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1、近年來,逾滲理論及其應(yīng)用研究比較活躍,逾滲理論在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了可觀的成就,但在以往的研究及文獻(xiàn)中,只是針對(duì)均質(zhì)孔隙介質(zhì)進(jìn)行的逾滲理論方面的研究,幾乎沒有文獻(xiàn)對(duì)非均質(zhì)多孔介質(zhì)的逾滲規(guī)律和滲流特征進(jìn)行闡述或研究。
以往文獻(xiàn)中所研究的非均質(zhì)材料是指材料的細(xì)觀組成或微觀組成顆粒在某種力學(xué)或結(jié)構(gòu)參數(shù)上的差異,如滲透系數(shù)、強(qiáng)度等;而本文中提到的非均質(zhì)多孔介質(zhì)是指材料的孔隙在空間上分布的非均勻性。按材料組成可分為多孔隙顆粒和致密
2、顆粒。由于致密顆粒的大小與數(shù)量服從分形規(guī)律,可以按照塞爾賓斯基地毯結(jié)構(gòu),構(gòu)建非均質(zhì)多孔介質(zhì)模型,以煤為例,多孔隙顆粒表示煤粒,而致密顆粒為不同于煤質(zhì)本身的其它雜質(zhì)。本文提到的均質(zhì)多孔介質(zhì)是指材料的孔隙在空間分布上是均勻的。
所以本文主要從非均質(zhì)多孔介質(zhì)角度進(jìn)行研究,對(duì)了解真實(shí)煤巖體的逾滲規(guī)律和滲流特征,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
本文首先介紹了逾滲理論的研究發(fā)展概況,闡述了逾滲理論在滲流方面的應(yīng)用,并進(jìn)行了以下幾方
3、面的研究工作:
利用μ CT225KV FCB型高精度顯微CT實(shí)驗(yàn)機(jī)分別對(duì)油頁(yè)巖、細(xì)砂巖、中砂巖、陽(yáng)泉無(wú)煙煤和煤樣進(jìn)行CT掃描實(shí)驗(yàn),分析各種煤巖樣的結(jié)構(gòu)特征,本文從中選擇了油頁(yè)巖、中砂巖和煤樣這三種具有不同結(jié)構(gòu)特征的煤巖樣作為研究對(duì)象,基于掃描所得的CT圖片,利用課題組開發(fā)的CT圖像分析程序,分別建立了各種煤巖樣的CT圖像三維重建數(shù)字模型。在二維、三維均質(zhì)多孔介質(zhì)逾滲模型的基礎(chǔ)上,本文重點(diǎn)對(duì)非均質(zhì)多孔介質(zhì)的逾滲規(guī)律及孔隙連
4、通團(tuán)的結(jié)構(gòu)分布特征進(jìn)行了研究,得出的結(jié)論主要有:(1)均質(zhì)多孔介質(zhì)均在其逾滲闊值處孔隙團(tuán)的大小與數(shù)量服從分形規(guī)律。地毯模型也在其逾滲閾值處孔隙團(tuán)的大小與數(shù)量服從分形規(guī)律,但其逾滲閡值小于均質(zhì)多孔介質(zhì)的。而非均質(zhì)多孔介質(zhì)孔隙團(tuán)分布服從分形規(guī)律時(shí)的孔隙率并不等于其逾滲閾值;由于二維情況孔隙團(tuán)的分布受非均質(zhì)隨機(jī)性的影響較大,三維的孔隙團(tuán)大小與團(tuán)數(shù)量在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系時(shí)的擬合相關(guān)系數(shù)均大于二維的。(2)比較均質(zhì)多孔介質(zhì)、塞爾賓斯基地毯模型
5、和非均質(zhì)多孔介質(zhì)的孔隙團(tuán)的分布曲線可以看出,不論是二維還是三維的情況,非均質(zhì)多孔介質(zhì)在孔隙團(tuán)很小時(shí)曲線呈現(xiàn)出向上凸的趨勢(shì),說明非均質(zhì)多孔介質(zhì)中小團(tuán)的數(shù)量較少。(3)分別比較油頁(yè)巖、中砂巖及煤樣的孔隙團(tuán)大小與團(tuán)數(shù)量的分布曲線,可以得出:1)二維情況下,油頁(yè)巖和中砂巖的分布曲線在其服從冪律關(guān)系前后分別呈現(xiàn)出向上凸和向下凹的趨勢(shì),而煤樣的分布曲線在其服從冪律關(guān)系前并沒有向上凸的趨勢(shì)。2)三維情況下,煤樣和油頁(yè)巖、中砂巖在不同孔隙率下孔隙團(tuán)的分
