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碳酸溶蚀对砂岩储层物性特征及孔隙结构的影响

窦亮彬, 王婷, 方勇, 程学彬, 陈景杨, 程志林

窦亮彬, 王婷, 方勇, 程学彬, 陈景杨, 程志林. 碳酸溶蚀对砂岩储层物性特征及孔隙结构的影响[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2024, 56(2): 1-10. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024016
引用本文: 窦亮彬, 王婷, 方勇, 程学彬, 陈景杨, 程志林. 碳酸溶蚀对砂岩储层物性特征及孔隙结构的影响[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2024, 56(2): 1-10. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024016
DOU Liangbin, WANG Ting, FANG Yong, CHENG Xuebin, CHEN Jingyang, CHENG Zhiling. The Influence of Carbonate Dissolution on Physical Properties and Pore Structure of Sandstone Reservoir[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2024, 56(2): 1-10. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024016
Citation: DOU Liangbin, WANG Ting, FANG Yong, CHENG Xuebin, CHEN Jingyang, CHENG Zhiling. The Influence of Carbonate Dissolution on Physical Properties and Pore Structure of Sandstone Reservoir[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2024, 56(2): 1-10. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024016

碳酸溶蚀对砂岩储层物性特征及孔隙结构的影响

基金项目: 

国家自然科学基金项目 52074221

陕西省教育厅重点科学研究计划项目 21JY036

陕西省重点研发计划项目 2024GX-YBXM-503

详细信息
    通讯作者:

    窦亮彬,Email: doulb@xsyu.edu.cn

  • 中图分类号: TE4

The Influence of Carbonate Dissolution on Physical Properties and Pore Structure of Sandstone Reservoir

  • 摘要:

    以鄂尔多斯盆地长6不同渗透率级别砂岩岩心为研究对象,系统研究了碳酸溶蚀前后岩心物性特征、矿物组成以及孔隙结构的变化特征。结果表明:对于较低渗透率的岩样,碳酸水的溶蚀作用造成除石英外的其他矿物组分含量均有所下降,而对于高渗岩样,由于孔隙空间比表面积较小,使得矿物与碳酸水作用强度较弱,少量方解石和长石被溶解而含量下降,其他矿物相对含量有所升高。随着碳酸水的不断注入,渗透率为0.1 mD的岩心孔隙度和渗透率均不断增大,渗透率为1.0 mD的岩心孔渗均是先减小后增大,当岩心渗透率为10 mD时,岩心孔隙度和渗透率均不断减小。总体上,孔隙度相对变化率在-5.77%~-3.68%之间;渗透率相对变化率在-21.87%~-18.47%之间。研究结果揭示了不同孔渗级别砂岩与碳酸水相互作用下孔喉结构变化特征,能够为低渗储层CO2驱油和埋存方案的制定提供重要理论依据。

    Abstract:

    The change of physical properties, mineral composition and pore structure of Chang 6 sandstone cores with different permeability levels in Ordos Basin before and after carbonic acid dissolution were systematically studied. The results show that for rock samples with low permeability, the content of other mineral components except quartz decreases due to the dissolution of carbonate water, while for rock samples with high permeability, due to the small specific surface area of pore space, the interaction strength between minerals and carbonate water is weak, and a small amount of calcite and feldspar are dissolved and the content decreases, while the relative content of other minerals increases. With the continuous injection of carbonate water, the porosity and permeability of the core with a permeability of 0.1 mD increase continuously, and the porosity and permeability of the core with a permeability of 1.0 mD decrease first and then increase. When the core permeability is 10 mD, the core porosity and permeability decrease continuously. In general, the relative change rate of porosity is between -5.77% and -3.68%. The relative change rate of permeability was between -21.87% and -18.47%. The research results reveal the characteristics of pore throat structure changes under the interaction between sandstone with different porosity and permeability levels and carbonate water, which can provide an important theoretical basis for the formulation of CO2 displacement and storage schemes in low permeability reservoirs.

  • 拓扑指数是一类刻画分子结构的数值不变量. 在理论化学中, 拓扑指数被用于预测化合物的物理化学性质、药理活性和生理活性等. 常用的与距离有关的拓扑指数主要有Wiener指数[1-2]、Harary指数[3]和Kirchhoff指数[4].

