考虑介质微观非均质特征的乳状液渗流模型

油水乳化渗流是三元复合驱和热力采油过程中常见的现象,地层介质的微观孔隙结构特征对乳状液流动有着重要影响.现有描述乳状液渗流的理论模型都属于确定性方法,只能反映出介质孔隙结构的体积平均效果.当介质内部微观非均质性相比其尺寸不能被忽略时,采用确定性方法描述会与实验结果存在偏差.基于连续时间随机游走理论建立了描述乳状液渗流的随机理论模型.该模型引入反映液滴微观运动特征的跃迁时间和跃迁位移两个概率分布函数来反映多孔介质微观非均质特征.研究结果表明该模型能很好地刻画实验曲线中出现的与介质尺度相关的拖尾现象,可作为更一般的过滤模型.     

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.     

金沙江某水电站上下坝址岩体卸荷差异研究

油水乳化渗流是三元复合驱和热力采油过程中常见的现象,地层介质的微观 孔隙结构特征对乳状液流动有着重要影响. 现有描述乳状液渗流的理论模型都属于确定性方 法,只能反映出介质孔隙结构的体积平均效果. 当介质内部微观非均质性相比其尺寸不能被 忽略时,采用确定性方法描述会与实验结果存在偏差. 基于连续时间随机游走理论建立 了描述乳状液渗流的随机理论模型. 该模型引入反映液滴微观运动特征的跃迁时间和跃迁位 移两个概率分布函数来反映多孔介质微观非均质特征. 研究结果表明该模型能很好地刻画 实验曲线中出现的与介质尺度相关的拖尾现象,可作为更一般的过滤模型.     

基于三维网络模型的水驱油微观渗流机理研究

利用逾渗网络模型在微观水平进行随机模拟来研究水驱油的微观渗流规律，通过模型计 算结果与油水稳态相对渗透率驱替实验结果对比验证了网络模拟的有效性. 在此基础上，讨 论了在不同润湿条件下、水驱不同阶段的剩余油微观分布规律. 将剩余油分布形态归纳为4 种状态：孤粒/孤滴状、斑块状、网络状和油水混合状态. 研究表明，网络状剩余油的块数 较少，但所占体积比例较大. 随着剩余油饱和度的降低，最大网络状油所占孔隙数减少，剩 余油饱和度在40{\%}$\sim$50{\%}附近开始以较快速度减少. 润湿性不仅影响驱油效率，也影响剩余油分布形态. 在驱替过程中，剩余油分布总的变化趋势是逐渐趋于分散.     

液态泡沫渗流的机理研究进展

液态泡沫是具有高度自组织结构的非平衡系统. 泡沫中的微量液体在重力与毛细管力作用下, 在由薄膜、柏拉图通道以及交汇点形成的通道网络内的流动称为泡沫渗流(foamdrainage), 它直接影响泡沫结构的稳定性. 本文从泡沫物理学角度对液态泡沫的结构首先做了简单介绍, 并对泡沫材料与多孔介质之间的区别和联系做了简单介绍. 文章分析了由泡沫渗流、气泡粗化和液膜破裂而引起的泡沫结构演化规律, 着重介绍了目前泡沫渗流研究中对柏拉图通道边界条件的处理方法、相应的渗流模型及其在一维泡沫渗流中的应用, 并对泡沫渗流实验检测手段及微重力条件下的泡沫渗流实验和理论研究做了综述.      

非连续变形分析方法的改进及应用1）

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现. 其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征. 研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳. 改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

基于规则网络的碳酸盐岩多尺度网络模型构建方法研究

碳酸盐岩油藏非均质性强,孔隙大小变化可达好几个数量级,描述碳酸盐岩油藏多尺度孔隙特征具有重要意义.本文首先基于三维规则网络模型建立了不同物理尺寸的溶洞网络、大孔隙网络和微孔隙网络;然后提出一种耦合算法,以溶洞网络为基础,通过添加适当比例的大孔隙和微孔隙,构建出碳酸盐岩多尺度网络模型;最后对比分析了各网络模型的几何性质、拓扑性质和绝对渗透率.结果表明,碳酸盐岩多尺度网络模型能够同时描述不同尺度孔隙的几何和拓扑特征;且相比各单一尺度的孔隙网络模型,多尺度网络模型有着较高的绝对渗透率,这是由于各尺度孔隙之间的相互连通极大地提高了网络的整体连通性和流动能力,为碳酸盐岩油藏微观渗流模拟提供了重要的研究平台.     

非连续变形分析方法的改进及应用

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现.其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征.研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳.改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

裂隙岩体非稳态渗流数值模型及其应用

为解决裂隙岩体非稳态渗流问题, 发展了一种新的数值模型. 对于单裂隙渗 流求解, 其控制方程是基于一定假设的简化Navier-Stokes方程, 数值方法采用有限差分法 和流体体积法. 在裂隙网络中, 交界处渗流可以由专门的控制方程求解. 计算结果表明, 该 数值模型既可以大幅提高非稳态渗流的计算效率, 还可以避免孤立裂隙所带来的影响. 最后, 通过两个工程算例验证该数值模型的适用性.     

