基于图像识别的裂隙煤层气非Darcy渗流模拟

煤层气在煤岩裂隙中流动时,由于其粘度系数较小,很容易产生非Darcy现象.因此,考虑煤层气的非Darcy渗流将会使得研究结果更加客观和准确,对煤层气开采具有实际意义.首先将实物裂隙高清拍照导入Matlab软件中进行图像二值化处理,再利用COMSOL软件对二值图像进行模型重构和数值模拟.模拟结果显示,煤层气渗流速度随着裂隙尺度的变化而不断改变,速度随时间不断增加,但区域渗流速度分布状态保持不变.与Darcy结果的对比分析可知,相同压力梯度下,考虑非Darcy因素的产气量要明显小于仅考虑Darcy因素的情况.同时,结果显示,在渗透率不同的煤裂隙中,煤层气的渗流速度不同.渗透率较大时,渗流速度相对较大,同样,渗透率较小时,渗透速度较小.     

页岩气在超低渗介质中的渗流行为

基于页岩气藏复杂孔隙结构和页岩气在纳米孔隙表面的滑脱和吸附-解吸附等现象,通过引入表观渗透率,修正Darcy渗流模型,得到了页岩气渗流本构方程. 将计算结果与Darcy模型计算结果进行了比照,结果表明,在产量定常情形下,基于非Darcy渗流模型得到的井底压力高于Darcy流结果; Darcy流模型得到的压力衰减速度较快,改进后的渗流模型更能准确描述与表征页岩气渗流过程;研究结果可为页岩气藏的经营与管理提供基础参数.      

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.     

变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数,而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素.通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台,针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验,研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响.研究表明:非湿润相流体运动通道,在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构,而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构.随着开度的增加,非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加,两相流体的有效渗透率均增大,流动结构趋于稳定.可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下,两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制:当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时,裂隙进出口压差显著增加;反之,当该通道由不连续转变为连续时,压差显著减小.最后,基于分形理论以及渗透率统计建模方法,建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型,并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.     

高温焙烧草木灰-钢渣-膨润土复合材料渗储特性实验研究

为解决天然膨润土渗透性差,直接作为吸附固化剂去除土壤重金属离子污染物效率低的问题,本文优化了草木灰、钢渣和膨润土配比,高温焙烧改性制备一种新的复合材料,并进行了改性膨润土复合材料试件的渗储实验。实验结果表明:改性膨润土复合材料既能高效净化污水,对水中浓度为10mol/L的Cu~(2+)的去除率达到98%以上,又具良好的渗储作用,其渗透率上限是天然膨润土渗透率的105倍,污水通过改性膨润土的渗流速度与压力梯度呈正指数变化的非达西渗流;渗透率随含水率的增加呈负指数变化规律,由于渗流过程受水体中固体沉淀污染物的影响,渗透率随渗流时间的增加而减小,在吸湿和脱湿过程中,含水率随时间呈双线性变化规律。     

饱和多孔介质中的混合有限元法和有限应变下应变局部化分析

对基于Biot理论的饱和多孔介质中动力-渗流耦合分析提出了一个耦合场混合元．固相位移、应变和有效应力以及流相压力、压力梯度和Darcy速度在单元内均处理为独立变量分别插值．基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理给出的饱和多孔介质动力-渗流耦合问题控制方程的单元弱形式，导出了单元公式．进一步导出了考虑压力相关非关联塑性的非线性单元公式和发展了相应的一致性算法．对几何非线性分析，采用了共旋公式途径．数值结果例题显示所发展耦合场混合元模拟大应变下由应变软化引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象的性能．     

峰后岩石非Darcy渗流的分岔行为研究

煤矿采动围岩大多处于峰后应力状态或破碎状态，其渗流一般不符合Darcy定律，为非Darcy渗流系统．峰后岩石非Darcy渗流系统的失稳和分岔是煤矿突水和煤与瓦斯突出动力灾害发生的根源．文中用谱截断方法建立了Ahmed-Sunada型非Darcy渗流系统的降阶动力学方程，再由变量代换得到以无量纲变量表示的平衡态附近的演化方程，分析了系统的分岔条件，给出了系统的各种吸引子图案，并结合采矿工程实际，用非线性数学的观点揭示了煤矿突水和煤与瓦斯突出的机理．研究表明：当非Darcy渗流系统渗流特性和边界压力的初始值满足一定条件时，系统由平衡转向不稳定，即存在跨临界Hopf分岔和切分岔，并且，系统的动力学响应不随渗透特性连续变化，即该系统存在突变性．     

破碎岩体非等温渗流的非线性动力学研究

分别从固体及流体导热的能量方程出发,导出破碎岩体非等温渗流的能量本构方程, 结合渗流的连续性方程、运动方程、状态方程等建立了破碎岩体非等温渗流的一维非线性动力学方程组;结合Mathcad软件计算得到了系统的无量纲化平衡态, 利用逐次亚松弛迭代法分析了对应于不同参数时平衡态的稳定性;指出非等温渗流系统存在鞍结分岔及折叠突变, 与等温渗流相比, 考虑温度场的破碎岩体渗流动力系统更容易发生渗流突变.      

