煤基多孔介质三维重构与渗流模拟研究
发布时间：2021-06-14 04:48
煤基多孔介质是一种具有丰富孔隙、稳定的物理和化学性能的多孔材料,在诸多领域展现出优良的综合性能和可观的应用前景。在过滤、吸附、浸渍等领域中,孔隙结构是影响流体流动和渗透性能的最重要因素,而多孔介质的孔隙结构具有典型的非均质性和随机性,采用现有模型研究存在普适性差、误差大等问题。针对上述问题,本文首先采用金相扫描电镜、扫描电子显微镜、CT扫描等设备对煤基多孔介质的二维孔隙结构以及表面形貌进行表征,然后通过三维可视化软件（AVIOZ）对其三维孔隙结构进行分析,并通过三维可视化软件（Dragonfly）和压汞实验对其三维重构结果进行验证,最后导出真实的有限元模型,并进行不同条件下的渗流模拟,得出以下结果:（1）以煤焦颗粒为骨料、煤沥青为粘结剂在一定温度、配比、压力等条件下混捏烧制而成的煤基多孔介质具有分形特征,可用分形理论进行描述。1-5#煤基多孔介质的逾渗分形维数在2.941-2.979之间;骨架分形维数在:2.743-2.983之间;迂曲度分形维数在1.307-1.866之间。（2）对制备的煤基多孔碳进行拉曼、XRD、红外等实验测定其结构和组成,发现1-3#试样均为无定形碳,三者的D峰和...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多孔碳拉曼图
3煤基多孔介质的表征及孔隙结构分析112#样材料的紊乱度最大、结构缺陷最明显，石墨化程度最低，1#试样的石墨化程度、紊乱度与结构缺陷刚好相反，3#试样的石墨化程度紊乱度与结构缺陷各性能居中。3.1.2傅里叶红外光谱分析对过滤用煤基多孔试样进行红外实验，具体步骤如下：将KBr在100℃下烘干5h去除水分，将KBr与试样混合研磨并压制成片，采集空气背景，将试样放入FTIR仪器中并对试样进行光谱采集，测得的数据处理得到图3-2。图3-2傅里叶红外光谱图Figure3-2Fourierinfraredspectrum从图3-2可看出：三种材料均在3430cm-1、1630cm-1、1385cm-1以及1060cm-1处出现衍射峰，分析这三种材料的红外衍射峰可知：这三种材料均含有醇或酰胺（含C、N与H元素），这说明这三种材质所含的极性键一样，所含元素相同，并且三种材料的衍射峰强度、范围、面积参数等也接近，说明制备的多孔碳的工艺是合理的，仅在结构方面存在差异，可作为后续渗流、吸附等实验的载体，研究其结构参数之间的规律。3.1.3XRD分析碳材料的性能主要受其结构影响，而XRD是表征碳材料结构参数的一种重要方式手段[82]。碳材料的微结构越接近石墨结构或者其结构越趋近于理想石墨的有序碳层排列结构，其XRD图谱衍射越会明显的衍射峰，一般碳材料的XRD谱图上都存在002峰(在2θ=26°左右)、10峰(在2θ=42°左右)、004峰和11峰，随着其石墨化度的增加，逐渐出现103峰、104峰和105峰,并且10峰和11峰分别逐渐分裂为两个独立的峰,即100峰、101峰和110峰、112峰,如图3-3所示。
硕士学位论文12（a）焦炭XRD（b）石墨XRD图3-3一般碳材料XRD图谱Figure3-3XRDPatternofgeneralcarbonmaterials对1-3#多孔碳进行表征，其XRD图谱如图3-4所示。从图3-4可看出这三种多孔碳的衍射峰分别在26.4°、44.5°、54.4°和77.6°，这4个衍射峰分别代表002峰(在2θ=26°左右)、10峰(在2θ=42°左右)、004峰和11峰。其中26.4°和44.5°的出现归结于石墨（002）和（100）晶面[83]的出现，这三种材料均在002峰处衍射峰比较强，其他的衍射峰相对比较弱，说明这三个多孔碳材料为无定形碳，石墨化程度低。XRD图谱中3#多孔碳的衍射峰较多，1#多孔碳衍射峰最少，2#多孔碳居中，并且三种多孔碳材料的衍射峰强度依次增强，3#多孔碳的衍射峰强度最大，这说明当煤沥青含量增加，多孔碳的晶格越明显无序化程度降低。图3-4多孔碳XRD图谱Figure3-4XRDPatternofporouscarbon从以上的拉曼、XRD、红外的分析可得出：这三种材料的结构、组成等大致相近，说明本实验所提供的煤基多孔材料的配比，制作工艺等均比较符合实际情况，仅对孔隙结构参数进行了改变而不改变其组成，其中，3#多孔碳的结构最
