岩石微观结构CT扫描表征技术研究

岩石微观结构特征研究对非常规油气藏的演化规律、油气赋存状态、运移方式、渗流特征等基础地质问题研究具有重要的科学意义.利用CT 扫描技术对油砂、致密砂岩和页岩样品微观结构表征研究,并对比了常规测试方法与CT扫描表征技术的差异性. 对比CT扫描法和筛分法测试油砂矿物的粒度分布,两者结果十分接近,矿物颗粒大小分布总体趋势上差异小,但小于96μm的颗粒矿物分布差异性稍大.CT扫描结果显示致密砂岩样品的裂缝比较发育,还发育溶蚀孔隙. 由于测试方法和样品大小的差异性,CT扫描获得的孔隙度略大于氦气法孔隙度.微米CT 扫描可以表征页岩的层理发育情况,但无法表征内部的微观孔隙结构.与常规测试方法相比,纳米CT 扫描表征页岩中有机质和黄铁矿的含量等方面准确性好,但孔隙度测试结果偏小.纳米CT分辨率还不能完全满足表征页岩的微观孔隙结构的要求,同时有机质和孔隙的灰度值差异较小,两者区分难度大,因此纳米CT还无法完全准确表征页岩微观孔隙结构.      

纳米受限效应下流体自扩散机理及规律研究

当固体壁面间距仅有几个纳米时,纳米受限效应使得流体自扩散系数降低1²个数量级,孔径、温度和压力的影响显著且复杂。分析受限流体扩散机理和规律,建立简洁的关联式具有重要意义。本研究从分子模拟出发,经过仔细计算和分析,获得了大量纳米孔隙中流体自扩散系数数据。分析了壁面吸附作用对流体扩散的影响机理和规律,提出了可简单描述流体扩散行为的无量纲扩散系数,从而与努森数建立相应关联式,具有较强的适用性。     

基于制冷循环的闭式喷雾冷却系统实验研究

喷雾冷却是一种高效换热方式,有着良好的发展前景,其主要优势在于单位质量流体冷却能力强、系统中工质用量少、换热表面温度分布均匀、系统稳定性强。本文设计了使用R134-a作为工质的基于制冷循环的闭式喷雾冷却系统,研究了不同质量流量、腔内压力和热流密度情况下的冷却性能。实验结果表明,喷雾冷却的换热能力优异,最大冷却热流密度达到130 W/cm~2,同时可将表面温度控制在45℃以下,可以保证电子器件的稳定高效运行。此外,系统工质流量及腔内压力存在最优值,且表面过热度对冷却效率有显著的影响。     

空气与高温烧结水泥颗粒球间气固换热规律研究

本文对空气与高温烧结水泥颗粒的气固换热规律进行了非稳态实验研究和数值模拟。通过实验分析了空气速度、颗粒初始温度、颗粒大小对对流换热系数的影响,水泥颗粒直径为8.88 cm和5.94 cm,水泥颗粒初始温度约为500℃和700℃,空气速度范围1～4 m/s,得到了实验范围内空气绕流烧结水泥颗粒的对流换热经验关联式。结果表明:高温烧结水泥颗粒冷却过程中辐射换热热流密度与对流换热热流密度相当,不可忽略;实验所得准则数Nu_f与Re_d的指数关系为0.5。对直径为8.88 cm的水泥颗粒对应的试验工况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果符合较好,误差在20%以内。     

流体在微细多孔介质中的流动阻力研究

本文对空气和水流过烧结微细多孔介质内部的流动阻力进行了实验研究和数值模拟,分析不同颗粒直径条件下摩擦因子与等效雷诺数的关系.结果表明:对于水,实验及数值模拟得到的摩擦因子与经验公式符合很好.对于空气,当颗粒直径为200μm和125 μm时,由于可压缩性的影响,摩擦因子略大于经验公式结果.当颗粒直径为90μm和40 μm时,实验及考虑速度滑移得到的摩擦因子小于经验公式结果.因此,当颗粒平均直径小于90 μm时,空气在微细多孔介质中的流动需要考虑稀薄气体效应.     