非达西渗流拟启动压力梯度推算

岩体启动压力梯度的大小是石油开采,工程防渗处理等方面需要考虑的影响因素。非线性渗流现象已被广泛所认同,低渗透性岩渗流存在启动压力梯度,它基本代表了流体产生渗流时的压力梯度大小。试验对试样进水端水压进行长期稳定控制,出水端采用精确测定流出水体积变化量的方法进行流量测定; 当渗出端水体积的变化量与时间呈直线关系时,即认为该时段渗透特征符合达西定律。通过对具有不同渗透性的软弱岩系统的试验测试,根据实测渗透系数与压力梯度的正相关关系,提出了拟启动压力梯度推算的"三次平均法",即:首先统一调整实测渗透系数值,然后确定绝对渗透系数值,再根据该值确定V0值, 3次取平均推算拟启动压力梯度的方法。分析表明:拟启动压力梯度随围压升高而增大,随岩石的绝对渗透系数降低而增大; 在渗透压差增大过程测得的拟启动压力梯度大于降低过程的拟启动压力梯度,这些都与理论分析结果相吻合。实例说明拟启动压力梯度推算"三次平均法"较为合理,易于推广使用。这为通过室内试验确定工程岩体启动渗流压力梯度的大小,提出了一种新的思路。     

低渗透裂缝性油气藏非稳态窜流因子研究

深入分析了常定窜流因子和现有的非稳态因子对于低渗透基质-裂缝窜流的不适应问题,根据对23 个低渗岩心渗流曲线的拟合分析结果,引入了变渗透率系数,并在此基础上推导了非线性扩散方程,也就是低渗透基质-裂缝系统间窜流的控制微分方程;经过无量纲化处理,引入了动边界条件,分别利用积分方法和矩方法导出了非线性扩散方程在前后两个阶段的近似解析解,并在此基础上构建了非稳态窜流因子的表达形式;新的窜流因子可以有效应用于低渗透基质-裂缝系统间的窜流计算,有限元数值模拟的结果验证了新因子在计算非线性非稳态窜流方面的准确性与可靠性.      

动边界双重介质油藏低速非达西渗流试井模型

裂缝性油藏中基质岩块的渗透率一般很低,大量岩心测试实验证实在基质岩块内的液体渗流和在一定含水饱和度下的气体渗流将偏离达西渗流,往往出现低速非达西渗流,表现出启动压力梯度以及流体流动边界不断向外扩展等特殊现象。本文充分考虑启动压力梯度与动边界的影响,建立了微可压缩双重介质油藏低速非达西渗流的试井数学模型,对时间和空间变量...     

低渗透裂缝性油气藏非稳态窜流因子研究简

深入分析了常定窜流因子和现有的非稳态因子对于低渗透基质-裂缝窜流的不适应问题,根据对23 个低渗岩心渗流曲线的拟合分析结果,引入了变渗透率系数,并在此基础上推导了非线性扩散方程,也就是低渗透基质-裂缝系统间窜流的控制微分方程;经过无量纲化处理,引入了动边界条件,分别利用积分方法和矩方法导出了非线性扩散方程在前后两个阶段的近似解析解,并在此基础上构建了非稳态窜流因子的表达形式;新的窜流因子可以有效应用于低渗透基质-裂缝系统间的窜流计算,有限元数值模拟的结果验证了新因子在计算非线性非稳态窜流方面的准确性与可靠性.     

基于渗透率连续变化的低渗透多孔介质非线性渗流模型

基于低渗透多孔介质渗透率的渐变理论,确定了能精确描述低渗透多孔介质渗流特征的非线性运动方程,并通过实验数据拟合．验证了非线性运动方程的有效性。非线性渗流速度关于压力梯度具有连续-阶导数,方便于工程计算;由此建立了低渗透多孔介质的单相非线性径向渗流数学模型,并巧妙采用高效的Douglas-Jones预估一校正有限差分方法求得了其数值解。数值结果分析表明：非线性渗流模型为介于拟线性渗流模型和达西渗流模型之间的一种中间模型或理想模型,非线性渗流模型和拟线性渗流模型均存在动边界;拟线性渗流高估了启动压力梯度的影响,使得动边界的移动速度比实际情况慢得多;非线性越强,地层压力下降的范围越小,地层压力梯度越陡峭,影响地层压力的敏感性减弱,而影响地层压力梯度的敏感性增强。     

峰后岩石非Darcy渗流的一维非定常严格简明解析解

煤炭是中国近期的主要能源,仍需要大力研究. 而煤矿采动围岩大多处于峰后应力状态或破碎状态,其渗流一般不符合Darcy定律. 探讨非Darcy渗流系统, 对其研究既有理论创新价值,尤其在煤矿安全中更有重要的实用价值. 用近年发展的求解偏微分方程新的分离变量法------加法分离变量法,得出了Ahmed-Sunada型非Darcy渗流的3套非常简明的一维非定常严格解析解,以发展相应的渗流理论,以及作为标准解推进渗流数值计算的水平.      

