岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型研究

本文在分析岩体的地质特征、参流特征的基础上,提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型,给出了耦合集中参数型数学模型辨识的递推公式,讨论了该模型的应用前景。     

煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应核磁共振谱实验研究

煤系页岩瓦斯主要以吸附态和游离态形式存在, 其解吸过程相对吸附过程具有普遍滞后现象, 因此从微细观角度定量研究其吸附?附解吸迟滞规律对页岩气井后期稳产增产具有重要意义. 在前人研究基础上结合核磁共振谱理论推导出能够准确表征煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应微细观评价模型, 并采用核磁共振谱测试技术, 以双鸭山盆地东保卫煤矿三采区36# 煤层底板煤系页岩为研究对象, 进行煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应核磁共振谱实验, 模拟不同储层原位应力状态煤系页岩瓦斯迟滞效应发生全过程, 进一步对吸附态瓦斯、游离态瓦斯以及微细观方法测定的宏观瓦斯迟滞规律进行定量化研究, 并对其发生机理以及其对深部煤系页岩瓦斯开采影响进行了初步探究. 结果表明: 应力状态下吸附态和游离瓦斯均有滞后效应; 瓦斯宏观迟滞系数与平均有效应力呈幂函数关系, 而瓦斯宏观迟滞效应中由吸附态或游离态瓦斯引起的迟滞系数与平均有效应力关系均可采用二次多项式拟合; 孔裂隙应力损伤和微孔隙瓦斯扩散受限耦合或许是煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应产生根本原因之一.      

裂隙影响基质渗流的数值模拟1)

建立含裂隙均匀基质中的稳态渗流模型,通过数值模拟得到渗流速度和压力分布,分析不同分布型式的平行和交叉裂隙对基质渗流的影响,并结合油气开采和驱替评价不同裂隙可能带来的后果。研究发现,在裂隙端部压力发生突变,相应的渗流速度也出现急剧变化;对于基质而言,裂隙入口端等同于汇,而开口端等同于源。平行对称分布的裂隙导致周围基质中流速降低,裂隙流量占截面流量的主要部分,而不对称分布的平行裂隙有利于基质中的流动。     

深基坑开挖中饱和-非饱和土体渗流-沉降的耦合分析

基于饱和-非饱和土体渗流理论,以及土体渗透系数与基质吸力之间的相互联系,将基坑非稳态渗流场的动态变化在时间和空间上进行离散,分别引入到基坑降水的应力应变分析中.以Fredlund非饱和土理论和Mohr-Coulomb屈服准则为基础,采用土体弹塑性本构模型,对高水位地区深基坑开挖采用井点降水措施引起的基坑渗流场的变化及地表沉降进行了数值模拟分析,得出不同降水条件下渗流场的变化规律以及渗流-沉降的内在联系.     

考虑非饱和土基质吸力作用的土石坝渗流分析

传统的渗流分析主要考虑饱和区而忽略非饱和区内的渗流,本文首先对影响非饱和土渗流特性的重要物理量基质吸力进行了分析,阐述了其形成机理并推出其理论计算公式,然后在考虑基质吸力的作用下,基于饱和．非饱和渗流计算原理,采用有限元法考虑了渗流场非饱和区的影响,并以各向同性均质坝和心墙土石坝为算例,进行了计算分析。算例表明,由于基质吸力产生的虹吸作用,使得浸润线上部的非饱和区内也存在着连续的水流,否定了传统分析中浸润线是最上部流线的假设,通过分析这种水流的特点,定性的得出其对土石坝渗流稳定性的影响,对土石坝渗流分析具有一定的指导意义。     

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.      

渗流-应力耦合随机性分析方法与应用

基于摄动随机有限元法计算参数随机性对渗流-应力耦合问题的影响, 以渗透系数和弹性模量为基本随机量, 推导了渗流-应力耦合摄动随机有限元迭代格式, 在此基础上对现有计算渗流场和应力场的单场随机计算程序进行改造. 使用改造程序对某大坝渗流-应力耦合问题进行分析, 并与商用软件计算结果进行对比.结果表明, 两种方法计算结果基本一致, 揭示了工程实际中的流固耦合规律, 改造的程序还可以输出商用软件未涉及的随机特征.     

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...     

岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合模型研究

利用无单元法追踪裂纹扩展的优势研究模拟岩体水力劈裂的数值分析模型。定义损伤变量以描述岩体的损伤程度对岩体渗透性和强度的影响,建立了岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合分析模型,并编制了基于无单元法的计算程序。综合考虑应力、渗流及损伤之间的相互作用影响,分析了具有初始裂纹的岩体平面应力模型的裂纹扩展过程,指出考虑渗流作用时的裂纹扩展角大于不考虑渗流作用时的裂纹扩展角。同时,裂纹内水压力和渗流的作用对于裂纹的扩展方向和扩展长度具有较大的影响。     

页岩气致密储层渗流模型及压裂直井产能分析

页岩气储层中存在大量的纳微米孔隙,其中气体的流动规律不同于常规气藏. 文章考虑克努森扩散及解吸作用的影响,建立页岩气稳态条件下产能公式,利用渗流阻力法得到了页岩气储层压裂直井产能方程.结合生产实例,进行了数值模拟计算. 结果表明：当裂缝导流能力达到0.12μm2·cm 后,产气量增幅减小,由此对裂缝导流能力进行优化. 游离气产量占总产气量的85%～90%,游离气对总产气量贡献较大. 该模型为页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

页岩气和致密砂岩气藏微裂缝气体传输特性

页岩气和致密砂岩气藏发育微裂缝,其开度多在纳米级和微米级尺度且变化大,因此微裂缝气体传输机理异常复杂.本文基于滑脱流动和努森扩散模型,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,耦合这两种传输机理,建立了微裂缝气体传输模型. 该模型考虑微裂缝形状和尺度对气体传输的影响. 模型可靠性用分子模拟数据验证.结果表明:(1)模型能够合理描述微裂缝中所有气体传输机理,包括连续流动,滑脱流动和过渡流动;(2)模型能够描述不同开发阶段,微裂缝中各气体传输机理对传输贡献的逐渐变化过程;(3)微裂缝形状和尺度影响气体传输,相同开度且宽度越大的微裂缝,气体传输能力越强,且在高压和微裂缝大开度的情况下表现更明显.      

储层含水条件下致密砂岩/页岩无机质纳米孔隙气相渗透率模型

页岩及致密砂岩储层富含纳米级孔隙,且储层条件下页岩孔隙(尤其无机质孔隙)及致密砂岩孔隙普遍含水,因此含水条件下纳米孔隙气体的流动能力的评价对这两类气藏的产能分析及生产预测具有重要意义.本文首先基于纳米孔隙内液态水及汽态水热力学平衡理论,量化了储层孔隙含水饱和度分布特征;进一步在纳米孔隙单相气体传质理论的基础上,考虑了孔隙含水饱和度对气体流动的影响;最终建立了含水饱和度与气相渗透率的关系曲线. 基于本文岩心孔隙分布特征,计算结果表明:储层含水饱和度对气体流动能力的影响不容忽视,在储层含水饱和度20%的情况下,气相流动能力与干燥情况相比将降低约10%;在含水饱和度40% 的情况下,气相流动能力将降低约20%.      

页岩气藏压裂水平井试井分析

页岩气藏资源丰富,开发潜力巨大,已成为目前研究的热点.与常规气藏相比,页岩气藏运移机制复杂,流动模式呈非线性,有必要考虑页岩气的吸附解吸,天然微裂缝的应力敏感性,人工裂缝内的非达西流等非线性因素对压裂水平井压力响应的影响. 基于双重介质和离散裂缝混合模型,分别采用Langmuir等温吸附方程描述吸附解吸,渗透率指数模型描述应力敏感,Forchheimer方程描述非达西效应,建立页岩气藏压裂水平井数值试井模型. 运用伽辽金有限元法对模型进行求解.根据试井特征曲线,划分流动阶段,着重分析非线性因素对压力响应的影响.结果表明:页岩气藏压裂水平井存在压裂裂缝线性流、压裂裂缝径向流、地层线性流、系统径向流及封闭边界影响5 种流动阶段.吸附解吸的影响发生窜流之后,Langmuir吸附体积增大,拟压力导数曲线凹槽更加明显,系统径向流出现时间与压力波传播到边界时间均延迟;天然裂缝系统的应力敏感性主要影响试井曲线的晚期段,拟压力和拟压力导数曲线均表现为上翘,应力敏感效应越强,上翘幅度越大;高速非达西效应对早期段影响较大,非达西效应越强,拟压力降幅度越大,试井曲线上翘.与解析解的对比以及矿场实例验证了模型的正确性与适用性.      

