双重孔隙介质非线性流固耦合渗流

本文给出了考虑双孔双涌介质生变形的流固耦合渗流模型。不仅考虑了固结对渗流的影响,同时也考虎了固体变形对渗流参数（孔隙度和渗透率）的影响。这样。渗流就成了双孔双渗介质中非线性流固耦合渗流。在此基础上,本文还推导了双重孔隙介质非线性流固耦合渗流计算。给出了算例并作了对比。结果表明,固体变形引起的介质参数变化对流体渗流早中期过程有重要的影响,对渗流后期影响并不大。这对于石油开采有重要的参考价值。     

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能来连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。     

裂缝性油藏流固耦合渗流

本文给出了考虑介质变形的双重孔隙介质流固耦合渗流模型,并考虑渗流参数随有效应力而变化的非线性双重孔隙介质流固耦合渗流,在此基础上,本文还推导了双重孔隙介质非线性系数非线性等流固耦合流流计算,并给出了算例。     

多孔介质中流固作用力的动量交换计算

流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域,如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素. 作为一种有效的流体计算方法,格子波尔兹曼方法（lattice Boltzmannmethod,LBM）常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力. 分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程,提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力,并在孔隙尺度下对其进行了验证,结果表明该方法是可行的. 进而将该方法推广到计算表征体元（表征体元）尺度下的流-固相互作用,并对不同雷诺数（Re）下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.      

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi 胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程, 定义饱和与非饱和多孔介质有效应力. 导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力. 用以定义广义有效应力的Biot 系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量) 有关. 提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi 胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond) 模式的摆动(pendular) 液桥系统介观结构. 导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量. 考虑非饱和多孔介质Voronoi 胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop 参数由基于三相介观水力-力学模型, 作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.      

正弦波温度边界下多孔介质方腔内非热平衡对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化、右侧壁面温度均一的边界条件下,通过SIM-PLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:正弦波温度边界使得方腔内的流场出现了复杂的变化,流体及固体区域左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,左侧壁面局部Nusselt数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=1,此时多孔介质方腔内的整体散热量达到最大值;增加方腔高宽比会显著地削弱方腔内的自然对流传热过程,小高宽比也会在一定的程度上削弱多孔介质方腔内的对流传热。     

FORCE EVALUATION USING MOMENTUM-EXCHANGEMETHOD IN POROUS MEDIA

流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域,如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素. 作为一种有效的流体计算方法,格子波尔兹曼方法（lattice Boltzmannmethod,LBM）常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力. 分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程,提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力,并在孔隙尺度下对其进行了验证,结果表明该方法是可行的. 进而将该方法推广到计算表征体元（表征体元）尺度下的流-固相互作用,并对不同雷诺数（Re）下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

孔隙流体耦合效应对射流冲击应力分布的影响分析

运用全解耦流固耦合理论,建立了水射流冲击岩石介质流固耦合数值分析模型,给出了数值算法,计算分析了考虑和不考虑孔隙流体耦合效应对射流冲击岩石时应力分布的影响规律。结果表明,在射流冲击作用下,如不考虑孔隙流体耦合作用,最大拉应力位于冲击面,离冲击中心径向距离与喷距成正比,最大剪切应力位于岩石冲击中心下部约0.5倍喷嘴直径位置;如考虑孔隙流体耦合作用,最大拉应力位于岩石冲击中心下部约0.4倍喷嘴直径位置。数值分析结果可为水射流破岩机理研究中岩石破坏准则的选择提供依据。     

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。     

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.     

液饱和多孔介质中三维应力波的传播

为了深入研究液饱和多孔介质中应力波的传播，提出了三维两相细观计算模型．基于此模型。应用Galerkin余量法并计及流-固耦合界面的耦合效应，利用直接耦合的技术，开发了三维流-固混合显式动力有限元计算程序．在此基础上对冲击载荷作用下液饱和多孔介质中三维应力波的传播现象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响．     

The Physical Origin of Interfacial Coupling in Two-Phase Flow through Porous Media

Recently developed transport equations for two-phase flow through porous media usually have a second term that has been included to account properly for interfacial coupling between the two flowing phases. The source and magnitude of such coupling is not well understood. In this study, a partition concept has been introduced into Kalaydjian's transport equations to construct modified transport equations that enable a better understanding of the role of interfacial coupling in two-phase flow through natural porous media. Using these equations, it is demonstrated that, in natural porous media, the physical origin of interfacial coupling is the capillarity of the porous medium, and not interfacial momentum transfer, as is usually assumed. The new equations are also used to show that, under conditions of steady-state flow, the magnitude of mobilities measured in a countercurrent flow experiment is the same as that measured in a cocurrent flow experiment, contrary to what has been reported previously. Moreover, the new equations are used to explicate the mechanism by which a saturation front steepens in an unstabilized displacement, and to show that the rate at which a wetting fluid is imbibed into a porous medium is controlled by the capillary coupling parameter, . Finally, it is argued that the capillary coupling parameter, , is dependent, at least in part, on porosity. Because a clear understanding of the role played by interfacial coupling is important to an improved understanding of two-phase flow through porous media, the new transport equations should prove to be effective tools for the study of such flow.     

