【摘要】：裂縫型多孔介質是由基質孔隙和嵌入基質的裂縫網絡組成的雙重介質。其中,孔隙和裂縫的空間分布是隨機和無序的。這樣的多孔介質在自然界中廣泛存在如蘊含油氣、地下水資源和地熱資源的巖層、干裂的土壤、人和動物體組織與器官、植物等。研究其滲流特性對水庫的選址、核燃料的存儲、化石資源的開采、地下水資源的開發(fā)、污染治理、以及腫瘤治療等有重要意義。然而,由于裂縫型多孔介質中的孔隙和裂縫空間方位具有隨機和無序特征,滲流通道迂曲復雜,這給研究者帶來巨大的困難,直到現(xiàn)在,流體在其內部的輸運的微觀機理仍未弄清。20世紀80年代,非線性科學之一的分形幾何理論的出現(xiàn),為我們研究流體在隨機分布的孔隙和裂縫中輸運規(guī)律提供了難得的機遇。已有研究發(fā)現(xiàn)嵌入基質材料中孔隙和裂縫網絡尺度滿足分形的特征。本文基于多孔介質分形基本理論,建立了分形裂縫網絡模型,并研究了分形裂縫網絡,基質孔隙,裂縫型多孔介質中的滲流特征。本文的主要工作屬于理論物理、地球物理和復雜性科學的交叉領域研究熱點之一。主要完成了下列工作： 把分形多孔介質理論拓展到裂縫網絡,建立了分形裂縫網絡理論；然后,基于分形裂縫網絡理論,提出了裂縫網絡的面密度的分形模型,該模型聯(lián)系了裂縫網絡的結構參數如分形維數,孔隙率等,并通過和用自回避隨機行走的方法得到二維裂縫網絡數值模型的結果進行了驗證；提出了牛頓流體在分形裂縫網絡中的滲透率模型,該模型和實驗數據符合較好；最后,提出了頁巖氣在頁巖中裂縫網絡中分形滲透率模型,重點分析了裂縫微觀參數對滑移流和連續(xù)流滲透率的影響,并通過實驗驗證模型正確性。 裂縫-孔隙雙重介質的基質和裂縫網絡孔隙率,孔隙,裂縫尺度等對滲透率有重要影響。基于分形多孔介質和分形裂縫網絡理論研究了裂隙型多孔介質的滲流特性,并通過與實驗結果的對比驗證了模型的正確性。研究發(fā)現(xiàn)基質最大孔隙直徑和裂縫最大長度的相對大小是決定滲流特性的主要因素。 球向滲流是油氣藏開采過程中的常見的流動方式,本文考慮了毛細壓效應,根據分形多孔介質理論,得到了多孔介質中單相流和兩相流的相滲透率解析式,并詳細討論了毛細壓力對相滲透率的影響,該模型預測和實驗結果相符合,證實了模型的正確性。 根據分形多孔介質理論,本文還研究了常見的、且復雜的段塞流,提出了單根直毛管中兩相段塞流模型,研究中考慮了氣液耦合的毛細壓力,得到了由直毛管中形成的多孔介質的段塞流的滲透率模型,本文的模型預測與實驗數據符合很好,表明我們的模型是正確的,并探討了段塞流的微觀參數,如毛細管數、耦合毛細壓力和氣液兩相的動力粘度系數對滲透率的影響。
[Abstract]:Fractured porous media is a dual medium composed of matrix pores and fracture networks embedded in matrix. The spatial distribution of pores and fractures is random and disordered. Such porous media exists widely in nature, such as rock layers containing oil and gas, underground water resources and geothermal resources, dry soil, human and animal tissues and organs, plants and so on. The study of its percolation characteristics is of great significance to the location of reservoir, the storage of nuclear fuel, the exploitation of fossil resources, the exploitation of groundwater resources, the treatment of pollution, and the treatment of tumor. However, due to the random and disordered orientation of pores and fractures in fractured porous media, the percolation channel is complicated, which brings great difficulties to the researchers until now. The microscopic mechanism of fluid transport in its interior is still unclear. In the 1980s, the appearance of fractal geometry theory, one of the nonlinear sciences, provides us with a rare opportunity to study the fluid transport law in the random distribution of pores and fractures. It has been found that the scale of pore and fracture network in the matrix material satisfies the fractal characteristics. Based on the fractal theory of porous media, a fractal fracture network model is established, and the seepage characteristics of fractal fracture network, matrix pores and fractured porous media are studied. The main work of this paper is one of the research hotspots in the cross field of theoretical physics, geophysics and complexity science. The main work is as follows: the fractal porous media theory is extended to the fracture network, and the fractal fracture network theory is established, and then, based on the fractal fracture network theory, the fractal model of the surface density of the fracture network is proposed. The structural parameters of the fracture network such as fractal dimension, porosity and so on are connected, and the results of the two-dimensional fracture network numerical model are verified by using the self-avoidance random walk method. The permeability model of Newtonian fluid in fractal fracture network is put forward, which is in good agreement with experimental data. Finally, the fractal permeability model of shale gas in fracture network is proposed. The influence of fracture micro parameters on slip flow and continuous flow permeability is analyzed, and the correctness of the model is verified by experiments. The porosity, porosity and fracture size of the matrix and fracture network in the dual medium of fracture and pore have important influence on the permeability. Based on the theory of fractal porous media and fractal fracture network, the percolation characteristics of fractured porous media are studied, and the correctness of the model is verified by comparing with the experimental results. It is found that the relative size of the maximum pore diameter of matrix and the maximum length of fracture are the main factors determining the percolation characteristics. Spherical percolation is a common flow mode in the process of oil and gas reservoir production. The capillary pressure effect is considered in this paper. According to the theory of fractal porous media, the analytical expressions of phase permeability of single-phase flow and two-phase flow in porous media are obtained. The effect of capillary pressure on the phase permeability is discussed in detail. The prediction of the model is in agreement with the experimental results, and the correctness of the model is verified. Based on the fractal porous media theory, the common and complex slug flow is also studied, and a two-phase slug flow model in a single straight capillary tube is proposed. The gas-liquid coupling capillary pressure is considered in the study. The permeability model of slug flow in porous media formed in straight capillary tube is obtained. The model prediction in this paper is in good agreement with the experimental data, which shows that our model is correct, and the microscopic parameters of slug flow, such as capillary number, are discussed. The effect of coupled capillary pressure and the dynamic viscosity coefficient of gas-liquid phase on permeability.
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE312

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