    环辛烷及其衍生物是有机化学中重要的环烷烃, 可用于药物合成、有机合成等. 而研究一些特殊化学链的拓扑指数及其在化学中的应用也成为化学图论的热点问题[5-13]. 如:WU等[5]计算了聚苯链、聚苯蜘蛛链的hyper-Wiener指数, 得到上、下界; YANG和ZHANG[6]给出了随机聚苯链的Wiener指数的期望值; WEI等[12]给出了随机环辛烷链的Wiener指数的期望值; ZHANG等[13]确定了随机聚苯链的Schultz指数、Gutman指数、度积Kirchhoff指数、度和Kirchhoff指数的期望值.

    关于Kirchhoff指数的研究已经有比较多的成果. 如:YANG和JIANG[14]给出了单圈图的Kirchhoff指数的极大、极小值; GUO等[15]确定了全负荷单圈图的Kirchhoff指数的极大、极小值; FENG等[16]刻画了具有极大、极小度Kirchhoff指数的全负荷单圈图; FEI和TU[17]刻画了具有最大、第二大度Kirchhoff指数的双圈图. 关于更多介绍Kirchhoff指数的性质及其应用的文献可参考文献[18-21]. 在文献[12-13]的启发下, 本文首先确定了随机环辛烷链的3类Kirchhoff指数(Kirchhoff指数、度积Kirchhoff指数、度和Kirchhoff指数)的期望表达式, 再由该式得到了具有n个八边形的环辛烷链的3类Kirchhoff指数的极大值与极小值, 并刻画了相应的极图.

    1947年, WIENER[1]在研究石蜡的沸点与其分子的结构关系时, 提出了用拓扑指数来研究分子的结构性质. 由于当时化学图论发展的限制, H WIENER并未将这一指数与化学图论结合给出定义. 1971年, HOSOYA[2]对这一指数给出了图论术语表达式, 即W(G)={u,v}V(G)dG(u,v), 其中dG(u, v)表示顶点uv之间最短路的长度. 为了纪念H WIENER对这一指数的贡献, 将其称为Wiener指数.

    1993年, KLEIN和RANDI Ć[22]基于电网理论引入了一个新的距离函数, 称之为电阻距离: 通过用单位电阻器代替图G的每条边来将图G视为电网N, 将电网N中顶点u与顶点v之间的有效电阻值称为图G中顶点u与顶点v之间的电阻距离rG(u, v).

    在Wiener指数的定义中用电阻距离替代距离, 则可得到Kirchhoff指数[4]

    Kf(G)={u,v}V(G)rG(u,v).

    度积Kirchhoff指数Kf*(G)[23]与度和Kirchhoff指数Kf +(G)[24]是2类加权版的Kirchhoff指数, 分别定义为:

    Kf(G)={u,v}V(G)(dG(u)dG(v))rG(u,v),Kf+(G)={u,v}V(G)(dG(u)+dG(v))rG(u,v).

    图 1为一条具有n个正八边形的环辛烷链COCn, 可以看成是将环辛烷链COCn-1通过一条割边连接一个新的终端正八边形On所构成的.

    图  1  n个正八边形的环辛烷链COCn
    Figure  1.  A cyclooctane chain with n regular octagons

    设COCn=O1O2On为具有n (n≥2)个正八边形的环辛烷链, 其中Ot (t=2, 3, …, n)为图COCn中通过割边ut-1vtOt-1相连的第t个正八边形. 在Ot中, 与点vt距离为1、2、3、4的点分别记为otmtwtlt. 例如: 图 1vn=z1; on=z2, z8; mn=z3, z7; wn=z4, z6; ln=z5.

    在具有n个正八边形的环辛烷链COCn中, 有一些特殊类的COCn. 例如: 对任意的2≤tn-1, 若均有ut=ot, 则将该环辛烷链COCn记为COn; 若ut=mt, 则将其记为CMn; 如ut=wt, 则将其记为CWn; 若ut=lt, 则将其记为CLn.

    n≥3时, COCn+1的终端八边形On+1可以连接到Ononmnwnln点, 即4种连接方式, 不妨将得到的4种不同的图形(同构意义下)分别记为COCn+11、COCn+12、COCn+13和COCn+14, 见图 2.

