文摘
液压hydrate-bearing沉积物的性质在很大程度上受到的最大大小毛孔被液体。然而,影响主机上的粒子属性的最大大小fluid-occupied毛孔内hydrate-bearing沉积物仍然难以捉摸,最大等效和差异,内切圆,水力直径fluid-occupied毛孔演变与水合物饱和度并不完全了解。在这项研究中,数值模拟颗粒涂层和孔隙充填水合物成核和生长在不同人工最大等效多孔介质进行量化,内切圆,和液压fluid-occupied毛孔在水合物形成的直径,以及最大直径fluid-occupied毛孔与水合物饱和度变化进行了分析。内接圆的几何因素的理论模型和水力直径提出了基于分形理论,fluid-occupied孔隙形状在水合物形成和变化进行了讨论。结果表明,宿主粒子属性有明显影响的内在最大直径fluid-occupied毛孔并介绍差异最大孔隙直径的演进中水合物的形成。孔隙充填水合物的最大内切圆和水力直径减少fluid-occupied毛孔明显比颗粒涂层水合物;然而,水合物孔隙习惯有轻微影响的最大当量直径的减少。fluid-occupied孔的形状变化由于颗粒涂层水合物的存在,但孔隙充填水合物导致纤维的形状fluid-occupied毛孔。
1。介绍
存储在海洋天然气水合物大大沿大陆边缘沉积物有巨大的潜力成为全球非常规油气能源资源(1- - - - - -3]。目前,这种潜在的能源资源开发还没有经济可行,需要创新的生产方法和技术(4,5]。新方法和技术应该评估数值模拟器领域应用程序之前,这些数值评估和结果很大程度上取决于适当的耦合过程的特征和相应的量化hydrate-bearing沉积物的物理性质(6- - - - - -9]。液压hydrate-bearing沉积物的性质很重要(10- - - - - -12),他们仍然是一个正在进行的研究的问题虽然努力了(13- - - - - -16]。
水力特性(例如,饱和水渗透性、保水曲线,和水相对渗透率和天然气)hydrate-bearing沉积物本身就是由在于结构的固体的矩阵和毛孔17- - - - - -20.]。孔隙空间被水和/或气体内hydrate-bearing沉积物减少由于固体水合物的形成,和结构的fluid-occupied毛孔可以高度多样化的由于不同水合物孔隙习惯(例如,颗粒涂层和填充孔隙)即使水合物饱和度相同。这些不同的孔隙结构实验观察,以及它们如何改变在水合物形成或离解量化了使用各种参数有明确的物理意义。例子包括孔隙度、形状因子、欧拉示性数个人水合物的集群中,分形维数、孔隙表面,和孔隙体积和尺寸(21- - - - - -24]。不同孔隙大小(例如,关键的,意思是,和最大孔隙大小)一直在与液压多孔介质的渗透性,和更大的孔隙大小通常导致更高的液压渗透率值(25- - - - - -27]。多孔介质的水力特性显著影响最大孔隙大小(27- - - - - -29日),最大孔隙大小是实验和理论上与孔隙度、渗透率和粒度30.- - - - - -33]。海洋沉积物颗粒大小的托管天然气水合物广泛从粘土和淤泥的粗粒度砂,砂粒子形状通常是不同的(34- - - - - -36]。主机的影响沉积物属性(如孔隙度、晶粒尺寸和形状)的最大大小fluid-occupied毛孔内hydrate-bearing沉积物依旧扑朔迷离,尽管论文已发表澄清fluid-occupied毛孔的最大大小如何演变与水合物饱和度在水合物形成和分解(23,37]。
毛孔和大多数多孔介质内流体通道通常nonspherical和非圆形38- - - - - -40]。对于这些形状不规则的孔,孔径的几个定义应用于量化孔隙大小。例子包括当量直径(41),内接圆直径,水力直径(42]。等效直径是一个圆的直径面积等于孔隙面积。内接圆直径是由使用最大球法[43),广泛应用于从多孔介质孔隙网络拔牙16,24,44]。水力直径被定义为 ,在哪里横截面积和吗的湿周横截面。水力直径通常用于简化流体在非圆管和渠道为圆管流17,45,46]。fluid-occupied毛孔hydrate-bearing沉积物内,预计最大孔隙大小与提高水合物饱和度降低。然而,最大等效的异同,内切圆,水力直径fluid-occupied毛孔演变与水合物饱和度并不完全了解。
