基于分形孔隙模型的含天然气水合物沉积物电阻率数值模拟
发布时间：2021-11-16 13:06
电阻率法是确定天然气水合物（以下简称水合物）饱和度的重要方法,通过数值模拟可以有效研究含水合物沉积物的电阻率特性,但过去构建的孔隙模型由于约束条件较少,而与实际的孔隙结构存在着较大的差异。为此,基于自然界沉积物具有自相似特征,选定地毯总边长为3和颗粒边长为1的谢尔宾斯基地毯作为沉积物的分形孔隙模型,根据等效电阻网络模式建立了含水合物沉积物的电导模型,并利用上述模型分析了孔隙度、孔隙水电导率、沉积物骨架电导率等因素对含水合物沉积物电阻率与水合物饱和度关系的影响。研究结果表明:（1）含水合物沉积物的电阻率可以表示为孔隙度、面积比、微观结构尺寸、孔隙水电导度、沉积物骨架电导率及经验参数的函数;（2）孔隙水电导率和孔隙度的减小都会导致沉积物电阻率的增大;（3）含水合物沉积物的电阻率随水合物饱和度的增大而增大;（4）在高水合物饱和度范围内,含水合物沉积物的电阻率随沉积物颗粒骨架电导率的增大而明显减小。结论认为:在一定的水合物饱和度范围内,该分形孔隙模型计算结果与实验数据和测井数据都能较好地吻合,准确度较高。
【文章来源】：天然气工业. 2018,38(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1分形孔隙模型图
·130·天然气工业2018年11月粒，假设含水合物沉积物是由沉积物颗粒骨架、天然气水合物、孔隙水3个部分组成。根据等效电阻网络，建立含天然气水合物沉积物的电导模型（图2）。图2中的黑色部分代表沉积物多孔介质骨架（颗粒），其电导率为σs；灰色部分代表孔隙水，其电导率为σw；白色部分代表固态的天然气水合物，其电导率为σg。孔隙水饱和度（Sw）为两个部分：环绕颗粒周围的水饱和度（Swsp）和颗粒之间存在的接触电阻的水饱和度（Swb）。孔隙水的电导率；Ant/A表示不相接触的颗粒占全部颗粒的体积分数；(1－Ant/A)表示自相似分布相互接触颗粒占全部颗粒的体积分数，0＜Ant/A＜1，Ant/A≈φ[20]；σ+nt是非接触颗粒的等效电导率；σ+(n)sc是接触颗粒的n阶等效电导率。其中上标n（＝0，1，2，…，n）代表谢尔宾斯基地毯的阶数。σ+nt的计算式为：（4）式中σnt表示非接触颗粒的电导率；；；；。σ+(n)sc的计算式为：（5）式中σ(n)sc表示接触颗粒的n阶电导率；σg表示水合物的电导率，s/m；；；r+(n)表示围绕在颗粒周围水的厚度；t+(n)表示围绕在颗粒接触电阻周围水的厚度[20]。图1分形孔隙模型图注：图中黑色的部分代表沉积物多孔介质的颗粒骨架，白色的部分代表孔隙图2含天然气水合物沉积物的分形孔隙模型和电阻网络图根据含水饱和度的定义：（2）式中Sw表示含水饱和度；Sh表示水合物饱和度；h表示经验常数。h＝Swsp/Sw，0≤h≤1，当
新能源·131·第38卷第11期（7）（8）公式（3）是用严格自相似分形几何结构体（谢尔宾斯基地毯）模拟自相似分布的颗粒，对于实际多孔介质，需要引入经验参数i对颗粒无序分布的程度进行修改，实际多孔介质的总有效电导率为：（9）式中经验参数i表示实际多孔介质的无序程度，取值范围为1.0～2.0[29]。则含水合物沉积物的电阻率（ρt）为：（10）则含水合物沉积物的电阻率增大指数（I）为：（11）式中ρo表示水饱和沉积物的电阻率。在电导模型中，含水合物沉积物的电阻率（ρt）可表示为孔隙度（φ，由l、c和n确定）、水合物饱和度（Sh）、各部分介质（沉积物骨架、孔隙水和天然气水合物）的电导率、经验常数（i，与沉积物随机、无序的结构有关）和h（与颗粒的接触状态有关）、以及孔隙微结构尺寸（l和c）的函数。对于盐水—水合物—多孔介质骨架体系，根据GMGS1的测井数据，确定σw的范围为5.00～2.85s/m（由盐度和温度确定）[30]；多孔介质骨架主要成分为石英砂时，其电导率（σs）的取值范围为10－8～10－16s/m，对于含有黏土的多孔介质骨架，其σs的取值范围为5×10－2～2s/m；天然气水合物的电导率（σg）为10－6s/m；在计算中，选取经验参数i、h，可以获得含水合物沉积物电阻率与饱和度的关系[28-29]。2结果与讨论2.1含水合物海砂沉积物电阻率数值模拟图3给出了ρt的模拟数值与实验数据的比较。实验采用的海砂样品来自南海神狐海域的浅层，其主要成分为二氧化硅，不含黏?