    图  2  环辛烷链的4种连接方式
    Figure  2.  Four connection methods of cyclooctane chains

    一条具有n个正八边形的随机环辛烷链, 记为COC(n; p1, p2, p3), 是按照以下的连接方式进行n-2步得到的链(每一步t (t=3, 4, …, n)都随机选择其中一种连接方式):(1)COCt-1→COCt1, 可能性为p1; (2)COCt-1→COCt2, 可能性为p2; (3)COCt-1→COCt3, 可能性为p3; (4)COCt-1→COCt4, 可能性为1-p1-p2-p3, 其中p1p2p3是与参数t无关的常数, 且0≤p1, p2, p3≤1, 0≤p1+p2+p3≤1.

    特别地, COC(n; 1, 0, 0)、COC(n; 0, 1, 0)、COC(n; 0, 0, 1)、COC(n; 0, 0, 0)分别为链COn、CMn、CWn、CLn.

    E[Kf(COC(n; p1, p2, p3))]表示随机环辛烷链COC(n; p1, p2, p3)的Kirchhoff指数的期望, 记r(u|G)= vV(G)r(u,v). 为了计算随机环辛烷链的Kirchhoff指数期望的表达式, 首先给出COC(n; p1, p2, p3)的Kirchhoff指数的递归公式.

    引理1  设COCn为具有n (n≥1)个正八边形的环辛烷链, 则

    Kf(COCn)=Kf(COCn1)+8r(un1COCn1)+148(n1)+42. (1)

    证明  首先介绍如何求图中两顶点之间的Kirchhoff指数, 以图 1中顶点un-1与顶点z7之间的Kirchhoff指数为例. 由物理中电阻串联、并联的规律知, 2个电阻值分别为R1R2的电阻串联的总电阻为R1+R2, 并联的总电阻为R1R2/(R1+R2). 由图 1可以看出顶点un-1到顶点z7的连接情况为:路z1z2z3z4z5z6z7与路z1z8z7并联, 然后与路z1un-1串联. 从而可得顶点un-1与顶点z7之间的Kirchhoff指数为2×62+6+1=52. 下面对COCn中的顶点进行分类,以求解任意顶点对xy的电阻距离r(x, y).

    对于任意顶点vV(COCn-1), 由图 1r(zi, v)=r(zi, un-1)+r(un-1, v), 且

    r(zi,v)=r(un1,v)+{1(i=1),1+78=158(i=2,8),1+32=52(i=3,7),1+158=238(i=4,6),1+2=3(i=5). (2)

    对于zkV(On) (1≤k≤8), 有

    8i=1r(zk,zi)=(78+32+158)×2+2=212.

    r(x|G)= yV(G)r(x,y)及式(2), 有

    r(ziCOCn)=8j=1r(zi,zj)+vV(COCn1)r(zi,v)=212+8(n1)r(zi,un1)+r(un1COCn1),

    从而

    r(ziCOCn)=r(un1COCn1)+{8n+52(i=1),15n92(i=2,8),20n192(i=3,7),23n252(i=4,6),24n272(i=5). (3)

    进而

    Kf(COCn)=Kf(COCn1)+8i=1r(ziCOCn)128i=18j=1r(zi,zj)=Kf(COCn1)+8r(un1COCn1)+148(n1)+42.

    故式(1)成立. 证毕.

    Un=E[r(un|COCn)], 下面给出Un的表达式.

    引理2  设COC(n; p1, p2, p3)为具有n (n≥1)个正八边形的随机环辛烷链, 则

    Un=(1292p12p212p3)n2+(92p1+2p2+12p332)n. (4)

    证明  分以下4种情况来计算Un.

    情形1:COCn→COCn+11. 此时un=z2z8, r(un|COCn)为r(z2|COCn)的可能性为p1.

    情形2:COCn→COCn+12. 此时un=z3z7, r(un|COCn)为r(z3|COCn)的可能性为p2.

    情形3:COCn→COCn+13. 此时un=z4z6, r(un|COCn)为r(z4|COCn)的可能性为p3.

    情形4:COCn→COCn+14. 此时un=z5, r(un|COCn)为r(z5|COCn)的可能性为1-p1-p2-p3.