本研究旨在阐明宿主的影响粒子属性的最大大小fluid-occupied毛孔内hydrate-bearing多孔介质和进一步的理解不同最大孔隙直径与水合物饱和度不断发展。颗粒涂层和孔隙充填水合物是随机有核和成长在不同的人工最大等效多孔介质量化,内切圆,和液压fluid-occupied毛孔的直径选择的水合物饱和度,其次是分析最大fluid-occupied孔隙直径变化由于天然气水合物的存在。然后,内切圆和液压diameter-related几何因素理论模型提出了基于分形理论,提出这些模型进一步应用提供洞察水合物饱和度和morphology-dependent孔隙形状变化在水合物的形成。
2。方法
十平方人造多孔介质的图像如图1(一)通过使用生成的方法(47]为进一步的数值模拟水合物成核和生长的研究。这些多孔介质由随机放置黑色粒子无限制的重叠成白色广场形象,直到所需的孔隙度。计算孔隙度比值的白色像素总数在一个方形的形象,和广场形象的边长为300像素。固体颗粒的形状特征是通过使用一个概念被定义为的球形 ,在哪里是区域和固体粒子的周长是(48]。粒子球度值通常不大于1, 代表了一个圆形的固体颗粒。此外, 代表一个椭圆固体颗粒主要在小直径比的 的直径比3。球形多孔介质和固体颗粒的大小值用于建筑图进行了总结1 (b),图1 (c)显示了内在的孔隙度和平均粒径地图对于那些人造多孔介质。
(一)
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随机成核和生长的颗粒涂层和填充孔隙中水合物人工多孔介质数值模拟采用的方法37]。这些常数值模拟计算最小距离fluid-occupied孔隙像素的像素,固体颗粒和水合物和fluid-occupied孔隙像素选择性地转化为水合物像素,直到所需的水合物饱和度已经达到了。不同的成核和增长的偏好代表不同的水合物孔隙的习惯。颗粒涂层水合物成核和生长模拟通过随机改变候选人孔隙像素 为水合物像素。孔隙充填水合物成核和生长建模在候选人优先播种水合物孔隙像素最高的 ,其次是随机改变hydrate-touched孔隙像素,像素为水合物和生长参数的值设置为0.7。每种情况下的数值模拟是执行100次获得概率接受的结果。有关详细信息,请参考我们之前的文献[37]。
最大等效 ,内接圆 ,和液压直径fluid-occupied毛孔hydrate-bearing多孔介质内量化 来 每隔 。当一个预选的水合物饱和度,fluid-occupied毛孔是提取hydrate-bearing多孔介质通过使用函数命名为“bwlabel” (即。,4connected pixels) in MATLAB 2016Ra, followed by calculations of the area and perimeter for all the fluid-occupied pores. Calculated values of the area and perimeter are further used to determine values of equivalent和液压直径,内接圆直径通过使用最小距离量化吗值。假设有一个矩形fluid-occupied孔隙的边长5 px和6 px hydrate-bearing多孔介质(图2(一个)),当量直径计算 ,内接圆直径 ,和水力直径 根据他们的定义(图2 (b))。的最大等效值、内切圆、水力直径的孔内hydrate-free多孔介质决心和总结在图2 (c)作为内在最大孔隙直径。
(一)
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3所示。结果
