孔隙裂隙双重介质逾渗理论及应用研究

论文摘要

逾渗理论从提出到现在虽然只有短短五十余年，但在其理论研究和应用研究方面已取得了许多重要的研究成果，并被广泛应用于诸多领域，成为了一种重要的研究方法和研究工具。众所周知，煤体岩体这类孔隙裂隙双重介质中，孔隙和裂隙为流体在介质中的流动提供唯一的空间，这一空间的连通性从细观结构上决定了煤岩体的渗透性，逾渗理论为我们的研究这种细观结构提供了新的思路，逾渗理论适用于研究随机无序介质，而煤岩体正好是这类介质，所以他们之间有着天然的联系，但到目前为止，还没有建立适合于研究煤岩体这类孔隙裂隙双重介质的逾渗模型，所以本文对孔隙裂隙双重介质逾渗规律的研究扩展了逾渗理论的应用领域，有着重要的应用价值。本文分别建立了三维情况下的孔隙介质逾渗模型、裂隙介质逾渗模型和孔隙裂隙双重介质的逾渗模型，基于VC++6．0和OpenGL开放图形库开发了逾渗模拟计算软件，系统研究了各模型的逾渗规律和发生逾渗转变时逾渗团的特征；利用太原理工大学与中国工程物理研究院应用电子研究所共同研制的μCT225kvFCB型高精度显微CT试验系统，研究了煤和几类砂岩中的孔隙和裂隙在三维空间中的分布状态和连通性，开发了用于建立“三维数字岩样”的应用软件，借助逾渗理论及其研究方法对建立的三维数字岩样进行了深入的研究；提出了基于三维逾渗概率的煤细观结构的连通性分类方法，以下是本文的主要研究内容和研究成果：1、从逾渗理论入手，用图形与矩阵的关系建立了三维座逾渗模型的递推矩阵，得到了2×2×2逾渗模型逾渗概率的解析解和逾渗曲线，并应用重整化群法计算了三维座逾渗模型的逾渗阈值，得到了逾渗概率迭代公式：pn=pn-18+8pn-17(1-pn-1)+28pn-16(1-pn-1)2+56pn-15(1-pn-1)3+55pn-14(1-pn-1)4+24pn-13(1-pn-1)5+4pn-12(1-pn-1)62、应用高精度显微CT机对无烟煤、粗砂岩、中砂岩、及细砂岩进行了显微CT扫描实验，研究煤岩体中孔隙和裂隙的三维空间分布及不同尺度下孔隙率的变化关系，其相关关系服从幂率关系；基于扫描所得的显微CT图片，建立了煤岩体的“三维数字岩样”，真实再现了几种煤体和岩体中孔隙裂隙在空间中的分布状态；采用VC++6．0开发了三维孔隙介质的仿真程序，模拟研究了孔隙介质中逾渗阈值处最大孔隙团的分形特性及孔隙团大小的分布状态，得出在二维情况和三维情况下，当孔隙率取各自对应的逾渗阈值时，逾渗团的分形维数有以下关系：D3=D2+1；3、介绍了裂隙分布的分形规律，并把裂隙这种非常重要的渗透通道引入到三维四方格子座逾渗研究中，基于分形分布的裂隙建立了二维和三维孔隙裂隙双重介质的逾渗模型，运用作者基于VC++6．0开发的三维逾渗计算软件对孔隙裂隙双重介质进行了大量的逾渗计算，得到了二维和三维情况下孔隙裂隙双重介质的临界逾渗函数：f（n，N0，D）=ncp-n-N0Exp（4．468（D-d））式中：D为裂隙分形维数；d为欧氏空间维数，当d=2时ncp为0．59275，d=3时ncp为0．3116；n为孔隙率；N0为裂隙分布初值。该函数表达式的意义为：当临界逾渗函数f（n，N0，D）的值大于等于零时，孔隙裂隙双重介质中的最大团被局限在模型中有限的区域内，不会出现贯穿模型两个相对面的最大团，介质不会发生逾渗转变；相反，当函数f（n，N0，D）的值小于零时，孔隙裂隙双重介质中就会出现贯穿模型两个相对面的最大团，此时的孔隙裂隙双重介质转变为可渗透介质。