6、布曲線趨勢(shì)是相同的,均呈現(xiàn)出不同的凹凸趨勢(shì)且在團(tuán)很小的情況下會(huì)向上凸,但其團(tuán)大小與團(tuán)數(shù)量間服從分形規(guī)律時(shí)的孔隙率明顯小于油頁(yè)巖和中砂巖的,大概在0.25%處,和其發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的逾滲閩值7.75%相差甚遠(yuǎn)。(4)二維、三維均質(zhì)及非均質(zhì)多孔介質(zhì)的連通團(tuán)數(shù)量都隨孔隙率的增加先增多后減少,且二維和三維非均質(zhì)多孔介質(zhì)的連通團(tuán)數(shù)量達(dá)到最大值時(shí)的孔隙率均小于相應(yīng)均質(zhì)多孔介質(zhì)的。
本文引入了滲流臨界孔隙率的概念,分別研究了二維均質(zhì)及非均質(zhì)
7、多孔介質(zhì)的滲流特征,得出的結(jié)論為:(1)當(dāng)二維均質(zhì)多孔介質(zhì)的孔隙率小于30%時(shí),流體的滲流區(qū)域很小,即使壓力較大,流體也基本不發(fā)生滲流;當(dāng)孔隙率介于3%和40%之間時(shí),流體的滲流區(qū)域緩慢增大;當(dāng)孔隙率大于一40%,流體的滲流面積迅速擴(kuò)大。(2)在200mm×200mm網(wǎng)格中心選取了9個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定1m3/s的流量,并觀察以時(shí)間步長(zhǎng)為2000分鐘計(jì)算10次后的滲流情況,統(tǒng)計(jì)分析其曲線與圖形,得到二維均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流臨界孔隙率約為45%。建立
8、邊長(zhǎng)為200mm的正方體,將其劃分成2003個(gè)等大小的子網(wǎng)格,在立方體網(wǎng)格的中心節(jié)點(diǎn)設(shè)定1 m3/s的流量,觀察以時(shí)間步長(zhǎng)為4000分鐘計(jì)算5次后的滲流情況研究并分析其曲線與圖形,得到三維均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流臨界孔隙率約為18%。(3)二維均質(zhì)多孔介質(zhì)模型與均質(zhì)實(shí)體模型(每個(gè)方向的滲透系數(shù)是一樣的)的滲流情況是一樣的,其滲流圖形y方向與x方向的最大尺度的比值均在1附近上下波動(dòng);而非均質(zhì)多孔介質(zhì)滲流圖形y方向與x方向的最大尺度的比值根據(jù)各煤
9、巖樣的結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。(4)二維均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流區(qū)域與滲流時(shí)間的關(guān)系曲線服從對(duì)數(shù)關(guān)系;三維均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流區(qū)域與滲流時(shí)間的關(guān)系曲線服從冪律關(guān)系。而二維、三維的地毯模型和非均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流區(qū)域面積與滲流時(shí)間曲線均服從冪律關(guān)系。(5)分別構(gòu)建243個(gè)單位大小的二維均質(zhì)多孔介質(zhì)、規(guī)則地毯及隨機(jī)地毯模型,選取網(wǎng)格中心的9個(gè)節(jié)點(diǎn)注入1 m3/s的流量,并以時(shí)間步長(zhǎng)為50分鐘計(jì)算100次后的滲流情況,統(tǒng)計(jì)分析其曲線及參數(shù),得出的結(jié)
10、論為:1)均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流臨界孔隙率約為45%,而規(guī)則和隨機(jī)地毯模型的在40%附近;當(dāng)孔隙率小于滲流臨界孔隙率時(shí),由于致密顆粒的存在,規(guī)則地毯的滲流曲線斜率大于均質(zhì)多孔介質(zhì)的,而隨機(jī)地毯由于致密顆粒的隨機(jī)分布,其滲流曲線斜率明顯大于其他兩種理想材料:而當(dāng)孔隙率大于滲流臨界孔隙率,各種材料的滲流曲線斜率都在600與700之間。2)各種理想材料不同孔隙率下的a、b值的變化趨勢(shì)是相同的;且a、6的值均在其滲流臨界孔隙率處發(fā)生突變,其突變的越
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