基于煤层气运移的煤孔隙分形分类及自然分类研究

根据中国146件煤样的压汞测试数据，基于煤层甲烷的扩散、渗流特征，通过比孔容与孔径结构的分形研究，将煤孔隙划分为小于65 nm的扩散孔隙和大于65 nm的渗透孔隙两级．扩散孔隙再根据孔表面积增量与孔径的关系，划分出小于8 nm的微孔、8～20 nm的过渡孔和20～65 nm的小孔3类；渗透孔隙根据孔容增量的突变孔径的自然显现规律再进一步细分为65～325 nm的中孔、325～1000 nm的过渡孔和大于1000nm的大孔3类．     

煤纳米孔隙结构的原子力显微镜研究

煤纳米孔隙是认识煤中吸附气储集和运移的重要因素. 提出一种研究煤纳米孔隙结构的新方法, 该方法基于原子力显微镜(AFM)的纳米级分辨率, 可直观清晰地观察煤的纳米孔隙特征, 并可对煤纳米孔隙结构参数进行三维定量测量. 分析结果表明: 煤中纳米孔主要为变质气孔和分子间的链间孔, 变质气孔的形貌主要为圆形和椭圆形, 随煤化程度的提高, 变质气孔的发育程度不断增加; 链间孔的形态变化较大, 低煤级煤的链间孔大于高煤级煤, 链间孔随煤级的升高逐渐减少. 横切面分析可以有效地揭示煤纳米孔隙的几何学特征, 相分析的参数是表征煤微孔隙度的重要参数之一, 而粒度分析则可以检测煤纳米孔隙孔径分布特征. AFM 对煤纳米孔隙的研究, 将会给煤的微观结构和煤层气吸附机理的进一步深入研究提供新的研究手段.     

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.     

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.     

孔隙介质中流体渗流边界演化过程的实验研究

孔隙介质中流体渗流边界形貌的研究对石油开采、核废料处置、地下水污染等工程问题具有十分重要的意义. 以流体在孔隙介质中缓慢渗流为背景, 人工制造了6种孔隙率的孔隙介质(俗称金刚玉), 采用5种不同运动黏度的流体在6种孔隙度的人造孔隙介质中进行渗流实验, 记录了渗流实验过程, 获得了不同黏度、不同孔隙率条件下的流体渗流边界形貌演化图. 估算了流体渗流边界的平均位移和流体边界形貌的分形维数, 获得了平均速度和流体边界分形维数随时间的演化规律, 进一步统计分析了渗流边界平均速度、流体边界形貌演化复杂程度与孔隙率、流体运动黏度之间的关系. 结果显示, 孔隙介质中流体渗流边界形貌是孔隙率和流体运动黏度综合影响的结果.     

布朗运动的multifractal特性

布朗运动轨迹是一种经典的分形实例.最近,Lpez-Quintela等人发现布朗运动的轨迹的分形维数随着步数的增加而逐渐变大,并指出这一现象可能暗示着布朗轨迹有multifractals特征.但没有说明原因和给出具体结果.本文报道二维布朗轨迹的multifractal特征及相变的研究.     

水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

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.     

复合气凝胶的常压干燥制备及制备条件对其结构的影响

在正硅酸乙酯(TEOS)和硝酸铜(Cu(NO₃)₂•3H₂O)复合溶胶体系中引入干燥控制化学添加剂(DCCA)N,N-二甲基甲酰胺(DMF), 采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel Method)和常压干燥工艺, 制备了具有高比表面积的Cu-SiO₂复合气凝胶. 研究了铜负载质量、催化剂浓度及热处理等不同条件对Cu掺杂SiO₂复合气凝胶结构的影响. 结果表明, 气凝胶颗粒呈均匀分布, 其孔径主要分布在2~15 nm之间; Cu含量的增加有利于CuO晶粒的生成以及比表面和孔体积的减小; 催化剂的浓度较高时, 硅氧网络的聚合程度随催化剂浓度的增大而减弱. 高温热处理后复合气凝胶表现出良好的热稳定性.     