最大等效 ,内接圆 ,和液压fluid-occupied毛孔的直径在10的多孔介质包含天然气水合物在图所示3,所有的孔隙直径随水合物饱和度降低 。内在的最大等效直径的平均值在十多孔介质(图的fluid-occupied毛孔1(一))是 95.4%的置信区间(下同),它降低 内在价值的(19.2%) (内在价值的3.6%)当水合物饱和度为颗粒涂层是0.8(图3(一个))和填充孔隙(图3 (b)分别)水合物。内在的最大内切圆直径的平均值fluid-occupied毛孔十多孔介质内 ,它减少 (内在价值的58.6%)颗粒涂层水合物(图3 (c)), (内在价值的2.1%)孔隙充填水合物(图3 (d))当 。内在最大水力直径的平均值fluid-occupied毛孔十多孔介质内 ,它减少 内在价值的(54.3%) (内在价值的23.9%) 对颗粒涂层(图3 (e))和填充孔隙(图3 (f)分别)水合物。很明显,孔隙充填水合物减少的最大等效值,内切圆,水力直径比颗粒涂层水合物时更有效 ,和最大水力直径对水合物饱和度是最不敏感。
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(f)
主机粒子属性(例如,内在的孔隙度、粒度和球形)明显影响内在最大等效 ,内接圆 ,和液压fluid-occupied毛孔的直径(图2 (c))和引入多样性(41.1 px ,23.3 px ,和9.1 px )内在价值的最大孔隙直径。所有的内在多样性减少由于天然气水合物的存在,这意味着主机粒子属性的影响随着水合物饱和度降低。此外,孔隙充填水合物(数字3 (b),3 (d),3 (f))有更重要的影响比灌浆水合物(数据内在多样性减少3(一个),3 (c),3 (e))当 。
为了获得进一步理解水合物饱和度和morphology-dependent最大等效,内切圆,水力直径,图4显示了标准化的最大等效 ,内接圆 ,和液压hydrate-bearing多孔介质内直径fluid-occupied毛孔。标准化的最大孔隙直径的比率被定义为最大孔隙直径内hydrate-bearing hydrate-free多孔介质。的所有值归一化最大等效直径fluid-occupied毛孔内的多孔介质包含颗粒涂层(图4(一))和填充孔隙(图4 (b))水合物通常分为上层之间的地区 和更低的 曲线,值部分低于当水合物饱和度较低(例如, )对颗粒涂层水合物和更高的(例如, )孔隙充填水合物。这两个模型推导基于假设天然气水合物均匀成长为所有毛孔大小不同,他们的推导,请参考[29日,37]。孔隙充填水合物减少规范化最大内切圆(图4 (d))和液压(图4 (f))直径fluid-occupied毛孔明显比颗粒涂层水合物(数字4 (c)和4 (e))。标准化的最大内切圆和水力直径fluid-occupied毛孔减少由于颗粒涂层水合物的存在(数字4 (c)和4 (e))通常可以被使用 。标准化的最大内接圆直径fluid-occupied毛孔内的多孔介质包含孔隙充填水合物随水合物饱和度的增加而减小 当 在总趋势(蓝点曲线在图4 (d))和归一化最大水力直径通常可以通过描述 (图4 (f))。
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(g)
实证模型 (23,37)应用于合适的值不同的归一化最大孔隙直径,和价值观的经验参数总结在图4 (g)。实证模型是另一种形式的理论模型的加权平均孔隙充填水合物和对颗粒涂层水合物(23]。的经验参数值和在很大程度上是由水合物孔隙的习惯。对于颗粒涂层水合物,规范化的最大当量直径fluid-occupied毛孔可以通过设置进行描述 和 ,标准化的最大内切圆直径通过设置 和 ,并通过设置规范化最大水力直径 和 。对于孔隙充填水合物,规范化的最大当量直径fluid-occupied毛孔可以通过设置进行描述 和 ,标准化的最大内切圆直径通过设置 和 ,并通过设置规范化最大水力直径 和 。
