岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

低渗透储层流-固耦合渗流规律的研究

考虑低渗透油藏渗流时启动压力梯度和低渗储层的流-固耦合特性，将渗流力学与弹塑性力学相结合，建立适合低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型，并给出其数值解。在黑油模型和弹塑性有限元程序的基础上，编制了计算低渗透油藏流-固耦合渗流的计算软件。通过数值模拟与不考虑流-固耦合时的计算结果相对比，从中可以看出，低渗透油藏中流-固耦合效应是十分明显的。     

油藏多相流体渗流流-固耦合数学模拟研究

实践表明，油藏开发将引起应力场的变化、导致岩石发生变形、改变储层的渗储特性，进而影响产量。为反应这一问题，建立了油藏流-固耦合渗流模型，并考虑了以下因素：多相流体，油藏岩石变形，地应力、孔隙度和渗透率变化，流体渗流与岩石应变耦合等。导出的控制方程是基于流体孔隙压力、饱和度以及岩石质点位移的非线性方程。由于互含参变量，不能直接求解，采用有限差分方法将流体渗流和岩石应变方程离散成主对角占优的7对角矩阵，采用隐式迭代方法求解。示例分析说明，本模型可用于研究应力、应变、孔隙度和渗透率的动态变化规律以及可能对生产造成的影响。与其他模型对比结果显示，本模型更接近于实际情况。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

低渗透油藏CO2混相驱过程中考虑对流扩散的流固耦合模型研究

为研究低渗透油藏中对流扩散和流固耦合对CO2混相驱油的影响,推导低渗透油藏CO2混相驱过程中多相多组分渗流场、对流扩散场和应变场三场全耦合控制方程,并给出求解方法。模型考虑对流扩散、混相和岩石骨架的应力–应变对整个渗流过程的影响,并对边界条件进行约束。应用建立的考虑对流扩散的流固耦合模型进行实例分析,结果表明:所建模型综合考虑对流扩散与流固耦合现象对渗流的影响,体现出模型与计算方法的实用性,并提高CO2混相驱的模拟精度,本模型计算结果与常规数值模拟结果具有一定的可比性。同时,通过界面张力、产能、混相区域等参数定量描述对流扩散现象对CO2混相驱的影响。     

考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析

根据尾矿坝形成的特点，进行考虑应力场与渗流场耦合的非稳定渗流分析。根据弹性力学和渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程，然后导出这一问题的有限元计算公式及相应程序。在计算中首次导出了尾矿坝的渗透系数与应力场的关系式，并进行尾矿坝的非稳定渗流分析。工程实例计算结果表明，考虑耦合作用的影响，尾矿坝渗流场的总渗流量减小，而应力场的各应力分量的最大值增大。     

弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型

将渗流力学、岩石力学、流体力学知识相结合,建立了弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型,并进行了实例计算。油藏渗流模型主要基于达西定律,并且考虑了储层的可压缩性。将大孔道中的油藏流体与砂粒看作单分散的、稀释的悬浮液。考虑砂粒在大孔道中的沉降及液固两相流之间的相互作用,基于Navier-Stokes方程推导了油藏流体-砂粒两相运动的控制方程。其中,出砂流速门槛值和砂粒剥落本构方程通过实验方法确定,油藏流体渗流与大孔道管流之间通过压力和流量关系进行耦合。最后,通过计算研究了矩形区域内-注-采情况下大孔道的延伸情况,得到了开发过程中流场压力分布图和累计出砂量变化曲线,分析了油藏流体粘度、注采速度对出砂的影响。     

对管涌机理的新认识

基于原状土的实际受力特点,提出新的管涌机理：管涌是涉及孔隙水渗流、可动细颗粒侵蚀运移、多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象。在详细归纳评述最新研究进展的基础上,提出了今后研究的总体思路：首先利用三向受压状态下土体的渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验,建立耦合管涌本构方程,揭示三向受压状态下土体管涌发展的渗流–侵蚀–应力耦合机理;然后基于溶质运移的思想,建立预报原状地基土体管涌发展过程的渗流–侵蚀–应力耦合数学模型。同时指出渗流–侵蚀–应力耦合试验的可重复性及三相三场全耦合纯对流管涌模型的高效求解策略是需要重点解决的关键科学问题。提出的新的管涌机理为客观认识管涌问题的本质提供了一种新的角度,今后的研究成果将对堤坝管涌险情的科学预报和有效治理具有重要的指导作用。     