粗糙面激光脉冲非相干散射及强度起伏协方差函数

基于激光脉冲粗糙面散射特征,利用积分变换,误差函数和随机变量的统计矩,研究激光脉冲非相干散射和散射场量的强度起伏协方差函数特征.在入射激光波长?=1.06?m条件下,数值计算了不同粗糙面高度起伏均方和相关长度,不同入射角等影响因素下,散射场相干和非相干分量,以及强度起伏协方差函数随散射角和相干带宽频差的变化情况.计算结果表明,在激光脉冲入射下,随机粗糙面的高度均方越小,相关长度越大,即表面越光滑,散射场的相干和非相干分量在入射角镜反射方向出现最大峰值,非相干分量峰值在非入射角镜反射方向上会迅速减小,且非相干分量在量级比相干散射分量上小很多,散射场强度起伏协方差函数的分布趋势随着相干带宽频差的增大逐步减小,镜反射方向和相干带宽频差为零时出现最大峰值.本文所给出的研究结果,深化了粗糙面脉冲散射场量的四阶统计特征,为开展目标激光脉冲散射场量高阶统计特征和激光散斑探测研究奠定基础.     

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.     

有限元法对正三棱柱吸声体的模态分析

文章利用有限元法分别对穿孔板和正三棱柱进行模态分析.在分析过程中,同时改变穿孔板和正三棱柱的板厚、穿孔直径、穿孔率和材料四个参数,通过参数的改变来分析比较固有频率变化和模态分布情况.研究结果表明:改变其中任何一个参数,吸声体固有频率随阶次增加而呈规律性变化,但模态分布变化不大.在改变板厚、材料、穿孔率时.自振频率变化均比改变孔径时变化大.     

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.     

致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550 kHz)、声波测井(约10 kHz)和地震勘探(约30 Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362 m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.     

受压岩石中裂纹发育过程及分维变化特征

利用扫描电镜和光学显微镜对岩石裂纹发育的实时观测已有报道,实验和现场研究结果表明岩石破裂带具有分形特征,本文对大理岩受单轴压缩时裂纹随外载增加时变化过程进行了扫描电镜实时观测研究,通过分维统计,得出岩石构元局部分维值随外载的变化规律.1 实验1.1 岩石试件及加载装置实验所用岩石材料为细料房山大理岩,主要矿物为方解石和白云石,粒径分布0.05～0.35     

核磁共振冷冻测孔法及其在页岩纳米孔隙表征的应用

页岩气已成为如今最具开采前景与价值的非常规天然气,而以纳米级孔隙为主体的页岩孔隙结构极大程度地决定着其成藏机理与运移机制,因此,能否准确地表征页岩孔隙结构是影响页岩气资源评价合理与否的关键因素.目前,扫描电子显微镜、压汞法、氮气吸附法、CT法等已被大量用于页岩的孔隙特征研究,然而由于页岩孔隙结构复杂、非均质性强等特点,不同方法在表征时往往受到适用范围和测试精度等方面的限制.针对新兴的核磁共振冷冻测孔法,利用标准孔隙样品对该基于核磁共振原理的变温测孔技术进行了方法验证,并将其用于页岩的孔隙度及孔径分布研究,同时探讨了块状、磨碎两种样品形态对测试结果的影响.测试结果表明该方法获取的孔隙度、孔径分布数据与压汞法、氮气吸附法在同一表征条件下吻合较好,且样品磨碎后相较块状样品能一定程度地获取封闭的不连通孔隙信息.该方法扰动小、直观、快速,能够很好地获取2~1000 nm范围的孔隙结构信息,可对其他测试手段进行补充和验证,为页岩等低渗介质复杂孔隙结构表征研究提供了新方法.研究除对技术特点与适用条件进行分析外,也针对技术改进、应用拓展等方面提出了展望.     