4所示。讨论:由于水合物地层孔隙形状的变化
分形理论被广泛用于描述在于结构和研究各种物理属性(例如,液压和电气)多孔介质(49,50]。在这些调查中,毛孔与等效多孔介质被当作圈区域内二维空间,和最大当量直径可以计算的50] 在哪里多孔介质的总面积,孔隙度,孔隙大小分形维数(28计盒方法)可由使用(51]。
的情况下多孔介质内孔隙大小量化使用内切圆直径(图5(一个)),地区可以计算的孔隙 和是一个内接圆直径的几何因素。引用的内切圆直径的几何因素 方形孔, 定期三角形的毛孔 圆孔。然后,最大内切圆直径可以很容易地计算
(一)
(b)
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如果水力直径是用来量化大小的毛孔在多孔介质(图5(一个)),地区个人可以计算的孔隙 和是一个水力直径的几何因素。引用,水力直径的几何因素 方形孔, 定期三角形的毛孔 圆孔。然后,最大水力直径可以很容易地计算
如果毛孔均匀颗粒涂层水合物生长在不同大小和不改变fluid-occupied毛孔(图的形状5 (b)),地区 ,内接圆 ,和液压这些气孔直径随水合物饱和度降低作为 , ,和 ,分别。在这些方程,下标0代表内在(即。,hydrate-free) condition and subscript c stands for grain-coating hydrates. Then, it is easy to obtain 根据方程(2), 基于方程(4)。归一化几何因素对于内切圆直径可以被定义为包含颗粒涂层的多孔介质中水合物 根据方程(6),以及规范化的几何因素为水力直径 根据方程(7)。
如果毛孔均匀孔隙充填水合物生长在不同大小和水合物形态与内在孔隙形状(图是相同的5 (c)),地区 ,内接圆 ,和液压这些气孔直径随水合物饱和度降低作为 , ,和 ,分别。在这些方程,下标f代表孔隙充填水合物。然后,它很容易获得 根据方程(2), 基于方程(4)。方程(10)适用于 ,和 当 。归一化几何因素在多孔介质内接圆直径可以定义为包含孔隙充填水合物 根据方程(10),以及规范化的几何因素为水力直径 根据方程(11)。
孔隙大小分形维数的值fluid-occupied毛孔内多孔介质包含颗粒涂层和孔隙充填水合物在表中进行了总结1和2,分别。孔隙直径比定义为最小/最大孔隙直径的比值可以计算(52] 和价值观包含颗粒涂层的多孔介质中孔隙直径比和孔隙充填水合物如图6。很明显,所有的值一般小于 ,和分形理论可以用来分析含天然气水合物在多孔介质的性质研究[52]。
(一)
(b)
几何因子的值在hydrate-bearing内切圆直径可以通过方程计算多孔介质(3), 。几何因素内切圆直径变化由于颗粒涂层的存在和孔隙充填水合物数据所示7(一)和7 (b),分别。很明显,水合物饱和度几乎没有影响值相比,值。规范化的几何因素内切圆直径变化由于颗粒涂层水合物如图的存在7 (c)和孔隙充填水合物在图7 (d)。结果表明,值通常保持接近水平的红线 (图7 (c)),值通过进化过程从下面到上面红色的曲线 (图7 (d))。这些差异之间的数值模拟数据和相应的理论模型(即。方程(8)和(12))主要是由于不同的水合物孔隙习惯自颗粒涂层和孔隙充填水合物生长很难遵循统一的自相似方法(图5)严格。提出了基于模拟数据,实证模型 描述如何进化与水合物饱和度值。方程(15), 可以捕获的基本物理孔隙形状变化hydrate-bearing多孔介质中水合物的形成,在吗 和 设置上下界限。
(一)
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几何因素和规范化的几何因素与水合物饱和度水力直径变化如图8。很明显,水合物饱和度和形态学的影响和值与上是相似的和值。归一化几何因素对水力直径包含颗粒涂层的多孔介质中水合物的变化更加温和而规范化的几何因素 。黑色的曲线在图8 (d)利用方程(13)同意的总趋势由于孔隙充填水合物的存在价值增加。基于模拟数据,另一个经验模型提出了规范化的几何因素预测, 与 描述的一般趋势, 设置下限 设置上限。