    由情形1至情形4及式(3), 可知

    Un=r(z2COCn)p1+r(z3COCn)p2+r(z4COCn)p3+r(z5COCn)(1p1p2p3)=p1[r(un1COC(n1;p1,p2,p3))+15n92]+p2[r(un1COC(n1;p1,p2,p3))+20n192]+p3[r(un1COC(n1;p1,p2,p3))+23n252]+(1p1p2p3)[r(un1COC(n1;p1,p2,p3))+24n272].

    E[Un]=Un, 则

    Un=p1[Un1+15n92]+p2[Un1+20n192]+p3[Un1+23n252]+(1p1p2p3)[Un1+24n272]=Un1+(249p14p2p3)n+(9p1+4p2+p3272). (5)

    将初始值U1=E[r(u1|COC(1;p1, p2, p3))]=(78+32+158)×2+2=212代入式(5), 递归可得式(4). 证毕.

    由引理1和引理2, 易得随机环辛烷链的Kirchhoff指数的期望值.

    定理1  设COC(n; p1, p2, p3)为具有n (n≥1)个正八边形的随机环辛烷链, 则

    E[Kf(COC(n;p1,p2,p3))]=13(9636p116p24p3)n3+(20+36p1+16p2+4p3)n213(30+72p1+32p2+8p3)n. (6)

    证明  对式(1)两边取期望, 由式(4), 有

    E[Kf(COC(n;p1,p2,p3))]=E[Kf(COC(n1;p1,p2,p3))]+8E[r(un1COC(n1;p1,p2,p3))]+148(n1)+42=E[Kf(COC(n1;p1,p2,p3))]+8Un1+148n106.

    从而

    E[Kf(COC(n+1;p1,p2,p3))]=E[Kf(COC(n;p1,p2,p3))]+(9636p116p24p3)n2+(136+36p1+16p2+4p3)n+42. (7)

    将初始值E[Kf(COC(1;p1, p2, p3))]=42代入式(7), 递归可得式(6)成立. 证毕.

    由于COC(n; 1, 0, 0)、COC(n; 0, 1, 0)、COC(n; 0, 0, 1)、COC(n; 0, 0, 0)分别为链COn、CMn、CWn、CLn. 将(p1, p2, p3)=(1, 0, 0)、(p1, p2, p3)=(0, 1, 0)、(p1, p2, p3)=(0, 0, 1)、(p1, p2, p3)=(0, 0, 0)分别代入定理1的期望表达式, 易得下面的推论.

    推论1  4种特殊环辛烷链COn、CMn、CWn、CLn的Kirchhoff指数为

    Kf(COn)=20n3+56n234n,Kf(CMn)=803n3+36n2623n,Kf(CWn)=923n3+24n2383n,Kf(CLn)=32n3+20n210n.

    下面给出环辛烷链的Kirchhoff指数达到上、下界的极图刻画.

    定理2  在所有具有n (n≥3)个正八边形的环辛烷链中, CLn是具有最大Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链, CMn是具有最小Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链.

    证明  设COC(n; p1, p2, p3)是具有n (n≥3)个正八边形的随机环辛烷链. 由定理1, 有

    f(p1,p2,p3)=E[Kf(COC(n;p1,p2,p3))]=(12n3+36n224n)p1+(163n3+16n2323n)p2+(43n3+4n283n)p3+32n3+20n210n.

    n≥3时, 有

    fp1=12n3+36n224n<0,fp2=163n3+16n2323n<0,fp3=43n3+4n283n<0.

    而0≤p1, p2, p3≤1, 0≤p1+p2+p3≤1, 所以f(p1, p2, p3)≤32n3+20n2-10n, 等号成立当且仅当p1=p2=p3=0, 即CLn是具有最大Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链.

    另一方面, 有

    f(p1,p2,p3)=(12n3+36n224n)(p1+p2)+(203n320n2+403n)p2+(43n3+4n283n)p3+32n3+20n210n(203n320n2+403n)p2+(43n3+4n283n)p3+20n3+56n234n=(43n3+4n283n)(p2+p3)+(243n324n2+16n)p2+20n3+56n234n(243n324n2+16n)p2+563n3+60n21103n.

