非均質(zhì)多孔介質(zhì)的逾滲一滲流特征.pdf

1、近年來，逾滲理論及其應用研究比較活躍，逾滲理論在各個領域的應用也取得了可觀的成就，但在以往的研究及文獻中，只是針對均質(zhì)孔隙介質(zhì)進行的逾滲理論方面的研究，幾乎沒有文獻對非均質(zhì)多孔介質(zhì)的逾滲規(guī)律和滲流特征進行闡述或研究。
　　 以往文獻中所研究的非均質(zhì)材料是指材料的細觀組成或微觀組成顆粒在某種力學或結構參數(shù)上的差異，如滲透系數(shù)、強度等；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構，構建非均質(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)角度進行研究，對了解真實煤巖體的逾滲規(guī)律和滲流特征，具有重大的現(xiàn)實意義。
　　 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用，并進行了以下幾方

3、面的研究工作：
　　 利用μ CT225KV FCB型高精度顯微CT實驗機分別對油頁巖、細砂巖、中砂巖、陽泉無煙煤和煤樣進行CT掃描實驗，分析各種煤巖樣的結構特征，本文從中選擇了油頁巖、中砂巖和煤樣這三種具有不同結構特征的煤巖樣作為研究對象，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)逾滲模型的基礎上，本文重點對非均質(zhì)多孔介質(zhì)的逾滲規(guī)律及孔隙連

4、通團的結構分布特征進行了研究，得出的結論主要有：(1)均質(zhì)多孔介質(zhì)均在其逾滲闊值處孔隙團的大小與數(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)孔隙團分布服從分形規(guī)律時的孔隙率并不等于其逾滲閾值；由于二維情況孔隙團的分布受非均質(zhì)隨機性的影響較大，三維的孔隙團大小與團數(shù)量在雙對數(shù)坐標中呈線性關系時的擬合相關系數(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)在孔隙團很小時曲線呈現(xiàn)出向上凸的趨勢，說明非均質(zhì)多孔介質(zhì)中小團的數(shù)量較少。(3)分別比較油頁巖、中砂巖及煤樣的孔隙團大小與團數(shù)量的分布曲線，可以得出：1)二維情況下，油頁巖和中砂巖的分布曲線在其服從冪律關系前后分別呈現(xiàn)出向上凸和向下凹的趨勢，而煤樣的分布曲線在其服從冪律關系前并沒有向上凸的趨勢。2)三維情況下，煤樣和油頁巖、中砂巖在不同孔隙率下孔隙團的分

6、布曲線趨勢是相同的，均呈現(xiàn)出不同的凹凸趨勢且在團很小的情況下會向上凸，但其團大小與團數(shù)量間服從分形規(guī)律時的孔隙率明顯小于油頁巖和中砂巖的，大概在0．25％處，和其發(fā)生逾滲轉變的逾滲閩值7.75％相差甚遠。(4)二維、三維均質(zhì)及非均質(zhì)多孔介質(zhì)的連通團數(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)的連通團數(shù)量達到最大值時的孔隙率均小于相應均質(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，得出的結論為：(1)當二維均質(zhì)多孔介質(zhì)的孔隙率小于30％時，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；當孔隙率介于3％和40％之間時，流體的滲流區(qū)域緩慢增大；當孔隙率大于一40％，流體的滲流面積迅速擴大。(2)在200mm×200mm網(wǎng)格中心選取了9個節(jié)點設定1m3／s的流量，并觀察以時間步長為2000分鐘計算10次后的滲流情況，統(tǒng)計分析其曲線與圖形，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、邊長為200mm的正方體，將其劃分成2003個等大小的子網(wǎng)格，在立方體網(wǎng)格的中心節(jié)點設定1 m3／s的流量，觀察以時間步長為4000分鐘計算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)實體模型(每個方向的滲透系數(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；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、巖樣的結構特征呈現(xiàn)不同的變化趨勢。(4)二維均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流區(qū)域與滲流時間的關系曲線服從對數(shù)關系；三維均質(zhì)多孔介質(zhì)的滲流區(qū)域與滲流時間的關系曲線服從冪律關系。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)域面積與滲流時間曲線均服從冪律關系。(5)分別構建243個單位大小的二維均質(zhì)多孔介質(zhì)、規(guī)則地毯及隨機地毯模型，選取網(wǎng)格中心的9個節(jié)點注入1 m3／s的流量，并以時間步長為50分鐘計算100次后的滲流情況，統(tǒng)計分析其曲線及參數(shù)，得出的結

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)則和隨機地毯模型的在40％附近；當孔隙率小于滲流臨界孔隙率時，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，而隨機地毯由于致密顆粒的隨機分布，其滲流曲線斜率明顯大于其他兩種理想材料：而當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