岩石破裂过程渗流与应力耦合分析

通过对经典Biot渗流力学做进一步的考察 ,讨论了耦合渗流方程参数的物理意义 ,在Biot基本方程的基础上 ,增加一个反映渗透系数和孔隙变化率关系的耦合方程 ,并结合原有的RFPA弹性损伤本构方程 ,引入渗透率突跳系数 ξ这一概念 ,提出了岩石损伤演化过程渗流 -应力耦合方程 ,开发出岩石破裂过程渗流 -应力耦合分析系统F -RFPA2D,实例分析表明 ,这个系统能够对裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流 -应力耦合机制进行模拟分析     

岩石渗流应力耦合特性研究

综合起来,已有岩石渗流应力耦合特性的研究方法有3种:(1)直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数与应力、应变关系的经验公式;(2)根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合特性关系式的函数形式,采用力学方法推导函数式中变量的表达式,确定耦合特性关系式;(3)以各类模拟渗透现象的物理模型为基础,利用力学工具建立耦合关系式。根据这3种研究方法对研究成果进行划分,作了较系统的归纳和介绍,对各类成果的合理性及应用情况进行了评述。最后展望了岩石渗流应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。     

油气流-固耦合渗流研究进展

介绍了多孔介质流-固耦合渗流研究的重要意义，对多孔介质流-固耦合渗流研究进展加以综述和讨论，提出了进一步深入研究的方向，并着重讨论了近十年来油气流-固耦合多相渗流及其应用研究和各种耦合方法，为其他渗流工作提供一定的参考。     

油气流–固耦合渗流研究进展

介绍了多孔介质流–固耦合渗流研究的重要意义,对多孔介质流–固耦合渗流研究进展加以综述和讨论,提出了进一步深入研究的方向,并着重讨论了近十年来油气流–固耦合多相渗流及其应用研究和各种耦合方法,为其他渗流工作提供一定的参考。     

基于TOUGH2和FLAC3D的水-气二相流-固耦合模型

要实现饱和-非饱和土体的水-气二相流-固耦合作用的数值模拟,关键是如何实现渗流场与应力场的耦合,目前,松弛耦合方法不仅精度能够满足一般的工程要求,而且求解方法易于实现,是多相流-固耦合问题研究的主要方向。本研究根据松弛耦合原理,利用TOUGH2/EOS3来模拟水-气二相渗流过程;利用FLAC3D来模拟土体变形;基于水-气二相渗流过程与力学过程的相互影响,给出饱和度-密度、孔隙水压力和气压力-有效应力、体积应变-孔隙率、孔隙率-固有渗透率,以及孔隙率-毛细压力等状态变量之间的耦合关系式;利用C++控制TOUGH2、FLAC3D在流固耦合过程中的有序运行并利用耦合关系式传递相关状态变量,以实现对水-气二相流-固耦合作用的模拟。利用该模型对一现场压气试验进行模拟,通过模型计算值与实测值的对比,验证了模型的准确性和有效性。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

瑞典条分法剖析引发的有效应力和渗流力概念问题

瑞典条分法在土力学教学和边坡工程设计中有着广泛的影响。针对其两种有效应力分析表达式,通过剖析土条底面法向有效应力的推求过程及对比分析计算结果发现：在理论上,两种表达式都不适用于一般渗流条件下的边坡稳定分析;实用上,也存在明显离散的计算误差。其原因分别在于：以土体为研究对象时,忽略了土条侧面的水压力;以土骨架为研究对象时,忽略了渗流力的作用。进一步分析微单元体平衡微分方程的结果表明, Taylor 提出的分析渗流对土骨架有效应力影响的两种等效处理方式,即以土体为研究对象,考虑饱和重力与周界上水压力的方式;或以土骨架为研究对象,考虑有效重力与渗流力的方式, 可以在刚体极限平衡分析方法中运用,例如条分法。 但是, 在涉及渗流 - 变形耦合分析的诸如边坡渗流稳定和固结问题的解析和数值方法中,只能以土体为研究对象,而不能以土骨架为研究对象、运用渗流力的概念进行分析。究其原因在于：在 渗流条件下,物理上,有效应力不是应力变量;有效应力和确定渗流力的孔隙水压力分别是决定土骨架的变形和强度以及流场的相互依赖的、非独立的应力状态变量。     

隧道开挖问题的水力耦合计算分析

隧道工程中的地下水问题是富水地层中普遍存在的重要问题,地下水流动对隧道围岩稳定性有重要影响。本文利用解析法给出了饱和孔隙介质地层中考虑地下水渗流力作用下的应力。位移表达式;提出了隧道水力耦合数值分析中的耦合计算模型的建立方法并进行数值模拟分析。数值计算结果表明在考虑渗流影响条件下,隧道周边位移最大增加17．0％,最大剪应力最大增加10．3％。在不考虑衬砌条件下,由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计时是应该考虑渗流效应的。     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。