    显见

    f(p1,p2,p3)(243n324n2+16n)p2+563n3+60n21103n. (8)

    的等号成立当且仅当p1+p2=1, p2+p3=1且0≤p1+p2+p3≤1, 即(p1, p2, p3)=(0, 1, 0). 将p2=1代入式(8), 可得f(p1, p2, p3)≥ 803n3+36n2- 623n, 等号成立当且仅当(p1, p2, p3)=(0, 1, 0), 即CMn是具有最小Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链. 证毕.

    在有n (n≥2)个正八边形的环辛烷链COCn中: 第1个和第n个正八边形中恰有1个3度点, 其余7个点都是2度点; 在其余的n-2个正八边形中, 恰有2个3度点, 其余都是2度点; 在On中, d(z1)=3, d(zi)=2 (2≤i≤8). 所以

    vV(COCn1)dCOCn(v)=6(n1)×2+2(n1)×31=18n19

    且在On中,

    8j=1d(zj)r(zj,zi)=2×8j=1r(zj,zi)+r(z1,zi)={21(i=1),21+78=1758(i=2,8),21+32=452(i=3,7),21+158=1838(i=4,6),21+2=23(i=5). (9)

    下面求Kf* (COC(n; p1, p2, p3))的期望值. 记V=V(COCn), V1=V(COCn-1), V2=V(COCn-1)\{un-1}.

    定理3  设COC(n; p1, p2, p3)为具有n (n≥1)个正八边形的随机环辛烷链, 则

    E[Kf(COC(n;p1,p2,p3))]=6(27818p192p298p3)n3+18(2+818p1+92p2+98p3)n2+12(2912818p192p298p3)n1. (10)

    证明  令Kf*(COCn)=A1+B1+C1, 其中

    A1={u,v}V1d(u)d(v)r(u,v),B1=vV1ziV(On)d(v)d(zi)r(v,zi),C1={zi,zj]V(On)d(zi)d(zj)r(zi,zj).

    由式(2)、(9)及对称性, 类似地, 有

    A1={u,v}V2d(u)d(v)r(u,v)+vV2dCOCn(un1)d(v)r(un1,v)=Kf(COCn1)+vV1d(v)r(un1,v),B1=vV1d(v)[3(r(v,un1)+1)+4(r(v,un1)+158)+4(r(v,un1)+52)+4(r(v,un1)+238)+2(r(v,un1)+3)]=17vV1d(v)r(v,un1)+38(18n19),C1=128i=1d(zi)(8j=1d(zj)r(zj,zi))=189.

    因此,

    Kf(COCn)=Kf(COCn1)+18vV1d(v)r(un1,v)+        684n533. (11)

    Un1=E[vV(C(n;p1,p2,p3))d(v)r(un,v)]. 与Un类似, 由式(2)、(9)知

    U1n=p1vVd(v)r(z2,v)+p2vVd(v)r(z3,v)+p3vVd(v)r(z4,v)+(1p1p2p3)vVd(v)r(z5,v)=p1[vV1d(v)r(un1,v)+1354n554]+p2[vV1d(v)r(un1,v)+45n25]+p3[vV1d(v)r(un1,v)+2074n1274]+(1p1p2p3)[vV1d(v)r(un1,v)+54n34]=U1n1+(54814p19p294p3)n+(34+814p1+9p2+94p3).

    导入初始值U11= vV(COC1)d(v)r(u1,v)=21, 递归可得

    U1n=(27818p192p298p3)n2+(7+818p1+92p2+98p3)n+1. (12)

    再由式(11)、(12)可得

    E[Kf(COC(n+1;p1,p2,p3))]=    E[Kf(COC(n;p1,p2,p3))]+18(27818p192p2    98p3)n2+18(31+818p1+92p2+98p3)n+169,

    导入初始值E[Kf* (COC(1;p1, p2, p3))]=168, 递归可得式(10)成立. 证毕.

    将(p1, p2, p3)=(1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1), (0, 0, 0)代入式(10), 易得下面的推论.

    推论2  4种特殊环辛烷链COn, CMn, CWn, CLn的度积Kirchhoff指数为

    Kf(COn)=4054n3+8734n23012n1,Kf(CMn)=135n3+117n283n1,Kf(CWn)=6214n3+2254n2852n1,Kf(CLn)=162n3+36n229n1.

