中中孔和大孔孔容明显高于硬煤,并且构造煤比表面积比硬煤增大4倍多,孔容多出24.5%。根据分形理论分析发现,构造煤渗流孔和吸附孔分形维数分别为3.03和3.77均高于原生煤3.01与3.72;构造煤热力学分形维数高达2.916,构造煤具有更加复杂的孔隙结构和更加粗糙的孔隙表面。     

压裂液处理对煤岩孔隙结构的影响

煤层气压裂作业中必然发生压裂液与煤层的相互接触,煤岩微裂隙发育和毛管压力高等特点导致压裂液极易侵入煤层对煤岩孔隙结构造成严重损害,进而改变煤岩对煤层气的吸附能力。选取宁武盆地9号煤和现场用压裂液,采用氮气吸附和扫描电镜(SEM)表征压裂液处理前后煤样孔隙结构,探求不同体系压裂液处理对煤岩孔隙结构的影响,开展压裂液处理前后煤样的等温吸附实验。结果表明:压裂液处理后煤样孔径分布、比表面积及孔隙分形维数都将发生变化;压裂液体系对煤样孔隙结构的影响程度为瓜胶压裂液活性水压裂液清洁压裂液;压裂液处理后煤样比表面积与孔隙分形维数增量越大,其对甲烷气体吸附能力越强,煤岩孔隙结构的变化会改变甲烷气体的吸附能力。     

基于分形理论的饱和多孔介质电导率模型建立

多孔介质具有复杂的内部孔隙结构,其固体基质的组成成分、内部孔隙的几何形状及其赋存于内部孔隙的液体成分都对多孔介质的电导率有较大影响,因此很难对其导电特性进行准确表征。多孔介质内部孔隙的不规则性表现出极强的分形特性,其分形维数在一定程度上能反映多孔介质的内部微观结构特征,且分形几何理论已经被用于多孔介质输运特性的研究中。为进一步丰富多孔介质电导率模型,促进对微观物理结构如何影响其宏观电导性的理解,本文基于分形理论,以多孔介质微结构参数（孔隙度、孔隙分形维数和曲率分形维数）为基础,建立了多孔介质的电导率模型。以现有试验数据为基础,对推导电导率模型的正确性进行验证,结果表明,两者具有较高的一致性,说明该电导率模型的正确性和有效性。     

煤储层孔隙结构与甲烷吸附能量变化的非均质性特征

煤储层具有复杂的孔隙结构,在吸附甲烷气体过程中伴随能量变化。为研究煤储层孔隙和甲烷吸附过程中能量变化的非均质特性,使用分形维数分析煤孔隙的非均质性,运用吸附势和表面自由能理论分析等温吸附过程中的能量变化非均质性。结果表明：PY-1、PB-1、PB-2样品主要发育微孔,PY-2样品主要发育大孔,不同样品的孔隙分布差异明显;微孔是吸附甲烷的主要场所,但并非是影响甲烷吸附量的决定因素。煤的孔隙结构和本身性质影响了煤吸附甲烷的非均质性选择,镜质组含量越高,孔隙结构越复杂,孔隙分形维数越大,非均质性越强;甲烷吸附量越高,吸附势和表面自由能变化越大。     

煤与页岩低温氮吸附孔隙结构特征与分形特征对比——以阳泉地区山西组15#煤与页岩为例

以山西组高煤级煤与页岩样品为例,通过低温氮气吸附实验研究了样品的孔隙结构特征,并基于FHH分形模型计算了样品的分维值,对页岩与煤层的孔隙分形特征进行了对比研究。结果表明:页岩样品以微孔为主,同时含有一定量的过渡孔,主要的储集空间由微孔和过渡孔提供。高煤级煤样品以过渡孔为主,主要的储集空间由过渡孔提供。在测试孔径范围内,页岩样品的比表面积远大于高煤级煤。页岩的孔隙形态上以四周开放的平行板孔和裂缝型孔为主,具有部分细颈瓶孔,高煤级煤的孔隙形态以封闭型孔为主,反映页岩储层微观渗流能力更强,可能是页岩中游离气比例高于煤层的原因之一。页岩与高煤级煤均具有显著的分形特征,页岩样品分维值高于高煤级煤,说明页岩孔隙的空间结构比高煤级煤更为复杂,非均质性更强;同时二者均具有双重分形特征,页岩渗流孔分维值低于吸附孔,反映页岩吸附孔孔隙结构更为复杂。与页岩相比,高煤级煤渗流孔和吸附孔的分维值均小于页岩,孔径分布集中于过渡孔,有利于煤层气快速到达产气高峰;而页岩孔径分布则集中于微孔和过渡孔,吸附气含量更高,并且过渡孔的孔隙结构以平行板孔为主,孔隙结构特征较微孔简单。     

多孔硅及其分形特性研究

利用阳极氧化技术制备了多种多孔硅（ＰＳ）样品，测出其结构参数，并摄得相应的ＳＥＭ微观形貌图片．针对多孔硅的结构特点，确立相应的离散分形布朗随机增量（ＤＦＢＩＲ）场模型，应用图像处理方法，求出不同ＰＳ微观图像的分形参数．发现了ＰＳ结构参数和分形参数的内在联系与规律性，为ＰＳ的定量化研究提出了新的方法     

Visual Evaluation of the Morphologic Structure of Nonwovens Using Image Analysis and Fractal Geometry

IntroductionNonwovensarefibermaterialswhicharebasedonnonwoventechnologies.Theirmostadvantagesarethattheprocessingtechnologiesandformingmethodsfortheproductscanbedesignedscientificallyaccordingtotheirenduse.Sothattheresourcescanbeusedmostadequatelyandthesatisfactoryproductsbeobtained.Theapplicationsofnonwovensinindustry,agriculture,civilconstruction,sanitary,homeuseandsoon,arewiderandwider.Theycanbeusedasvariouskindsoffilters,adsorbents,geotextiles,insulationmaterialsofheat,soundandelectricity…     

活性炭微孔及其界面结构的实验研究

通过采用Ｘ射线小角散射技术对活性炭中气孔孔径及其分布、比表面积和气孔表面分形数等结构参数的实验测定与比较分析，说明了活性炭中气孔的孔径呈双峰分布；过滤孔与微孔比例以及微孔的发达程度等影响活性炭性能的参数随活性不同而有较大差别；活性炭孔表面具有人分形结构和特征，分形维数与光滑表面对应的数值有明显差异，且可能成为表征活性炭一个重要参数。     

不同颗粒粒径下型煤孔隙及发育程度分形特征

煤是一种非均匀多孔隙介质,其孔隙特征及其发育程度与煤层中瓦斯的吸附解吸特性及流动特征密切相关。为探讨型煤的孔隙结构,实验以颗粒粒径分别为4.00～1.70 mm、1.70～0.38 mm及0.38～0.18 mm的煤颗粒制作而成的型煤为研究对象,利用CF-2000P偏光分析软件和Fractalfox2.0分形分析软件对由不同粒径煤颗粒压制成的型煤孔隙特征及发育程度开展了系统研究。结果表明,随着型煤颗粒粒径逐渐减小,型煤中的孔隙半径逐渐减小,孔隙总数逐渐增多,分形维数值逐渐增大,孔隙发育程度逐渐增大,孔隙分布均匀程度逐渐增大。