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英砂中甲烷水合物渗透率实验与模型验证[J]. 李刚,李超,李小森,魏纳. 天然气工业. 2017(12)
[2]南海东北部陆坡天然气水合物富集特征及成因模式[J]. 梁金强,张光学,陆敬安,苏丕波,沙志彬,龚跃华,苏新. 天然气工业. 2016(10)
[3]多孔介质中甲烷水合物聚散过程的交流阻抗谱响应特征[J]. 金学彬,陈强,邢兰昌,刘昌岭,郑金吾. 天然气工业. 2016(03)
[4]太阳能固体吸附材料等效导热系数的分形模型[J]. 杨晚生,石海娟,王璋元,赵旭东. 新型建筑材料. 2014(06)
[5]基于分形理论的纳米颗粒多孔介质真空导热特性[J]. 阚安康,张婷婷,曹丹. 化工学报. 2013(11)
[6]电阻率在天然气水合物三维生成及开采过程中的变化特性模拟实验[J]. 李小森,冯景春,李刚,王屹. 天然气工业. 2013(07)
[7]南海沉积物天然气水合物饱和度与电阻率的关系[J]. 陈玉凤,李栋梁,梁德青,周雪冰,吴能友. 石油学报. 2013(03)
[8]多孔介质有效导热系数的实验与模拟[J]. 史玉凤,刘红,孙文策. 四川大学学报(工程科学版). 2011(03)
[9]岩石物理的理论模拟和数值实验新方法[J]. 陶果,岳文正,谢然红,朱益华. 地球物理学进展. 2005(01)
[10]基于分形理论的多孔介质导热系数研究[J]. 陈永平,施明恒. 工程热物理学报. 1999(05)
博士论文
[1]岩土多孔介质孔隙结构的分形研究及其应用[D]. 陶高梁.武汉理工大学 2010
硕士论文
[1]天然气水合物储层饱和度参数数值模拟[D]. 马龙.吉林大学 2014
[2]基于分形理论的计算机图案设计研究[D]. 李珂.西南交通大学 2011
本文编号：3498949
【文章来源】：天然气工业. 2018,38(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1分形孔隙模型图
·130·天然气工业2018年11月粒，假设含水合物沉积物是由沉积物颗粒骨架、天然气水合物、孔隙水3个部分组成。根据等效电阻网络，建立含天然气水合物沉积物的电导模型（图2）。图2中的黑色部分代表沉积物多孔介质骨架（颗粒），其电导率为σs；灰色部分代表孔隙水，其电导率为σw；白色部分代表固态的天然气水合物，其电导率为σg。孔隙水饱和度（Sw）为两个部分：环绕颗粒周围的水饱和度（Swsp）和颗粒之间存在的接触电阻的水饱和度（Swb）。孔隙水的电导率；Ant/A表示不相接触的颗粒占全部颗粒的体积分数；(1－Ant/A)表示自相似分布相互接触颗粒占全部颗粒的体积分数，0＜Ant/A＜1，Ant/A≈φ[20]；σ+nt是非接触颗粒的等效电导率；σ+(n)sc是接触颗粒的n阶等效电导率。其中上标n（＝0，1，2，…，n）代表谢尔宾斯基地毯的阶数。σ+nt的计算式为：（4）式中σnt表示非接触颗粒的电导率；；；；。σ+(n)sc的计算式为：（5）式中σ(n)sc表示接触颗粒的n阶电导率；σg表示水合物的电导率，s/m；；；r+(n)表示围绕在颗粒周围水的厚度；t+(n)表示围绕在颗粒接触电阻周围水的厚度[20]。图1分形孔隙模型图注：图中黑色的部分代表沉积物多孔介质的颗粒骨架，白色的部分代表孔隙图2含天然气水合物沉积物的分形孔隙模型和电阻网络图根据含水饱和度的定义：（2）式中Sw表示含水饱和度；Sh表示水合物饱和度；h表示经验常数。h＝Swsp/Sw，0≤h≤1，当