裂缝性低渗透油藏流固耦合渗流分析

在低渗透油田的开发过程中，油藏流体渗流和储层岩土之间存在明显的耦合作用。本文首先研究给出了低渗裂缝性储层孔渗参数的等效方法，然后将渗流力学和岩土力学相结合，给出了低渗透裂缝性储层流固耦合渗流的数学模型，该模型不仅可以反映基质孔渗参数在开发中的变化，而且更能反映裂缝开度变化所引起的渗透率变化，而这对于低渗透裂缝性油田而言十分重要。最后对一实际井网进行了流固耦合油藏数值模拟，给出了开发过程中孔渗参数的变化及其耦合效应对油田开发的影响．     

Investigation of Generalized Relative Permeability Coefficients for Electrically Assisted Oil Recovery in Oil Formations

Evaluation of relative permeability coefficients is one of the key steps in reliable simulation of two-phase flow in porous media. An extensive body of work exists on evaluation of these coefficients for two-phase flow under pressure gradient. Oil transport under an applied electrical gradient in porous media is also governed by the principles of two-phase flow, but is less understood. In this paper, relative permeability coefficients under applied electric field are evaluated for a specific case of two- phase fluid flow in water-wet porous media, where the second fluid phase is oil. It is postulated that the viscous drag on the oil phase, exerted by the electro-osmotic flow of the water phase, is responsible for the transport of oil in the absence of a pressure gradient. Reliable prediction of the flow patterns necessitates accurate representation and determination of the relative permeability coefficients under the electrical gradient. The contribution of each phase to the flow is represented mathematically, and the relative permeability coefficients are evaluated through electro-osmotic flow measurements conducted on oil bearing rock cores.     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架——————不规则界面情形

海底地震动场及海洋声场的模拟中,需要考虑复杂海床介质及海底地形的影响,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩,分别进行空间离散和界面耦合, 十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后, 以饱和多孔介质方程为基础, 经集中质量有限元离散,严格考虑不同孔隙率的饱和多孔介质在不规则界面的耦合条件,通过求解法向和切向界面力的途径,建立了不同孔隙率的饱和多孔介质耦合情形的求解方法,将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.考虑海水--弹性基岩、海水--饱和海床--弹性基岩体系中凹陷地形情形,采用本文提出的统一计算框架, 结合透射边界条件,分析了P波入射时的动力反应, 并通过结果是否满足界面条件,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

Origin and quantification of coupling between relative permeabilities for two-phase flows in porous media

An extended formulation of Darcy's two-phase law is developed on the basis of Stokes' equations. It leads, through results borrowed from the thermodynamics of irreversible processes, to a matrix of relative permeabilities. Nondiagonal coefficients of this matrix are due to the viscous coupling exerted between fluid phases, while diagonal coefficients represent the contribution of both fluid phases to the total flow, as if they were alone. The coefficients of this matrix, contrary to standard relative permeabilities, do not depend on the boundary conditions imposed on two-phase flow in porous media, such as the flow rate. This formalism is validated by comparison with experimental results from tests of two-phase flow in a square cross-section capillary tube and in porous media. Coupling terms of the matrix are found to be nonnegligible compared to diagonal terms. Relationships between standard relative permeabilities and matrix coefficients are studied and lead to an experimental way to determine the new terms for two-phase flow in porous media.     

基于多变量小样本的渗流代理模型及产量预测方法

多孔介质渗流过程中存在的多尺度、多变量、多物理场耦合的非线性渗流问题给复杂渗流机理的表征及数学模型求解提出了巨大的挑战, 综合考虑地下多孔介质耦合渗流过程中关键力学问题的渗流模型往往需要在计算效率和计算精度之间权衡. 近年来, 基于油田多数据的渗流代理模型为高效求解多变量非线性渗流问题提供了思路, 而渗流代理模型在实际油田中的应用往往由于记录不全, 操作不当等因素受到小样本数据的限制. 针对这一问题, 本文提出了一种基于地质?油藏?工艺的多数据小样本渗流代理模型的产量预测方法. 通过填补缺失值, 独热编码分类数据, 数据对数化及标准化等一系列数据预处理方法, 形成了油田产量预测数据库; 经过随机劈分数据集、十折交叉验证, 测试了三种渗流代理模型的预测效果. 结果表明, 三种代理模型的决定系数均超过0.8, 模型预测结果与实际数据较为吻合; 对于小样本多变量的油田数据, 合适的数据预处理方法对模型预测效果影响显著; 经过数据标准化后, 随机森林算法表现最好, 能快速准确预测石油产量(均方误差0.12, 决定系数0.87).