    下面给出环辛烷链的度积Kirchhoff指数达到上、下界的极图刻画.

    定理4  在所有具有n (n≥3)个正八边形的环辛烷链中, CLn是具有最大度积Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链, CMn是具有最小度积Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链.

    证明  设COC(n; p1, p2, p3)为具有n (n≥3)个正八边形的随机环辛烷链. 由定理3, 有

    f1(p1,p2,p3)=E[Kf(COC(n;p1,p2,p3))]=(2434n3+7294n22432n)p1+(27n3+81n254n)p2+(274n3+814n2272n)p3+162n3+36n229n1.

    n≥3时, 有

    f1p1=2434n3+7294n22432n<0f1p2=27n3+81n254n<0,f1p3=274n3+814n2272n<0.

    而0≤p1, p2, p3≤1, 0≤p1+p2+p3≤1, 所以f1(p1, p2, p3)≤162n3+36n2-29n-1, 等号成立当且仅当p1=p2=p3=0, 即CLn是具有最大度积Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链.

    另一方面, 有

    f1(p1,p2,p3)=(2434n3+7294n22432n)(p1+p2)+(1354n34054n2+1352n)p2+(274n3+814n2272n)p3+162n3+36n229n1(1354n34054n2+1352n)p2+(274n3+814n2272n)p3+4054n3+8734n23012n1=(274n3+814n2272n)(p2+p3)+(812n32432n2+81n)p2+4054n3+8734n23012n1(812n32432n2+81n)p2+1892n3+4772n2164n1.

    显见

    f1(p1,p2,p3)(812n32432n2+81n)p2+1892n3+      4772n2164n1 (13)

    的等号成立当且仅当p1+p2=1, p2+p3=1且0≤p1+p2+p3≤1, 即(p1, p2, p3)=(0, 1, 0). 将p2=1代入式(13)可得f1(p1, p2, p3)≥135n3+117n2-83n-1, 等号成立当且仅当(p1, p2, p3)=(0, 1, 0), 即CMn是具有最小度积Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链. 证毕.

    本节求Kf+(COC(n; p1, p2, p3))的期望值. 仍记V=V(COCn), V1=V(COCn-1), V2=V(COCn-1)\{un-1}.

    定理5  设COC(n; p1, p2, p3)为具有n (n≥1)个正八边形的随机环辛烷链, 则

    E[Kf+(COC(n;p1,p2,p3))]=6(249p14p2p3)n3+18(6118+9p1+4p2+p3)n212(3712+9p1+4p2+p3)n. (14)

    证明  令Kf+(COCn)=A2+B2+C2, 其中, A2={u,v}V1(d(u)+d(v))r(u,v), B2=vV1ziV(On)(d(v)+d(zi))r(v,zi), C2={zi,zj}V(On)(d(zi)+d(zj))r(zi,zj).

    由式(2)、(9), 类似地, 有

    A2={u,v}V2(d(u)+d(v))r(u,v)+vV2(dCocn(un1)+d(v))r(un1,v)=Kf+(COCn1)+r(un1COCn1)B2=vV1ziV(σn)d(v)r(v,zi)+vV1ziV(On)d(zi)r(v,zi)=8vV1d(v)r(v,un1)+17r(un1COCn1)+372(18n19)+304(n1),C2=128i=18j=1(d(zi)+d(zj))r(zi,zj)=3572.

    因此,

    Kf+(COCn)=Kf+(COCn1)+18r(un1COCn1)+8vV1d(v)r(un1,v)+637n477. (15)

    Un2=E[r(un|COC(n; p1, p2, p3))], 与Un类似, 由式(2)、(3)知

    U2n=r(z2COCn)p1+r(z3COCn)p2+r(z4COCn)p3+r(z5COCn)(1p1p2p3)=U2n1+(249p14p2p3)n+(272+9p1+4p2+p3).

    代入初始值U12=21/2, 递归可得

    U2n=12(249p14p2p3)n2+12(3+9p1+4p2+p3)n. (16)

    由式(15)、(16), 可得

    E[Kf+(COC(n+1;p1,p2,p3))]=    E[Kf+(COC(n;p1,p2,p3))]+18(249p14p2p3)n2+    18(2779+9p1+4p2+p3)n+168.

