孔隙微观结构特征对渗透率的影响研究

Researches of groundwater flow theory have been focused on the macroscopic scale for decades. However, when solving some problems involving low-permeability medium on small scale, the macro-scale flow theory is limited because the continuity assumption cannot be applied. Although some experiments can be used to study the microscopic mechanism of groundwater flow, the lack of a reasonable and quantitative description method makes the flow theory still work on the macroscopic scale. In order to reveal the microscopic mechanism of groundwater flow, research is conducted under the pore scale in this study. Characteristics of pore microstructure are analyzed through high-resolution CT and the contact between the micro-scale and macro-scale characteristics is established with the lattice Boltzmann method. The study aims to reveal effects of pore structure characteristics on permeability. The results have important significance in understanding microscopic flow mechanism. In addition, achievements of this study can also support some important engineering projects such as exploitation of oil and gas reservoirs with low permeability and high-level radioactive waste disposal.

长期以来，地下水渗流理论的研究主要集中在宏观尺度上。但在解决一些涉及低渗介质的小尺度问题时，连续介质假设不适用，宏观方法受到了极大限制。尽管渗流的一些微观机理可以通过实验来定性研究，但缺少科学合理的定量描述方法使得渗流理论仍停留在宏观尺度上。为了探索地下水流动的微观机理，本项目从孔隙尺度上展开研究：借助于高分辨率CT三维成像，分析真实介质的孔隙结构特征；尝试采用跨尺度的格子Boltzmann方法建立孔隙微观与宏观特征之间的内在联系。研究将揭示孔隙微观结构特征对介质渗透率的影响规律，及其主控因素。研究成果对于深入认识微观渗流机理具有重要的科学意义。同时，也可为低渗油气资源开发和高放废物地质处置等国家重大工程提供科学指导。

在进行低渗介质的小尺度渗流研究时，由于连续介质假设不适用，采用Darcy定律的宏观方法受到了极大限制。为了探索地下水流动的微观机理，本项目从孔隙尺度上展开研究，借助于CT三维成像，获取并分析孔隙结构特征，采用格子Boltzmann方法研究孔隙微观结构与宏观渗流特征之间的关系。研究中选取花岗岩、页岩与砂岩样品，综合采用气体转换法、压汞、工业CT、微米CT和纳米CT成像获取孔隙结构，建立了基于压汞数据修正的CT图像孔隙二值化阈值最优化方法，并基于此方法对岩石样品的总孔隙率与有效孔隙率进行了分析。采用D3Q19的离散速度模型，建立了基于高精度CT扫描图像的格子Boltzmann渗流数值模拟模型，并推导了格子无量纲系统到物理量纲系统的单位转换方法，通过敏感性分析发现采用30个以上节点刻画单一孔隙时可较准确地模拟渗流行为，渗透率计算误差与理论值相比可减少到0.5%以下。基于获取的孔隙结构与LBM渗透率计算方法，研究了孔隙微观结构特征对渗透率的影响：在本次获取的微米CT孔隙结构下，页岩中连通孔隙率与总孔隙率比值较低，约为1/3，且连通孔隙具有显著的分层特征，由于连通孔隙是渗流的主要通道，因此不仅对页岩渗透率产生较大影响，也决定了渗流方向，造成其水平渗透系数往往大于垂向渗透系数；通过进行不同孔径尺度的孔隙识别发现，小于10um孔径范围的孔隙最多，可占到总孔隙80%左右，但是这些较小孔径的孔隙对于页岩渗透率的贡献较小，在不考虑10um以下孔径孔隙时，整体渗透率只降低约10%-15%，可见在页岩中渗透性质主要由孔径较大的连通孔隙决定，小孔径孔隙占比虽大，但其对渗透性质影响不大。本研究建立了基于LB模型的由孔隙微观结构到介质宏观渗透率的映射方法，研究了孔隙微观结构特征对介质渗透率的影响，对于深入认识微观渗流机理具有重要的科学意义。研究成果也可为低渗油气资源开发和高放废物地质处置等国家重大工程中涉及的低渗介质孔隙结构及渗流研究提供支撑。