多孔介质流动沸腾微观模型实验研究

多孔通道内流动沸腾广泛应用于热管、高效换热器、航天热防护等领域,认识孔隙尺度相变典型行为及特点有助于理解多孔介质内沸腾传热机理,进而改进多孔介质内部流体相变模型。基于此,本文搭建了二维多孔介质内流动沸腾实验台,对微米级多孔通道内部流动沸腾现象及气泡行为进行研究。实验发现在毛细力、黏性力和惯性力的共同作用下,多孔介质内的流动沸腾形态显著区别于直通道内的沸腾,存在局部气泡堵塞、合并和液膜蒸干、再润湿等行为。该研究有助于增强对相变过程的理解,并为多孔结构优化设计提供指导。     

方解石纳米孔隙内二氧化碳毛细凝聚的分子模拟

在二氧化碳地质封存、增产非常规油气以及孔隙材料表征测量方面,纳米孔隙中二氧化碳相态的准确预测具有重要意义。然而,由于纳米尺度下毛细力、分离压等作用力占据主导因素,流体在孔隙中的相行为与体相流体存在根本不同。已有实验和模拟表明,Kelvin毛细凝聚理论无法预测特征尺度10nm下的,孔隙内流体凝聚压力与体相饱和蒸气压的偏离程度。本文利用分子模拟方法,研究了孔径范围为0.83-8.0nm的方解石纳米孔隙中二氧化碳毛细凝聚。结果表明,微孔(小于2nm)中二氧化碳受吸附层影响,凝聚压力远低于体相饱和蒸气压,介孔(2?50nm)中二氧化碳受壁面影响,凝聚压力仍低于体相饱和蒸气压,且受孔径影响显著,并获得了纳米孔隙中二氧化碳相态随压力的变化规律。     

地质封存过程中饱和二氧化碳水溶液在岩心中矿化反应研究

本文以二氧化碳地下深部咸水层封存为背景,研究了在地质封存过程中二氧化碳水溶液通过天然岩心时发生矿化反应的过程。本文主要通过实验研究,利用核磁共振设备,对比了矿化反应前后,钙化岩心注入二氧化碳饱和水溶液后渗透率、孔隙率等基本参数的变化。发现在矿化反应过程中,岩心的渗透率和孔隙率都会不断增加,而入口及原大孔隙部分孔隙率增加尤为明显,发现矿化反应对渗透率的影响较大,在实际二氧化碳地质封存模拟时,需要考虑矿化反应对渗透率的影响。     

微细多孔介质中对流换热研究

本文对空气、氦气和二氧化碳流过微细多孔介质内部的对流换热进行了实验研究和数值模拟。实验段为烧结多孔介质,颗粒的平均直径为40～225μm,通过单吹法的实验方法进行瞬态实验,得到了多孔介质内部对流换热系数。数值模拟了气体流过微细多孔结构内部的对流换热的非稳态过程,得到多孔介质内部对流换热系数。数值结果与实验结果基本一致,并与已有结果基本吻合。     

超临界压力CO2在深部咸水层中运移规律研究

本文以深部咸水层二氧化碳地质封存为背景,针对超临界压力二氧化碳和水在岩心中的驱替过程和运移规律进行了可视化研究。本文主要通过实验方法,利用核磁共振设备,得到了岩心的孔隙率、岩心中超临界压力二氧化碳-水相对渗透率随饱和度变化曲线及不同时刻岩心中水的分布特征等。研究表明,用核磁测量得到的岩心孔隙率具有很高精确度,利用核磁共振得到横向弛豫时间T₂图谱,可以有效分析有效孔隙率和可流动流体所占比例。通过观察不同注入比例时的切层图像,发现在注入比例为CO₂:H₂O=3:1（体积比）时在入口处出现了较显著的浮升力作用。