    代入初始值E[Kf+(COC(1;p1, p2, p3))]=168, 递归可得式(14)成立. 证毕.

    将(p1, p2, p3)=(1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1), (0, 0, 0)分别代入式(14), 易得如下推论.

    推论3  4种特殊环辛烷链COn, CMn, CWn, CLn的度和Kirchhoff指数为

    Kf+(COn)=90n3+223n2145n,Kf+(CMn)=120n3+133n285n,Kf+(CWn)=138n3+79n249n,Kf+(CLn)=144n3+61n237n.

    下面给出环辛烷链的度和Kirchhoff指数达到上、下界的极图刻画.

    定理6  在所有具有n (n≥3)个正八边形的环辛烷链中, CLn是具有最大度和Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链, CMn是具有最小度和Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链.

    证明  设COC(n; p1, p2, p3)为具有n (n≥3)个正八边形的随机环辛烷链. 由定理5, 有

    f2(p1,p2,p3)=E[Kf+(COC(n;p1,p2,p3))]=    (54n3+162n2108n)p1+(24n3+72n248n)p2+    (6n3+18n212n)p3+144n3+61n237n.

    n≥3时, 有

    f2p1=54n3+162n2108n<0,f2p2=24n3+72n248n<0,f2p3=6n3+18n212n<0.

    而0≤p1, p2, p3≤1, 0≤p1+p2+p3≤1, 所以f2(p1, p2, p3)≤144n3+61n2-37n, 等号成立当且仅当p1=p2=p3=0, 即CLn是具有最大度和Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链.

    另一方面, 有

    f2(p1,p2,p3)=(54n3+162n2108n)(p1+p2)+    (30n390n2+60n)p2+(6n3+18n212n)p3+    162n3+144n3+61n237n(30n390n2+60n)p2+    (6n3+18n212n)p3+90n3+223n2145n=    (6n3+18n212n)(p2+p3)+(36n3108n2+72n)p2+    90n3+223n2145n(36n3108n2+72n)p2+84n3+    241n2157n.

    显见

    f2(p1,p2,p3)(36n3108n2+72n)p2+    84n3+241n2157n. (17)

    的等号成立当且仅当p1+p2=1, p2+p3=1且0≤p1+p2+p3≤1, 即(p1, p2, p3)=(0, 1, 0). 将p2=1代入式(17),可得f2(p1, p2, p3)≥120n3+133n2-85n, 等号成立当且仅当(p1, p2, p3)=(0, 1, 0), 即CMn是具有最小度和Kirchhoff指数的惟一的环辛烷链. 证毕.

    Hn为所有具有n个正八边形的环辛烷链的集合, 则Hn中所有环辛烷链的3类Kirchhoff指数的平均值记为Hn的3类Kirchhoff指数的平均值, 其表达式分别为

    Kfavr(Hn)=1|Hn|GHnKf(G),Kfavr(Hn)=1|Hn|GHnKf(G),Kf+avr(Hn)=1|Hn|GHnKf+(G).

    由于Hn中每条随机链的产生都是等可能的, 故而当(p1, p2, p3, 1-p1-p2-p3)=(1/4, 1/4, 1/4, 1/4)时, 可以得到其平均值. 将(p1, p2, p3)=(1/4, 1/4, 1/4)代入定理1、定理3、定理5的期望表达式, 易得下面的结论.

    定理7  环辛烷链集Hn的3类Kirchhoff指数的平均值分别为

    Kfavr (Hn)=823n3+34n2583n,Kfavr (Hn)=11078n3+8558n23054n1,Kf+avr (Hn)=123n3+124n279n.

    我们发现

    Kfav(Hn)=14(Kf(COn)+Kf(CMn)+Kf(CWn)+Kf(CLn)),        Kfavr (Hn)=14(Kf(COn)+Kf(CMn)+                Kf(CWn)+Kf(CLn)),Kf+avr (Hn)=14(Kf+(COn)+Kf+(CMn)+Kf+(CWn)+        Kf+(CLn)).