(一)
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一般来说,几乎没有变化,而孔隙充填水合物颗粒涂层水合物显著增强和值和周边的fluid-occupied毛孔减少颗粒涂层水合物饱和度的增加,但增加由于孔隙充填水合物的存在根据他们的定义。这意味着fluid-occupied毛孔不明显改变的形状由于颗粒涂层水合物的存在,但他们改变孔隙充填水合物发生时纤维异形。
5。结论
本研究数值模拟随机成核和生长颗粒涂层和填充孔隙中水合物人工二维多孔介质量化最大等效,内切圆,和液压fluid-occupied毛孔的直径,和最大孔隙直径如何演变由于天然气水合物的存在进行了分析。理论和实证模型内接圆的几何因素和水力直径fluid-occupied毛孔提出了基于分形理论,这些提议的模型和模拟数据的进一步应用,讨论影响水合物饱和度和形态学fluid-occupied孔隙形状在水合物的形成。得出如下主要结论。
内在孔隙度、主机粒度和球形不仅有明显影响内在最大等效,内切圆,水力直径fluid-occupied毛孔内hydrate-free多孔介质也导致最大孔隙直径差异甚至通过水合物饱和度和形态学好看的是相同的。
水合物孔隙习惯已相对较小影响的最大当量直径fluid-occupied毛孔随水合物饱和度增加。然而,填充孔隙水合物减少fluid-occupied最大内切圆和水力直径的毛孔明显比颗粒涂层水合物特别是当水合物饱和度较高。归一化的值最大当量直径一般落在区域上的限制和更低的范围之内。上限可以捕获的基本物理规范化最大内切圆和水力直径减少由于颗粒涂层水合物的存在,和下界一般符合规范化最大水力直径的值填充孔隙中水合物的形成。此外,归一化的值最大内切圆直径填充孔隙中水合物形成的方法 特别是当水合物饱和度比较大。发布的经验模型 可以用来预测规范化最大等效,内切圆,水力直径fluid-occupied毛孔中水合物的形成。
fluid-occupied孔的形状变化由于颗粒涂层水合物的存在,和相应的内接圆的几何因素在水合物形成和水力直径通常不变。相反,孔隙充填水合物导致重大变化fluid-occupied孔隙形状(即。更多的纤维)。归一化几何因素对于内切圆直径增加而增加孔隙充填水合物饱和度作为 ,和规范化的几何因素水力直径增加 。理论模型 和 可以捕获的基本物理几何因子增强由于孔隙充填水合物的形成。
在这项研究中,如何最大内接圆孔直径的变化与水合物饱和度增加有潜在好处二维孔隙网络模型的水力特性,和结论最大水力直径能够促进capillary-bundle-based理论分析。
数据可用性
所有图片的人工多孔介质在这项研究可以从FigShare下载https://figshare.com/articles/Artificial_Porous_Media/11988594。
附加分
要点。(我)的影响主机最大等效粒子属性,内切圆,水力直径fluid-occupied毛孔进行了分析。(2)不同最大孔隙直径的异同fluid-occupied毛孔与水合物饱和度变化的澄清。(3)fluid-occupied孔隙形状的变化由于颗粒涂层的存在和孔隙充填水合物是定量表征。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金资助(41872136和41872136号),中央大学的基础研究基金(中国地质大学,武汉)(没有。CUGGC04)、泰山学者项目(没有特殊的专家。ts201712079),国家重点研究和开发项目(2018号yfe0126400),和中国地质调查局(没有。DD20190221),他们的支持是感激地承认。