新能源·131·第38卷第11期（7）（8）公式（3）是用严格自相似分形几何结构体（谢尔宾斯基地毯）模拟自相似分布的颗粒，对于实际多孔介质，需要引入经验参数i对颗粒无序分布的程度进行修改，实际多孔介质的总有效电导率为：（9）式中经验参数i表示实际多孔介质的无序程度，取值范围为1.0～2.0[29]。则含水合物沉积物的电阻率（ρt）为：（10）则含水合物沉积物的电阻率增大指数（I）为：（11）式中ρo表示水饱和沉积物的电阻率。在电导模型中，含水合物沉积物的电阻率（ρt）可表示为孔隙度（φ，由l、c和n确定）、水合物饱和度（Sh）、各部分介质（沉积物骨架、孔隙水和天然气水合物）的电导率、经验常数（i，与沉积物随机、无序的结构有关）和h（与颗粒的接触状态有关）、以及孔隙微结构尺寸（l和c）的函数。对于盐水—水合物—多孔介质骨架体系，根据GMGS1的测井数据，确定σw的范围为5.00～2.85s/m（由盐度和温度确定）[30]；多孔介质骨架主要成分为石英砂时，其电导率（σs）的取值范围为10－8～10－16s/m，对于含有黏土的多孔介质骨架，其σs的取值范围为5×10－2～2s/m；天然气水合物的电导率（σg）为10－6s/m；在计算中，选取经验参数i、h，可以获得含水合物沉积物电阻率与饱和度的关系[28-29]。2结果与讨论2.1含水合物海砂沉积物电阻率数值模拟图3给出了ρt的模拟数值与实验数据的比较。实验采用的海砂样品来自南海神狐海域的浅层，其主要成分为二氧化硅，不含黏?
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英砂中甲烷水合物渗透率实验与模型验证[J]. 李刚,李超,李小森,魏纳. 天然气工业. 2017(12)
[2]南海东北部陆坡天然气水合物富集特征及成因模式[J]. 梁金强,张光学,陆敬安,苏丕波,沙志彬,龚跃华,苏新. 天然气工业. 2016(10)
[3]多孔介质中甲烷水合物聚散过程的交流阻抗谱响应特征[J]. 金学彬,陈强,邢兰昌,刘昌岭,郑金吾. 天然气工业. 2016(03)
[4]太阳能固体吸附材料等效导热系数的分形模型[J]. 杨晚生,石海娟,王璋元,赵旭东. 新型建筑材料. 2014(06)
[5]基于分形理论的纳米颗粒多孔介质真空导热特性[J]. 阚安康,张婷婷,曹丹. 化工学报. 2013(11)
[6]电阻率在天然气水合物三维生成及开采过程中的变化特性模拟实验[J]. 李小森,冯景春,李刚,王屹. 天然气工业. 2013(07)
[7]南海沉积物天然气水合物饱和度与电阻率的关系[J]. 陈玉凤,李栋梁,梁德青,周雪冰,吴能友. 石油学报. 2013(03)
[8]多孔介质有效导热系数的实验与模拟[J]. 史玉凤,刘红,孙文策. 四川大学学报(工程科学版). 2011(03)
[9]岩石物理的理论模拟和数值实验新方法[J]. 陶果,岳文正,谢然红,朱益华. 地球物理学进展. 2005(01)
[10]基于分形理论的多孔介质导热系数研究[J]. 陈永平,施明恒. 工程热物理学报. 1999(05)
博士论文
[1]岩土多孔介质孔隙结构的分形研究及其应用[D]. 陶高梁.武汉理工大学 2010
硕士论文
[1]天然气水合物储层饱和度参数数值模拟[D]. 马龙.吉林大学 2014
[2]基于分形理论的计算机图案设计研究[D]. 李珂.西南交通大学 2011
本文编号：3498949
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