用粒径的重量分布表征的土壤分形特征

形状与大小各异的土壤颗粒组成的土壤结构,表观上反映出一个不规整的几何形体.已有的研究表明,土壤是具有分形特征的系统.Turcotte 提出了多孔介质材料的粒径分布公式为 N(δ>d_i)∝d_i~(-D),式中 N 是粒径大于 d_i 的总数;D 是粒径分布的分形维数.由于 N值不能直接通过实验得到,其值受到假设与实际符合程度的影响,也影响了 D 值的准确计算.在通常的土壤分析中,得到的均为土壤粒径的重量分布值,因此,本文用粒径的重量分布取代     

有限元法对正三棱柱吸声体的模态分析

文章利用有限元法分别对穿孔板和正三棱柱进行模态分析。在分析过程中,同时改变穿孔板和正三棱柱的板厚、穿孔直径、穿孔率和材料四个参数,通过参数的改变来分析比较固有频率变化和模态分布情况。研究结果表明:改变其中任何一个参数,吸声体固有频率随阶次增加而呈规律性变化,但模态分布变化不大。在改变板厚、材料、穿孔率时,自振频率变化均比改变孔径时变化大。     

二乙醚-空气预混火焰的不稳定性分析

利用高速纹影摄像法和球形发展火焰研究了不同初始压力和不同当量比下的二乙醚-空气预混合气层流火焰燃烧特性, 得到了层流燃烧速率、马克斯坦数、胞状结构出现的临界半径等燃烧参数, 分析了火焰前锋面的不稳定性. 研究结果表明: 无拉伸层流燃烧速率随初始压力增加而减小, 随当量比的增加而呈现出先增加后减少的趋势, 无拉伸层流燃烧速率的最大值出现在当量比为1.1处. 马克斯坦数随初始压力和当量比的增加而减小, 反映出初始压力和当量比降低了火焰前锋面的稳定性. 胞状结构出现的临界半径随初始压力的增加而减小.     

忽略1.6μm偏振计算对二氧化碳反演精度的影响

散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演精度的影响.研究表明:1.6μm波段散射引入的偏振效应明显,并随太阳高度角、观测天顶角、气溶胶光学厚度、地表反射率而变化.除个别大角度观测天顶角外,偏振效应随太阳天顶角升高、气溶胶光学厚度增加、地表反射率的减小而变大,并且在吸收线位置的影响要高于窗区.忽略偏振效应导致的大气二氧化碳反演误差随太阳天顶角的升高、气溶胶光学厚度的增加以及地表反照率减小而增大,并且该误差与仪器观测角度有关.模拟结果显示在高太阳天顶角、高气溶胶光学厚度以及低反照率场景下,忽略偏振计算可能引入高于10 ppmv(1 ppmv=10~(-6) L/L)反演误差,远高于1~2 ppmv观测需求.为减小误差,基于该波段的二氧化碳反演需要考虑大气辐射偏振的影响.     

煤岩结构纳米级变形与变质变形环境的关系

煤岩结构的纳米级变形与变质变形环境有着较密切的关系. 在不同变质变形环境中, 煤岩结构可以发生显微变形, 甚至可以表现在纳米级尺度上, 由此并导致分子结构和纳米级孔隙结构(<100 nm)的变化, 后者是煤层气的主要吸附空间. 通过X射线衍射和液氮吸附法对不同变质变形环境、不同变形系列构造煤大的分子结构与纳米级孔隙结构特征进行了深入研究, 并结合高分辨透射电子显微镜对大分子结构和孔隙结构直观观测, 结果表明: 构造煤大分子基本结构单元(BSU)堆砌度L_c从低煤级变质变形环境至高煤级变质变形环境增长较快, 这主要反映了不同变形机制下构造煤不同变质变形环境的差异. 尽管温度因素对大分子结构参数L_c的变化也取重要作用, 但应力作用更明显. 煤BSU堆砌度L_c以及L_a /L_c参数的变化反映了构造变形强弱的变化, 可以当作构造煤结构纳米级变形程度的指示剂. 由于温度、压力的增大, 主要是定向应力的作用, 分子的局部定向性增强, BSU内各碳网及BSU间排列的秩理化程度明显增强. 对于纳米级孔隙结构的变形, 随着应力作用的增强, 同一变质变形环境不同类型构造煤纳米级过渡孔孔容所占比例明显降低, 微孔及其以下孔径段孔容明显增多, 可见亚微孔和极微孔; 过渡孔比表面积所占比例大幅度降低, 而亚微孔却增加得较快. 非均质结构煤孔隙参数与弱脆性变形煤相当. 但不同变质变形环境构造煤的纳米级孔隙的变形又有所区别. 温度与围压条件对纳米级孔隙特征参数的演化也有一定的作用, 但应力的变化却对纳米级孔隙特征参数的演化起到主要作用.