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于X射线微米CT扫描技术的煤岩孔裂隙多尺度精细表征——以沁水盆地南部马必东区块为例[J]. 陈彦君,苏雪峰,王钧剑,宋洋,汪明丰,郎云峰. 油气地质与采收率. 2019(05)
[2]岩石随机孔隙结构的三维重构模型与细观渗流分析[J]. 赵延林,曹平,唐劲舟,马文豪,李树清,王卫军. 中南大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]混凝土三维细观数值模拟与CT试验研究[J]. 毛灵涛,刘永亮,薛茹. 混凝土. 2015(11)
[4]基于显微CT技术的不同温度下油页岩孔隙结构三维逾渗规律研究[J]. 康志勤,王玮,赵阳升,梁卫国,杨栋,赵静,赵东. 岩石力学与工程学报. 2014(09)
[5]基于CT扫描的三维数字岩心孔隙结构表征方法及应用——以莫北油田116井区三工河组为例[J]. 屈乐,孙卫,杜环虹,张创,姜黎明,魏虎. 现代地质. 2014(01)
[6]基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征[J]. 宋晓夏,唐跃刚,李伟,冯增朝,康志勤,李妍均,相建华. 煤炭学报. 2013(03)
[7]中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征[J]. 宋晓夏,唐跃刚,李伟,王绍清,杨明显. 煤炭学报. 2013(01)
[8]多孔材料内流体流动特性研究的发展方向[J]. 季喜燕. 化学通报. 2012(12)
[9]油页岩高温CT实验研究[J]. 杨栋,康志勤,赵静,赵阳升. 太原理工大学学报. 2011(03)
[10]基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响[J]. 降文萍,宋孝忠,钟玲文. 煤炭学报. 2011(04)
博士论文
[1]石墨多孔介质成孔逾渗机理及渗透率研究[D]. 王启立.中国矿业大学 2011
[2]混凝土损伤演化的CT研究及其在细观数值模拟中的应用[D]. 田威.西安理工大学 2009
[3]几类地下渗流力学模型的数值模拟和分析[D]. 宋怀玲.山东大学 2005
[4]乳状液在孔隙介质中渗流规律的研究[D]. 李学文.大庆石油学院 2004
硕士论文
[1]从煤沥青和石油焦出发制备储能炭材料[D]. 李树花.大连理工大学 2018
[2]多孔介质中湍流流动的数值模拟[D]. 马坤.大连理工大学 2009
[3]大坝渗流监测系统设计及渗流计算机模拟[D]. 李军华.郑州大学 2004
本文编号：3229101
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多孔碳拉曼图
3煤基多孔介质的表征及孔隙结构分析112#样材料的紊乱度最大、结构缺陷最明显，石墨化程度最低，1#试样的石墨化程度、紊乱度与结构缺陷刚好相反，3#试样的石墨化程度紊乱度与结构缺陷各性能居中。3.1.2傅里叶红外光谱分析对过滤用煤基多孔试样进行红外实验，具体步骤如下：将KBr在100℃下烘干5h去除水分，将KBr与试样混合研磨并压制成片，采集空气背景，将试样放入FTIR仪器中并对试样进行光谱采集，测得的数据处理得到图3-2。图3-2傅里叶红外光谱图Figure3-2Fourierinfraredspectrum从图3-2可看出：三种材料均在3430cm-1、1630cm-1、1385cm-1以及1060cm-1处出现衍射峰，分析这三种材料的红外衍射峰可知：这三种材料均含有醇或酰胺（含C、N与H元素），这说明这三种材质所含的极性键一样，所含元素相同，并且三种材料的衍射峰强度、范围、面积参数等也接近，说明制备的多孔碳的工艺是合理的，仅在结构方面存在差异，可作为后续渗流、吸附等实验的载体，研究其结构参数之间的规律。3.1.3XRD分析碳材料的性能主要受其结构影响，而XRD是表征碳材料结构参数的一种重要方式手段[82]。碳材料的微结构越接近石墨结构或者其结构越趋近于理想石墨的有序碳层排列结构，其XRD图谱衍射越会明显的衍射峰，一般碳材料的XRD谱图上都存在002峰(在2θ=26°左右)、10峰(在2θ=42°左右)、004峰和11峰，随着其石墨化度的增加，逐渐出现103峰、104峰和105峰,并且10峰和11峰分别逐渐分裂为两个独立的峰,即100峰、101峰和110峰、112峰,如图3-3所示。