4、蒙特卡洛法是裂隙网络系统模拟的一种重要方法，应用蒙特卡洛法生成三维裂隙网络系统，并将裂隙网络系统引入到三维孔隙介质逾渗模型，建立了基于蒙特卡洛随机裂隙分布的三维孔隙裂隙双重介质的逾渗模型。根据该模型，模拟计算了不同裂隙分布、不同孔隙率下模型的逾渗概率，研究了裂隙对孔隙裂隙双重介质逾渗概率的影响规律；引入裂隙体积密度的概念，对分形分布裂隙介质的逾渗规律和蒙特卡洛随机分布裂隙介质的逾渗规律进行了比较，研究发现：分形裂隙与蒙特卡洛裂隙介质的逾渗规律有相似之处，也有不同点，相似之处在于：两种情况下，裂隙介质的逾渗曲线在形态上是相似的；不同点在于：分形裂隙介质中，裂隙的体积密度阈值为0．3，此值为定值且不会随裂隙初值而变化，而在蒙特卡洛裂隙介质中，裂隙体积密度阈值会随裂隙平均半径的增加而减小。5、讨论了不同孔径的孔隙和裂隙在煤层气输运过程中的作用，在不同孔径的孔隙中，瓦斯有着不同的流动方式，这种不同的流动方式决定了瓦斯的流速，瓦斯在大孔和裂隙中流速最快，所以煤体中大孔和裂隙的数量及其连通性，从细观结构上控制着煤层的渗透性。通过计算各种不同变质程度煤的孔隙裂隙的连通性来确定煤体的三维逾渗概率，并以此逾渗概率为依据，提出了一种新的基于三维逾渗概率的煤体细观结构连通性分类方法，这种分类方法可定量化衡量煤孔隙和裂隙的连通性，从而可应用于评价煤层瓦斯的抽放性，有着重要的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 逾渗理论研究背景
• 1.2 三维裂隙网络系统的数值模拟
• 1.3 煤层瓦斯运移机理分析
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 三维座逾渗模型逾渗概率递推矩阵
• 2.1 概述
• 2.2 孔隙介质逾渗的研究方法
• 2.3 二维座逾渗模型逾渗概率的递推矩阵
• 2.4 三维逾渗模型逾渗概率递推矩阵
• 2.5 小结
• 第三章 煤岩体孔隙特征的显微CT实验研究及仿真
• 3.1 概述
• 3.2 高精度显微CT系统
• 3.3 基于CT图像灰度分析的煤孔隙率与尺度关系的研究
• 3.4 煤体中孔隙在空间中的分布状态
• 3.5 几类砂岩孔隙的CT扫描实验研究
• 3.6 孔隙团特征的数值模拟研究
• 3.7 小结
• 第四章 孔隙与分形裂隙双重介质逾渗规律研究
• 4.1 概述
• 4.2 孔隙裂隙双重介质逾渗模型
• 4.3 面向对象的孔隙裂隙双重介质逾渗分析程序设计
• 4.4 孔隙裂隙双重介质逾渗规律模拟研究
• 4.5 小结
• 第五章 孔隙与蒙特卡洛随机分布裂隙双重介质逾渗规律研究
• 5.1 概述
• 5.2 裂隙面几何参数
• 5.3 裂隙几何参数的概率模型及裂隙网络系统模拟
• 5.4 蒙特卡洛裂隙的孔隙裂隙双重介质的逾渗模拟
• 5.5 分形裂隙与蒙特卡洛裂隙的裂隙介质逾渗相关规律
• 5.6 小结
• 第六章 煤细观结构连通性分类应用研究
• 6.1 概述
• 6.2 瓦斯的赋存和输运机理
• 6.3 基于三维逾渗概率的煤细观结构连通性分类
• 6.4 三维逾渗概率的煤细观结构连通性分类应用实例
• 6.5 煤细观结构连通性与煤体渗透性的相关性
• 6.6 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究成果与结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文