低渗透煤层气藏中气-水两相不稳定渗流动态分析

针对低渗透煤层渗流问题,考虑启动压力梯度及其引起的动边界和动边界内吸附气解吸作用的渗流模型研究目前仅限于单相流,而更符合实际的气-水两相渗流动边界模型未见报道.本文综合考虑了煤层吸附气的解吸作用、气-水两相渗流、非达西渗流、地层应力敏感等影响因素,进行了低渗透煤层的气-水两相渗流模型研究.采用了试井技术中的"分相处理"方法,修正了两相渗流的综合压缩系数和流度,并基于含气饱和度呈线性递减分布的假设,建立了煤层气藏的气-水两相渗流耦合模型.该数学模型不仅可以描述由于低渗透煤层中渗流存在启动压力梯度而产生的可表征煤层有效动用范围随时间变化的移动边界,还可以描述煤层有效动用范围内吸附气的解吸现象以及吸附气解吸作用所引起的煤层含气饱和度的上升;为了提高模型精度,控制方程还保留了二次压力梯度项.采用了稳定的全隐式有限差分方法进行了模型的数值求解,并验证了数值计算方法的正确性,获得了模型关于瞬时井底压力与压力导数响应的双对数特征曲线,由此分析了各渗流参数的敏感性影响.本文研究结果可为低渗透煤层气藏开发的气-水两相流试井技术提供渗流力学的理论基础.     

利用三维网络模型研究滞留聚合物微观分布规律

再利用地下滞留聚合物是聚合物驱之后进一步提高原油采收率的新途径。基于油水两相流网络模拟模型,综合考虑聚合物渗流机理建立起聚合物驱微观模拟模型。用微观数值模拟手段研究了地下滞留聚合物分布规律及影响因素,为有效地开采聚合物驱后剩余油、合理利用滞留地下聚合物提供必要的依据。模拟结果表明,由于吸附和捕集作用将引起大量聚合物滞留在孔喉中,滞留聚合物占注入聚合物的61.7%。总体上看,大孔喉中聚合物滞留量较大,但滞留聚合物浓度较小。孔喉半径和形状因子为聚合物滞留的主要影响因素,孔喉滞留聚合物浓度与孔喉半径和形状因子平方根的乘积成反比。     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流，损伤耦合迭代来实现。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。     

含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注. 近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测.2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.      

Investigating the Fracture Network Effects on Sweep Efficiency during WAG Injection Process

In this study, the main recovery mechanisms behind oil/water/gas interactions during the water-alternating-gas (WAG) injection process, in a network of matrix/fracture, were fundamentally investigated. A visual micromodel was utilized to provide insights into the potential applications of WAG process in fractured oil-wet media as well as the possibility of observing microscopic displacement behavior of fluids in the model. The model was made of an oil-wet facture/matrix network system, comprised of four matrix blocks surrounded with fractures. Different WAG injection scenarios, such as slug arrangements and the effects of fluid injection rates on oil recovery were studied. A new equation representing the capillary number, considering the fracture viscous force and matrix capillary force, was developed to make the experimental results more similar to a real field. In general, WAG tests performed in the fractured model showed a higher oil recovery factor compared with the results of gas and water injection tests at their optimum rates. The results showed that the presence of an oil film, in all cases, was the main reason for co-current drainage and double displacement of oil under applied driving forces. Furthermore, the formation of oil liquid bridges improved the recovery efficiency, which was greatly influenced by the size of fracture connecting the two matrix blocks; these connecting paths were more stable when there was initial water remaining in the media. Analyzing different recovery curves and microscopic view of the three phases in the transparent model showed that starting an injection mode with gas (followed by repeated small slugs of water and gas), could considerably improve oil recovery by pushing water into the matrix zone and increasing the total sweep efficiency.     

作用在岩体裂隙网络中的渗透力分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发, 以单裂隙渗透力分析为基础, 分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加的两种作用力: 垂直于裂隙壁使裂隙产生扩容的法向渗透静水压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向动水压力, 推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力, 并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗透静水压力和动水压力共同作用对岩体应力的影响, 结果显示: (a)渗透力作用下裂隙上部岩体压应力减小, 而裂隙下部岩体压应力增大, 最大压应力增大 10 .5 3%; (b)渗透力作用下裂隙岩体拉应力增大, 最大拉应力增大 9.0 9%; (c)裂隙渗透力使岩体剪应力增大, 最大值达 2 3.75 %。     

岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究

本文通过实验资料分析, 提出了裂隙岩体应力与渗流之间的分形几何关系式。以研究区岩体系统结构为基础, 提出了岩体系统应力场与渗流场耦合的广义双重介质模型, 并将该模型应用于某水利水电工程的渗流与控制中, 对坝区岩体进行了应力场和渗流场的耦合分析, 取得了比较满意的结果。     

Modeling Free-Surface Seepage Flow in Complicated Fractured Rock Mass Using a Coupled RPIM-FEM Method

The prediction of the free-surface seepage flow behavior in fractured rock mass is of significance in geotechnical engineering. There are two major issues in solving the seepage flow in complicated fractured rock mass based on the fractured porous medium (FPM) flow model, in which groundwater is assumed to flow simultaneously in both rock matrix and embedded fractures: One is the mesh generation of rock mass in the presence of the fracture network, especially when there exist a large number of stochastic fractures; the other is that a robust iteration algorithm is required since the free surface is unknown at the beginning of solution. Aiming at these two issues, this paper proposes a novel numerical method by coupling radial point interpolation method (RPIM) and finite element method (FEM), in which RPIM is utilized to model the rock matrix and FEM is utilized to model the fractures. On the basis of the variational inequality (VI) theory for free-surface seepage analysis, the computation formulations of the numerical method are derived and the corresponding computation program is developed. Three examples are solved with the present method. It is found that the VI theory can be extended to solve the free-surface seepage problem based on the FPM flow model. A crucial advantage of the present method is that the mesh generation can be greatly simplified. The present method has been verified to be a robust, efficient and reliable method for modeling the groundwater flow in complicated fractured rock mass.