硕士学位论文12（a）焦炭XRD（b）石墨XRD图3-3一般碳材料XRD图谱Figure3-3XRDPatternofgeneralcarbonmaterials对1-3#多孔碳进行表征，其XRD图谱如图3-4所示。从图3-4可看出这三种多孔碳的衍射峰分别在26.4°、44.5°、54.4°和77.6°，这4个衍射峰分别代表002峰(在2θ=26°左右)、10峰(在2θ=42°左右)、004峰和11峰。其中26.4°和44.5°的出现归结于石墨（002）和（100）晶面[83]的出现，这三种材料均在002峰处衍射峰比较强，其他的衍射峰相对比较弱，说明这三个多孔碳材料为无定形碳，石墨化程度低。XRD图谱中3#多孔碳的衍射峰较多，1#多孔碳衍射峰最少，2#多孔碳居中，并且三种多孔碳材料的衍射峰强度依次增强，3#多孔碳的衍射峰强度最大，这说明当煤沥青含量增加，多孔碳的晶格越明显无序化程度降低。图3-4多孔碳XRD图谱Figure3-4XRDPatternofporouscarbon从以上的拉曼、XRD、红外的分析可得出：这三种材料的结构、组成等大致相近，说明本实验所提供的煤基多孔材料的配比，制作工艺等均比较符合实际情况，仅对孔隙结构参数进行了改变而不改变其组成，其中，3#多孔碳的结构最
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于X射线微米CT扫描技术的煤岩孔裂隙多尺度精细表征——以沁水盆地南部马必东区块为例[J]. 陈彦君,苏雪峰,王钧剑,宋洋,汪明丰,郎云峰. 油气地质与采收率. 2019(05)
[2]岩石随机孔隙结构的三维重构模型与细观渗流分析[J]. 赵延林,曹平,唐劲舟,马文豪,李树清,王卫军. 中南大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]混凝土三维细观数值模拟与CT试验研究[J]. 毛灵涛,刘永亮,薛茹. 混凝土. 2015(11)
[4]基于显微CT技术的不同温度下油页岩孔隙结构三维逾渗规律研究[J]. 康志勤,王玮,赵阳升,梁卫国,杨栋,赵静,赵东. 岩石力学与工程学报. 2014(09)
[5]基于CT扫描的三维数字岩心孔隙结构表征方法及应用——以莫北油田116井区三工河组为例[J]. 屈乐,孙卫,杜环虹,张创,姜黎明,魏虎. 现代地质. 2014(01)
[6]基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征[J]. 宋晓夏,唐跃刚,李伟,冯增朝,康志勤,李妍均,相建华. 煤炭学报. 2013(03)
[7]中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征[J]. 宋晓夏,唐跃刚,李伟,王绍清,杨明显. 煤炭学报. 2013(01)
[8]多孔材料内流体流动特性研究的发展方向[J]. 季喜燕. 化学通报. 2012(12)
[9]油页岩高温CT实验研究[J]. 杨栋,康志勤,赵静,赵阳升. 太原理工大学学报. 2011(03)
[10]基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响[J]. 降文萍,宋孝忠,钟玲文. 煤炭学报. 2011(04)
博士论文
[1]石墨多孔介质成孔逾渗机理及渗透率研究[D]. 王启立.中国矿业大学 2011
[2]混凝土损伤演化的CT研究及其在细观数值模拟中的应用[D]. 田威.西安理工大学 2009
[3]几类地下渗流力学模型的数值模拟和分析[D]. 宋怀玲.山东大学 2005
[4]乳状液在孔隙介质中渗流规律的研究[D]. 李学文.大庆石油学院 2004
硕士论文
[1]从煤沥青和石油焦出发制备储能炭材料[D]. 李树花.大连理工大学 2018
[2]多孔介质中湍流流动的数值模拟[D]. 马坤.大连理工大学 2009
[3]大坝渗流监测系统设计及渗流计算机模拟[D]. 李军华.郑州大学 2004
本文编号：3229101
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