    这意味着可以用这4条特殊的链COn、CMn、CWn、CLn的Kirchhoff指数(度积Kirchhoff指数、度和Kirchhoff指数)的平均值来表示Hn的Kirchhoff指数(度积Kirchhoff指数、度和Kirchhoff指数)整体的平均值.

  • 图  1   实验装置示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of experimental apparatus

    图  2   岩心驱替前后矿物组分变化

    Figure  2.   Changes of mineral composition before and after core displacement

    图  3   驱替前后岩心孔隙度的变化

    Figure  3.   Changes of core porosity before and after displacement

    图  4   岩心驱替前后孔隙度变化率

    Figure  4.   Change rate of porosity before and after core displacement

    图  5   岩心驱替后渗透率变化

    Figure  5.   Permeability changes after core displacement

    图  6   0.1 mD岩心驱替前后核磁共振T2

    Figure  6.   Nuclear magnetic resonance T2 spectra of 0.1 mD core before and after displacement

    图  7   1.0 mD岩心驱替前后核磁共振T2

    Figure  7.   Nuclear magnetic resonance T2 spectra of 1.0 mD core before and after displacement

    图  8   10 mD岩心驱替前后核磁共振T2

    Figure  8.   Nuclear magnetic resonance T2 spectra of 10 mD core before and after displacement

    图  9   渗透率为0.1 mD时岩心驱替前后孔隙占比变化

    Figure  9.   Pore ratio changes before and after core displacement with a permeability of 0.1 mD

    图  10   渗透率为1.0 mD时岩心驱替前后孔隙率的变化

    Figure  10.   Pore ratio changes before and after core displacement with a permeability of 1.0 mD

    图  11   渗透率为10 mD时岩心驱替前后孔隙率的变化

    Figure  11.   Pore ratio changes before and after core displacement with a permeability of 10 mD

    表  1   实验岩样物性

    Table  1   Physical properties of experimental rock samples

    岩心编号 直径/cm 长度/cm 孔隙体积/mL 孔隙度/% 渗透率/mD
    0.1-2 2.5 6 4.050 6 15.79 0.1
    0.1-3 4.030 4 13.69
    0.1-4 4.557 0 15.47
    0.1-5 4.293 7 14.48
    1-2 2.5 6 4.260 7 14.47 1.0
    1-3 4.200 3 14.26
    1-4 2.074 7 7.04
    1-5 3.177 8 10.79
    10-2 2.5 6 4.678 5 15.89 10
    10-3 4.800 2 16.31
    10-4 4.749 3 16.13
    10-5 4.719 0 16.03
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    表  2   模拟地层水配方

    Table  2   Simulated formation water formulations

    盐类化学式 摩尔质量/(g·mol-1) 渗透率为0.1 mD 渗透率为1.0 mD 渗透率为10 mD
    c/(mol·L-1) m/(g·L-1) c/(mol·L-1) m/(g·L-1) c/(mol·L-1) m/(g·L-1)
    MgCl2-6H2O 203 0.036 0 7.311 5 0.000 1 0.027 1 0.000 5 0.103 2
    CaCl2 111 0.138 6 15.386 2 0.000 7 0.072 4 0.001 0 0.111 3
    NaHCO3 84 0.003 6 0.301 9 0.033 1 2.777 0 0.049 3 4.144 9
    Na2SO4 142 0.031 6 4.492 9 0.011 2 1.588 6 0.002 1 0.301 8
    NaCl 58.5 1.555 4 90.990 4 0.111 5 6.522 7 0.119 2 6.975 1
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    表  3   实验方案

    Table  3   Experimental scheme

    岩心编号 驱替温度/℃ 驱替压力/MPa 驱替流体 注入PV数
    0.1-2 0
    0.1-3 75.8 19 碳酸水 1
    0.1-4 75.8 19 碳酸水 2
    0.1-5 75.8 19 碳酸水 6
    1-2 0
    1-3 75.8 19 碳酸水 1
    1-4 75.8 19 碳酸水 2
    1-5 75.8 19 碳酸水 6
    10-2 0
    10-3 75.8 19 碳酸水 1
    10-4 75.8 19 碳酸水 2
    10-5 75.8 19 碳酸水 6
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-23
  • 网络出版日期:  2024-06-21
  • 刊出日期:  2024-04-24

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