变形介质油藏中的不稳定渗流

大量实验表明:当油藏生产原油时,随着地层中流体压力的降低,油层的孔隙度和渗透率下降,特别是在异常高压油藏中尤为显著。数据表明多孔介质的孔隙度和渗透率随压降的变化规律是指数关系,而实际的油藏介质变形是弹塑性的,即变形在流体压力恢复后,变形不可能完全恢复,因此在开发前期一定要注意保持一定的地层压力。从流体和多孔介质的本构方程出发,建立液体在变形介质油藏中渗流的微分方程。用解析的方法得到了变形介质中的定常流动的精确解;并用数值模拟的方法,研究了无限大油藏、封闭油藏和边水油藏中的不稳定压力,绘制了相应的井底压力曲线。最后分析了封闭变形介质油藏中,定压生产时,油井的产量变化。研究表明:在异常高压的油藏中,必须考虑由介质变形引起的孔隙度和渗透率的影响。     

不完全可逆变形介质油藏流体渗流模型及其数值解

由于地层压力变化引起地层变形具有不完全可逆性，导致地层渗透率和孔隙度随压力变化也具有不完全可逆性。本文建立了不完全可逆变形介质油藏流体渗流模型，综合采取了状态方程隐式处理和Richtmyer线性化方法，有效地对不完全可逆变形介质油藏流体渗流问题进行了数值解，并讨论了由储层介质变形的不可逆性对油田开发的影响。     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

悬浮液调剖剂在油层中渗滤特征研究

论文根据质量守恒建立了固相颗粒运移和沉淀动态方程,通过求解得到悬浮液浓度分布和颗粒滞留量分布关系,研究结果表明,颗粒型调剖剂的沿程浓度逐渐降低,随注入时间增加,同一位置上的调剖剂浓度逐渐升高,多孔介质对固相颗粒的渗滤作用,颗粒滞留主要集中在近井周围。岩石渗透率时变动态模型表明,岩石渗透率比其孔隙度的变化幅度大得多,颗粒型堵剂其少量的滞留即可改变岩石渗透率。相同注入量条件下,随注入速度增加悬浮液浓度增加,同时渗透率降低程度增加,提高注入速度有利于将颗粒挤入到多孔介质较深部位。调剖过程中的注入压力动态主要取决调剖地层系数,随注入速度增加,注入压力逐渐回升,但不同注入速度下注入压力的回升速度不同,对于较高的注入压力,调剖剂很容易提前启动中低渗透层,因此注入速度的选择应在注入设备工作条件下,以油层破裂压力为限制,保证注入压力缓速回升。     

弹性多孔介质粘土膨胀和微粒运移的数学模拟方法

孔隙介质的变形，粘土的膨胀，孔隙介质内部微粒的释放，运移和滞留及注入流体携带的外部微粒的入侵是导致孔隙介质的孔隙度和渗透率发生改变的主要因素。在注水开发油田过程中由于孔隙变形，粘土的膨胀，孔隙介质内部微粒的释放，运移。滞留和微粒入侵导致的油层伤害是一个普遍现象。在论述孔隙变形，粘土的膨胀，孔隙介质中微粒的释放，运移和滞留及微粒在孔隙介质表面吸附和在孔喉堵塞导致油层伤害机理的基础上，建立了一个综合的描述油层伤害数学模型并采用有限差分法进行了数值求解。利用数值运算的结果研究了由油层内部微粒，外部微粒共存时孔隙度和渗透率变化的动态特征。     

聚合物驱相对渗透率曲线及影响因素试验研究

本文从聚合物溶液在多孔介质中流动的特点出发，在考虑渗率降低系数和多孔介质中流变特性的基础上，建立了聚合物驱相对渗透率计算方法，利用驱替试验数据，用本文方法和不考虑多孔介质中流变性两种方法分别计算出聚合物驱相对渗透率。分析研究了水驱与聚合物驱相对渗透率曲线的差异。研究了多孔介质中剪切速率对计算的影响以及聚合物浓度。注入速度对聚合物驱相对渗透率的影响。     