页岩气井组分比例变化规律研究

页岩气开发过程中,生产井产出气的组分比例会随时间发生变化.本文基于组分模型数值模拟研究了生产井中甲烷组分比例变化的规律.研究表明,吸附气、渗透率与孔隙度影响页岩气组分比例的瞬态响应特征. 吸附气显著影响组分比例的变化规律,吸附量的大小决定组分比例的变化值及组分比例导数曲线的上下位置. 渗透率影响组分比例初期变化规律,但在后期,不同渗透率对瞬态组分比例规律的影响基本一致.孔隙度对组分比例变化及其导数曲线的影响与吸附气的影响类似,但在生产初期,孔隙度对组分比例的影响要小于吸附气对组分比例的影响. 本文的研究提供了一种进行页岩地层参数评价的新方法.      

基于气体吸附法和压汞法对页岩孔隙结构的研究1)

四川盆地威远、渝西地区下志留统龙马溪组页岩广泛发育,为定量研究该区页岩孔隙结构特征,以威远、渝西地区页岩样品为例,运用二氧化碳吸附、低温氮吸附和高压压汞等实验技术,研究了目标储层的孔隙结构及孔径分布特征。结果表明,微孔发育主要集中于0.45 ~ 0.65 nm之间,介孔发育主要集中于2 ~5 nm之间,宏孔发育相对较差且分布不均匀;比表面积与微孔成正相关性,主要孔隙类型是细颈广体的墨水瓶孔等无定形孔隙,并含有一定量四周开放的平行板孔。     

考虑多重运移机制耦合页岩气藏压裂水平井数值模拟

页岩作为典型的微纳尺度多孔介质,游离气与吸附气共存,传统的达西定律已无法准确描述气体在页岩微纳尺度的运移规律.基于双重介质模型和离散裂缝模型构建页岩气藏分段压裂水平井模型,其中基岩中考虑气体的黏性流、Knudsen 扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流和Knudsen扩散,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质压裂水平井数学模型并采用有限元方法对模型进行求解.结果表明,基岩固有渗透率越小,表面扩散和Knudsen扩散的影响越大,反之则越小;人工裂缝的性质包括条数、开度、半长以及间距,主要影响压裂水平井生产早期,随着人工裂缝参数值的增加,压裂水平井产能增加,累产气量也越大.其次,页岩气藏压裂诱导缝和天然裂缝的发育程度对页岩气藏的产能有很大的影响,水平井周围只有人工裂缝,周围天然裂缝不开启或不发育时,页岩气藏的水平井的产能较低.      

页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

MODEL EXPERIMENT ABOUT RESPONSE OF FLOATING ICE SHEET SUBJECTED TO MOVING AIR CUSHION VEHICLE

基于弹性薄板振动微分方程和相似理论,建立了气垫船在浮冰上运动的原型系统与模型系统参数之间的相似对应关系. 导出了浮冰层自由振动波形传播的相速度和群速度计算公式,明确了相速度的极小值和浅水波传播速度即为气垫船的第一、第二临界速度. 根据研制的高精度非接触式激光位移测量系统,在变水深拖曳水槽中, 开展了不同速度移动气垫载荷激励薄膜变形响应的系列实验,证实了存在使薄膜变形达到最大的移动气垫载荷临界速度. 第一临界速度使气垫载荷之后的薄膜产生最大的下陷变形,第二临界速度使气垫载荷之前的薄膜产生最大的上凸变形. 通过实验结果进一步分析了气垫速度、高度、压力及水深等参数对薄膜变形和临界速度的影响,揭示了移动气垫载荷激励薄膜变形响应的聚能共振增幅机理,为利用气垫船实施有效破冰提供了依据.     

判断煤与瓦斯突出危险性的三维模型

根据有效应力原理,建立瓦斯压力和煤体变形之间的耦合关系. 在地应力和瓦斯压力的共同作用下,煤体发生弹脆性破坏,之后发展为层裂-粉化破坏,据此判断发生煤与瓦斯突出的危险性. 根据一维煤激波管瓦斯突出实验,结合一维混相流动模型,进行了数值验证,证实了模型的可靠性.