基于孔隙结构的二维微观网络模型VIP专享VIP免费

1基于孔隙结构的二维微观网络模型*杨建，陈家军**，田亮(环境模拟与污染控制国家重点实验室/北京师范大学环境学院，北京100875)E-mail:Jeffchen@bnu.edu.cn摘要：本文根据未固结砂颗粒多孔介质薄片分析所得到的孔隙结构，构建二维微观网络模型，为开展孔隙尺度下流体运动的网络模型实验研究提供技术支持。首先将普通标准石英砂筛分、清洗、烘干、固结，制作出二维薄片，进行薄片的图像采集和数字化处理，获得颗粒直径、孔隙直径、孔隙率等参数值，结果发现，孔隙率与粒径呈负相关，孔径与粒径呈正相关，而且不同孔径的分布频率随孔径的增大而减小；然后对孔隙结构参数进行分析处理，提取孔隙和喉道的直径值，设计网络模型图并用激光刻蚀法制作模型板。该方法将实际多孔介质孔隙结构与网络模型研究结合，是用网络模型研究实际多孔介质污染运移的基础。关键词：网络模型；薄片；孔隙结构；激光刻蚀1、引言多孔介质的微观结构以及占据孔隙空间的不同相流体的物理性质对介质孔隙中流体运动的微观机理和宏观特征有很大的影响：微观上，孔隙结构在很大程度上决定了流体运动的机理，例如，弯液面的变化、流体的断开和重分布、可溶相流体的水动力弥散、界面质量运移、胶质的运移—沉积、气体混合物的扩散和反应等(PayatakesandDias,1984;Li,etal.,1986;Dullien,1992;Sahimi,1993;TsakiroglouandPayatakes,1998)；宏观上，多孔介质的微观结构影响着工业生产（例如，从储层中开采油气）和环境污染治理（例如，地下含水层中海水、工业化学品、农业化学品和垃圾渗滤液等污染，以及受污染地下水的原位修复等）中流体的运动规律(TsakiroglouandPayatakes,2000)。孔隙结构越真实细致，就越能够反映真实的多孔介质结构特征以及流体运动规律，所以在用网络模型进行流体运动的研究中，需要不断提高孔隙拓扑等价性、形状不规则性和尺寸相关性等(TsakiroglouandPayatakes,2000;ØrenandBakke,2002;ØrenandBakke,2003)。实际多孔介质孔隙结构非常复杂，对孔道结构进行精确描述是不可能的，研究过程中应采用合适的方法确定孔隙结构的主要影响参数。目前用于测量孔隙结构的方法中，较早采用*教育部重点基金项目(批准号：104012)[KeyResearchFundofMinistryofEducationofChina(No.104012)]；国家自然科学基金资助项目******(40272107)[Project*****40272107supportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina]**通讯联系人：陈家军.Email:jeffchen@bnu.edu.cnhttp://www.paper.edu.cn2且比较普遍的方法是将岩石样品制作成薄片，在光学显微镜下获得放大的数字图像并分析得到多孔介质孔隙结构特征(TsakiroglouandPayatakes,2000)，随着先进检测工具的出现，在分析岩石样品孔隙结构方面逐渐采用了扫描电镜(BerrymanandBlair,1987)、压汞(王金勋,2001)、核磁共振(Daviesetal.,1990)以及x射线(Cokeretal.,1996;ØrenandBakke,2003)等方法，大大促进了多孔介质孔隙结构检测能力的提高。但过去50年中，测量多孔介质孔隙结构的实验技术和计算方法所依据的理论基础仍然是早期非常简单的概念(Sing,2004)，所得结论也与传统观点相似，即孔隙率与粒径呈负相关(胡雪蛟等,2001)，不同范围孔径的分布频率与孔径呈负相关（如图1所示）(Nguyenetal,2006;DuandYortsos,1999)。目前多孔介质孔隙结构研究主要针对固结岩石，对于未固结多孔介质，由于其结构松散，压汞、扫描电镜等检测方法都不能采用，相关研究较少。但是当前土壤和地下水污染问题，主要出现在未固结第四纪松散层中，进行该地层中污染的微观机理研究，网络模型法能够获得多孔介质孔隙尺度上流体运移的量化数据，目前已成为研究的热点。在网络模型研究过程中，需首先确定未固结多孔介质的孔隙结构参数，再根据参数建立微观孔隙网络模型来研究污染物迁移和治理的微观机理。图1Berea砂岩样品孔隙和喉道直径分布规律（Lerdahl.,2000;ValvatneandBlunt,2003）2、材料与方法本研究中，测量孔隙结构采用薄片制作+图像采集分析方法(TsakiroglouandPayatakes,2000)，该方法与其他测量方法相比，具有大大降低检测费用的同时保持非常高的测量精度(ØrenandBakke,2003)的优...