天然裂缝普遍存在于各类孔隙介质(如岩石、土壤等)中且呈现出多个尺度和不同强度,认识裂缝的几何形态结构以及渗流属性对于石油工程、地质工程、环境保护、采矿、土壤和材料等都具有重大意义。伴随着计算机技术、图像处理、X射线CT扫描的快速发展,裂缝形态结构的微观定量表征以及裂缝渗流模型的建立已成为当今研究的前沿和热点问题。为此,本文从一系列含裂缝的CT扫描图像入手,研究裂缝空间形态的结构表征,并探讨了相应参数裂缝结构模型构建的理论和算法;进而应用这一建模工具深入分析了裂缝多个形态特征对其渗流能力的影响,并基于裂缝孔隙简化的几何拓扑结构(中轴面),提出了一种高效、精确的渗流计算方法。本论文的主要贡献罗列如下:1.针对裂缝空间复杂形态难以测量和描述的难题,提出了一种准确描述裂缝空间形态的方法,并得出了一个重要结论,即具有粗糙壁面的天然裂缝空间结构等价于裂缝趋势面与趋势面上逐点对应裂缝开度的组合。基于此结论,提出了测量裂缝的五个形态表征参数(即裂缝平均开度、开度粗糙度、开度场空间相关长度、裂缝趋势面波动系数以及趋势面的空间相关长度)的方法,为更深入地研究裂缝提供了新的量化特征。2.由于天然裂缝样本的获取十分困难且CT扫描的成本非常高昂,本文提出了一种简单、有效的均值滤波方法用于构建三维粗糙单裂缝数学模型。通过均值滤波方法构建的裂缝模型开度不仅服从高斯分布规律而且具有一致的空间相关性,同时,裂缝模型的两壁面在整体上具有波动的相似性并且在局部范围内具有起伏的协同性。因此,提出的裂缝模型构建方法可以为研究流体在裂缝中的流动提供与自然裂缝高度相似的、参数可控的以及数量不限的模型。3.借鉴传统裂缝导流主控因素的研究思想,从立方定律修正因子的估计出发,分析并讨论了裂缝各形态参数对裂缝绝对渗透率不同程度的影响。结果表明,裂缝开度参数为影响裂缝渗流属性的主控因素,裂缝趋势面参数为次要因素。主要表现为:在平均开度指定的前提下,裂缝的绝对渗透率随裂缝开度粗糙度的增大呈幂函数形式下降,而随开度空间相关长度的增大呈线性增大;同时随裂缝趋势面波动系数的增大呈幂函数关系下降,而随趋势面空间相关长度的增大呈线性增大。此研究为提高裂缝中能源采收率提供了一个机理性的框架认识。4.针对常规裂缝渗流属性计算的耗时长、资源消耗大等难题,提出了一种基于裂缝中轴面的快速、准确的计算方法。中轴面作为三维裂缝复杂几何空间的降维处理,不仅抓住了渗流的基本要素(如开度、连通性等)而且降低了计算区域的复杂度。同时,基于裂缝中轴面的数值计算方法不仅缩短了获取裂缝渗透率的时间,还得到了实验室内难以测量的裂缝几何空间数据。这为模拟裂缝中流体的流动提供了一个重要的计算工具。