可压缩气体定常非Darcy渗流的流动分析及其应用

气体通过多孔介质的非Darcy流动具有广泛的工程应用背景，因此对多孔介质中的气体非Darcy流动进行流动分析有着非常重要的意义。然而，在通常的研究中，一般都将气体考虑为不可压缩流体，很少考虑气体的压缩性。对于高压气体以较高的速度通过多孔介质的情况，在进行流动分析时，不仅要考虑非Darcy效应，还必须考虑气体的压缩性。在本文中，对可压缩气体通过多孔介质的定常非Darcy流动进行了一维流动分析，得出了多孔介质中气体的压力分布和速度分布。还进一步给出了在高压差和高流速情况下，测定多孔介质材料渗透率和惯性系数的方法，以及多孔介质材料前后压力差与材料厚度的比Δp/L和材料有气流速度u1的解析关系。     

考虑间隙内流的陶瓷隔热瓦气动载荷分析

陶瓷隔热瓦是高速飞行器热防护系统的重要结构。跨声速飞行过程中,当激波在飞行器表面形成压力突变,在激波压力梯度作用下隔热瓦中会产生严重的间隙内流。瓦与瓦之间的间隙内流、隔热瓦和应变隔离垫中的多孔介质渗流都会对陶瓷隔热瓦的气动载荷产生显著影响。采用纳维-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型,建立了考虑间隙内流和应变隔离垫渗流的隔热瓦载荷计算模型,对隔热瓦的间隙内流、应变隔离垫渗流和隔热瓦载荷进行了FLUENT数值仿真。计算结果与NASA实验结果的偏差不超过3.3%。在此基础上,研究了应变隔离垫的渗流系数、间隙宽度对隔热瓦载荷的影响规律。计算结果表明:①本文方法考虑间隙流的局部损失,理论精度高于线性蠕流理论,对比本文计算结果和蠕流线性公式结果,压力偏差在间隙流动的拐角处高达10.6%;②随材料Darcy粘性系数增大,应变隔离垫渗流的压力梯度先增加后减小;③如果隔热瓦在波后高压作用下发生位移,使得瓦与瓦之间的间隙宽度改变,则间隙流入口处(高压端)间隙宽度的增加,会导致陶瓷隔热瓦底部受到的气动载荷增大。     

考虑渗透系数变化的地下结构温度-渗流耦合分析

地下岩体的温度随着深度的增加呈逐渐上升的趋势，在地下水的作用下，岩体温度-渗流耦合作用明显。分析了地下岩体温度场与渗流场间的相互作用效应，考虑流体渗流和岩体骨架本身的热传导作用以及温度梯度所产生的渗流作用，并计入温度对水体运动粘滞系数及岩体渗透率的影响，给出了完整的基于连续介质模型的地下岩体温度-渗流耦合数学模型。借助...     

煤系地层岩石渗透特性试验研究

基于MTS815.02型岩石伺服渗透试验系统,应用两种实验方法测定了岩石的渗透特性,给出煤系地层中多种岩石全应力-应变过程中渗透率变化范围,对几种岩石的渗透特征进行了分析和讨论。研究表明:1)煤系地层岩石全应力-应变过程的渗透率通常在10-9到10-4Darcy量级之间;2)不同岩石在应力峰值前后其渗透性呈现不同的变化趋势;3)岩石渗透率的离散性很大,即使在相同的试验条件下,渗透率变异系数大多在0.65以上,其离散性按粗砂岩、泥岩、砂质页岩、中砂岩、细砂岩、砾岩、石灰岩顺序逐渐增大;4)在MTS815.02系统上,当所测岩样渗透率小于10-4Darcy量级时,应采用瞬态法,当渗透率量级大于10-4Darcy时,可改用稳态法测定。岩石变形过程中应力场和渗流场的耦合作用十分复杂,渗透率受孔隙压力、围压、试件尺寸、饱和程度等因素影响。     

超临界CO2在低渗透煤层中渗流规律的实验研究

利用自主研发的THM三场耦合渗流实验系统,进行不同孔隙压力和温度条件下的超临界CO2在低渗透煤层中的渗流实验,得出不同温度下流速和压力梯度之间的关系,从而得到了低渗透煤层注入超临界CO2的非达西渗流规律,即流速与压力梯度变化规律呈现正指数关系.随着压力梯度的增大,渗透系数也不断的增大,且呈现正指数关系;在同一体积应力和压力梯度的条件下,温度越高,流速越快;温度在临界点附近,流速和渗透系数增加很快.     

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔1715～1780m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数(导水系数T)。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体(REV)的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。