基于显微CT技术的煤体微观孔隙结构构建及低压水渗流数值模拟

摘要

煤是一种复杂的多孔介质材料，其内部含有大量孔隙，这些孔隙的大小、形态和排列方式各不相同，构成了众多的结构。煤的微观孔隙结构不仅影响其孔隙度、渗透率等物理性质，对其宏观物化参数如密度、吸水性、注水软化性及弱化性等也有很大的影响，进而在很大程度上决定了气液在煤岩层中的赋存状态和流动特性。高分辨率显微 CT成像技术和可视化软件技术的发展，为我们揭露“摸不清，看不见”的煤体微观孔隙结构及渗流特性等物理力学过程或机制提供了可能。随着研究的不断深入，从微观孔隙结构层面揭示煤岩体孔隙特征及内部流体渗流特性已然成为岩石力学和流体动力学等领域的研究热点。鉴于此，本文采用理论分析、实验测试及数值模拟相结合的方法，对煤体数字岩心的实现过程、基于滤波及灰度分割技术的煤体微观孔隙结构模型提取和煤体微观层面孔隙渗流特性进行了较为深入的研究，从而逐步展开了“基于显微CT技术的煤体微观孔隙结构构建及低压水渗流特性数值模拟”的研究。该方向的拓展研究，对从微观层面研究煤体微观孔隙结构内部渗流规律提供了新的思路和途径，为探讨煤体微观结构应力应变及离散元分析提供了启示。　　本文首先介绍了显微 CT技术的基本概念及所用实验设备 nanoVoxel-2000系列X射线三维显微镜，同时对X射线三维显微镜的成像原理、重建原理以及成像系统的组成部分进行了详细的说明，为后续的显微 CT扫描实验奠定了理论基础；进而使用nanoVoxel-2000系列X射线三维显微镜分别对四种不同煤样进行显微 CT扫描，每个煤样均得到一系列二维切片图及三维灰度分布图，从扫描图像可以清晰地观察到煤体各成分的分布情况。将扫描得到的数据保存为RAW格式后导出，为后续煤体微观孔隙模型的建立奠定了基础。然后，通过对比三种不同的滤波算法，最终选择中值滤波器对原始图像进行降噪平滑处理，滤波处理后的孔隙和岩石基质之间的过渡变得自然，边界也变得平滑，同时也尽可能的保留了图像重要特征信息，为下一步实现孔隙和基质的图像分割奠定了基础；基于孔隙度的图像分割法，结合岩芯实际孔隙度求出最佳分割阈值，对滤波处理后的图像进行了二值化处理。通过基于孔隙度的表征单元体分析，最终选取边长为120的立方体素用以开展微观孔隙模型建立及孔隙渗流特性数值模拟研究。利用 Avizo软件实现了煤体微观结构模型孔隙、骨架的分离，并保存为通用CAD格式，为煤体微观孔隙结构有限元模型的构建提供了基于真实尺寸且能够代表煤样物理特性的孔隙结构几何模型。最后，基于ICEM CFD软件对CAD格式的微观孔隙模型进行了非结构化网格划分和边界条件的设置，采用k-epsilon标准湍流模型，考虑重力的影响，展开了微观煤体孔隙结构单向及多向情况下的低压水渗流数值模拟，得到了微观尺度下煤体孔隙渗流的压力、速度、质量流率等重要参数的演化规律，研究结果为完善煤体微观孔隙渗流特性相关理论做出了贡献。

目录

声明

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及意义

1.4 研究内容及技术路线

2 基于显微CT技术的煤体扫描实验

2.1 显微CT技术及设备简介

2.2 显微CT成像

2.3 显微CT扫描实验分析

2.4 本章小结

3 煤体微观孔隙结构及有限元模型构建

3.1 图像处理

3.2 煤体微观孔隙结构模型构建

3.3 有限元模型构建

3.4 本章小结

4 煤体微观孔隙结构低压水渗流数值模拟

4.1 单向微观孔隙低压水渗流模拟

4.2 多向微观孔隙低压水渗流模拟

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 论文的创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成果

附录