岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型

从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、B iot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.     

渗流力学的新发展

渗流力学是研究流体在多孔介质内运动规律的科学。自1856年法国工程师达西提出线性渗流定律以来,渗流力学一直在向前发展,但最近10多年来的发展更为迅速,其主要动向是:渗流力学应用范围比以前更广;渗流力学理论以较快的速度不断深化;渗流力学研究手段不断实现现代化。本文主要对几项新型渗流——非等温渗流,物理化学渗流,非牛顿流体渗流,生物流体渗流,细观渗流的发展作了综述。      

渗流力学研究的现状和发展趋势

渗流力学在能源、环境、水利、岩土、交通、生物等工程领域有广泛的应用，渗流力学经过约一个半世纪的发展，已经积累了相当多的成果。随着现代科学的发展以及生产实践需求的不断提高，渗流力学仍然有进一步完善和发展的广阔空间。本文简述了水利、环境、能源工程和生物学中的渗流力学问题，扼要概括了渗流力学理论研究的现状，并指出渗流力学在多孔介质描述、裂缝型介质渗流、多相多组分渗流、物理化学渗流、非线性渗流、非饱和渗流、微观渗流、渗流模拟等理论及相关方法和测试技术等方面的发展趋势。     

非线性渗流力学研究进展

非线性渗流力学、多重介质渗流力学、计算渗流力学(包括优化控制理论)以及渗流物理学,是现代渗流力学领域的四个重点发展方向。我国近年来多重介质渗流力学发展较快,在某些方面接近国际水平或略为领先。计算渗流力学也做了不少工作。可是,近10年来与生产实际需要关系密切的大部分内容都和非线性渗流有关。这方面国外发展很快。这应引起我国流体力学界重视,结合我国生产实际需要,将一部分科研力量转移到这个新的生长点上。      

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟

根据裂缝性低渗油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型。将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立裂缝性低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.通过数值模拟对一实际井网开发过程中孔隙度、渗透率的变化以及开发指标进行计算,并和刚性模型以及双重介质模型的计算结果进行了分析比较.     

关于计算渗流力学问题

渗流力学能够较好地解决油、气、水田开发工程中提出的复杂而困难的力学问题,是与引用和研究新的数值方法分不开的。早在50年代初,G.H.Bruce,D.W.Peaceman,H.H.Rachford,Jr。就用有限差分方法在计算机上(IBM卡片程序计算机)求得了理想气体非线性非定常渗流的数值解。1959年,J.Douglas,D.W.Peaceman,H.H.Rachford,Jr。研究了水、油二相多维渗流非线性微分方程组的数值计算方法。1966年,Zienkiewicz把有限元方法用于二维定常渗流计算。1968年,Javendal,Witherspoon进一步用有限元方法解非定常渗流问题。渗流力学发展到现代,可以毫不夸张的说,离开了数值模拟将很难有新的突破和重大进展。由于计算渗流力学内容很丰富,限于水平,我们只就几个方面的较有代表性的问题作些不完全的综述。      

裂缝介质渗流力学国内外科研方向调查(摘要)

前言遵照毛主席关于“按照实际情况决定工作方针,这是一切共产党员所必须牢牢记住的最基本的工作方法”和“调查就是解决问题”的教导,在探讨我国渗流力学科研方向时,我们结合我国油气田裂缝性的特点,调查了国外裂缝介质渗流力学科研现状和动向,并根据我国生产实际需要,写出了初步调查报告,现提要介绍如下。裂缝介质渗流力学是古典渗流力学中发展起来的一个分支,近年来得到迅速发展,其主要原因有二:      

非饱和土渗流和变形强度特性的温度效应

高放核废料地下处置、高压电缆埋设和地热开发等工程的发展,使得温度对非饱和土基本力学性质影响的研究逐渐成为当前岩土工程的热点.从渗流特性和变形强度特性两方面出发,分析了温度对非饱和土基本力学性质的影响. 对于渗流特性,研究了温度对液相水和水蒸气运动的影响,并进一步综述了水热迁移模型的发展. 对于变形强度特性受温度的影响,从试验研究和理论模型入手,研究了非饱和土的变形和强度等随温度的变化规律,并在此基础上对温度的影响进行了总结.文中还指出了现阶段研究中存在的问题及今后的研究方向.      

孔隙介质中稠油流体非线性渗流方程

为揭示稠油流体在油藏孔隙中渗流特性,基于力学平衡方程,建立了描述稠油流体渗流特征的非线性渗流方程,对油藏孔隙中稠油渗流过程及启动机理进行了深入分析,着重分析了边界层、流体屈服应力以及表面力对渗流过程的影响.结果表明,Hagen-Poiseuille定律需经修正方能描述稠油流体流动,边界层、流体屈服应力以及表面力对稠油渗流影响非常显著.孔隙中,稠油启动压力梯度来源于其屈服应力、表面力,边界层加剧了渗流非线性程度,实际稠油油藏开发中,要充分掌握稠油渗流非线性特征.      

岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、 岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型: 等效连续介质模型、 裂隙网络模型、 双重介质模型、 断裂力学模型、 连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑, 着重对渗流场的处理, 后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入, 着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍, 指出了这些模型的优缺点与适用范围, 给出了一些有代表性的研究成果, 并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.     

渗流力学的近况和展望

渗流力学研究流体在多孔介质的运动规律.渗流是指流体在多孔介质内的流动;孔隙介质、裂缝-孔隙介质以及各种类型的毛细管体系等均属多孔介质.渗流力学是流体力学与多孔介质理论和表面物理化学等学科交叉渗透产生的一个独立的学科领域,是多种工程技术的理论基础.     

国外渗流力学研究的某些近况

渗流力学是现代流体力学的一个分支,它是研究流体在孔隙介质中运动规律的科学。流体所通过的孔隙介质具有极其复杂的连通形式和孔隙结构、各种不同的表面性质以及很大的比面等特点,而流体流过孔隙介质时受到很大的流动阻力、显著的表面力以及一些在流动过程中发生的物理化学现象等因素的影响,这些特点使渗流力学与一般的流体力学明显地区别开来。自从法国工程师达西于1856年发现渗流基本定律——达西定律,从而正式揭开渗流力学的历史以来,近几十年,渗流力学得到相当迅速的发展。特别是近年来在渗流理论方面又有     

聚合物流体渗流机理研究

聚合物流体在多孔介质中渗流的研究是近年来有重大进展的领域。本文介绍从力学与物理方法进行渗流机理研究的思路、主要结果和当前活跃的研究课题。流体的非牛顿性对复杂边界条件下均匀流体力学效应的影响已得到了较好的定量处理;揭示了拉伸流粘弹特性对渗流影响的机理,其定量描述则尚有待努力。进而讨论了石油工程中十分重要的非均一流体渗流的新进展,包括大分子效应与粘性指进效应及其分形描述。对于上述物理效应的综合考虑将使聚合物渗流力学研究进入新的阶段。      

考虑渗流效应的深埋海底隧道围岩与衬砌结构应力场研究

深埋海底隧道经常处于高水压工况,地下水渗流对隧道围岩及衬砌结构安全性有较大影响.本文提出了一种含衬砌深埋海底隧道力学模型,研究了海底隧道服役阶段地下水渗流对围岩及衬砌结构稳定性的影响机理.应用保角映射方法将包含海水与围岩弹性区的半无限域映射成圆环域,根据渗流边界条件建立了各界面间极坐标下的渗流方程,得到了海底隧道渗流场解析解.将渗流场以体积力形式作用到应力场中,根据应力边界条件建立了应力平衡方程,基于考虑中间主应力影响的Drucker-Prager （D-P）准则,得到了渗流效应影响下围岩与衬砌结构的弹塑性解析解.以深圳妈湾跨海通道工程为例,将解析解与有限元数值解进行了对比,验证了本文理论解的准确性,研究了渗流效应对隧道围岩与衬砌结构应力场的影响规律.最后,分析了海水深度与内水水头对塑性区半径的影响.研究结果表明:渗流效应对围岩与衬砌结构中的环向应力影响显著,径向应力随ρ增大呈非线性增长;随着海水加深,隧道承受水压不断加大,围岩塑性区范围显著增大;增加内水水头可以有效限制围岩塑性区发展,初始阶段限制效果明显,后续增加内水水头限制效果逐渐减弱.     

低渗透微尺度孔隙气体渗流规律

微尺度条件下气体流动特性的研究是现代渗流力学前沿领域之一．分析了低渗透岩石饱和气体渗流实验结果,探索了微尺度孔隙气体渗流规律,探讨了气体非线性渗流力学机理,发现了低渗透岩石微尺度孔隙气体与液体渗流遵循同一形式的运动定律,建立了气体与液体非线性运动定律统一模型．结果表明：新模型与实验结果吻合很好,为微尺度孔隙气体微流动特性研究提供了新的理论依据,对工程地质环境保护及地下流体资源开发有重要指导意义．     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

双重孔隙介质中二相驱替理论

裂缝-孔隙地层中的注水驱油问题是近十多年来油田开发和渗流力学中最受关注的问题之一.本文改进了已有的数学模型,即正确地写出了双重孔隙介质中二相渗流的基本方程,并用特征线方法进行了全面的研究,揭示了裂缝-孔隙地层中水驱油过程的基本特征.可把本工作看作是著名的Buckley-Leverett理论在双重孔隙介质中的推广.     

力学在三峡工程中的应用

本文概述了36年来为三峡枢纽而开晨的工程力学科研工作,包括流体力学(水力学、河流动力学及泥沙,渗流力学,水下冲击波等)和固体力学(岩石力学、土力学、材料力学、结构力学、爆破力学、工程动力学、监测等)各个专业领域.有些问题涉及多个学科专业.通过“七五”攻关,为解决三峡工程不同设计阶段的技术难题,提供了大量的科研成果.     

采空区流场非达西渗流一种新的迭代算法

对Bachmat非线性渗流方程求解问题，结合采空区问题的力学特点，提出基于变渗透率达西 (Darcy)渗流求解非线性渗流的迭代算法. 建立了冒落采空区非线性漏风流态的有限元数 值模型，通过对复杂边界采空区的漏风渗流的计算，得到与实际流态更接近的流动规律(风 压等值线和流函数线)和采空区漏风强度分布(速度场). 结果表明，迭代算法是振荡性收 敛的，收敛速度快；与Darcy渗流相比，采空区非线性渗流速度场趋向于平缓，在工作面附 近30\,m范围内最大风速降低到原来的0.61倍，其余大部分区域速度略有增加. 迭代方法满 足工程要求.     

非常规油气资源渗流力学进展专题序

《力学学报》本次组织的《非常规油气资源渗流力学进展专题》包含12篇研究型或综述型论文, 涉及页岩油气、煤层气、致密油气及天然气水合物等非常规资源, 旨在反映国内高校、科研院所及企业的科研人员在非常规油气资源开发渗流力学领域取得的最新进展, 以促进学术交流, 供从事相关领域的读者参考, 期望能有所启迪.