计算各向异性岩心渗透率的方法研究

由于地质上的原因，储油气层岩石往往表现出渗透率的各向异性，正确认识渗透率的各向异性是油气田勘探与开发中的一项基础工作。根据改进的全岩心分析装置的测试数据，建立了描述流体在各向异性介质中三维不稳定渗流的数学模型和计算各向异性储油气层岩石渗透率张量的自动拟合模型，并采用逐步二次规划法进行了求解，从而为室内测量和解释各向异性岩心渗透率张量提供了可行的方法。最后，通过算例说明了方法的可行性和可靠性。     

地下水压对岩质场地变形特性的影响

在基坑开挖过程中,地下水位不断变化。巨大水头差会导致开挖区周边地下水流动,对基坑周围的建筑物稳定性影响较大。结合多孔介质与孔隙流体理论,建立了场地变形有限元模型。将地层设置为多孔介质材料,分析地下水压对场地变形的影响。研究表明,地下水压对场地变形的影响不能忽略,随着地下水压增加,场地位移、应力和地下水流速也变大。     

多孔塑性：混凝土和岩体中孔隙压力效应的模拟

尽管我们对混凝土和岩体的工作性能有了深入的了解，但在土未工程以至大坝工程的实际应用中，人们对孔隙水压力在这些材料中的作用仍未正确地考虑。这种情况可与太沙基(Terzaghi)以前的土力学情况相出。由毕奥特(Biot)开发的第一个渗遭的多孔介质模型，主要因为本构定律局限于弹性而未能进入土未工程的实际应用。故必需发展非线性本构定律，这在最近应用多孔粘弹性理论才得以实现。本文首先陈述耦合多孔塑性模型的主要新概念，然后介绍应用实例；重力坝时稳定分析和与传统方法的比较，泄洪隧洞周围灌浆的范围，以及本研究的主要目标——拱坝及其基础的分析。     

低渗透岩石渗透率与孔隙率演化规律的气渗试验研究

低渗透岩石是地下石油和天然气储存、CO2储存、核废料处置的主要介质和地质环境,也是水利水电等工程建设中常见的一种复杂介质。利用河海大学与法国国家科研中心里尔力学研究所共同研发的低渗透岩石惰性气体渗透试验系统,以氩气为渗透介质,测试了3种低渗透岩石在不同围压作用下的有效孔隙率和气体渗透率的变化规律,分析和讨论了孔隙率和渗透率随围压的变化关系以及孔隙率与渗透率之间的函数关系。试验结果表明,对低渗透岩石,随着围压的增大,孔隙率和渗透率呈指数函数关系递减,试样BSE微观结构图像结果也表明了围压与孔隙结构的相关关系;在不考虑孔隙坍塌效应时,渗透率与孔隙率之间符合幂函数关系。     

高外水隧洞变形稳定性的基质压缩效应

深埋水工隧洞通常会面临高地下水位问题,为准确分析高外水隧洞围岩变形稳定性,需合理模拟外水内渗的力学作用。现阶段,学者们虽已认识到在饱和岩体渗流-应力耦合分析中考虑岩石基质压缩的必要性,但针对岩石基质压缩对高外水隧洞变形稳定性影响的相关研究尚未见报道。基于饱和多孔介质有效应力原理和孔压修正系数,并考虑围岩渗透特性动态演化,建立了高外水隧洞渗流-应力耦合分析模型,并在ABAQUS中进行了数值实现。依托某深埋引水隧洞,在分析其渗流场和变形稳定性的基础上,开展了不同岩石基质可压缩性条件下的高外水隧洞渗流-应力耦合分析,揭示了高外水隧洞围岩变形稳定性随岩石基质可压缩性的变化规律。结果表明：岩石基质压缩直接影响着高外水隧洞的外水内渗过程,对高外水隧洞围岩变形稳定性不利,岩石基质可压缩性越大,则围岩变形和塑性区范围越大,在分析中忽略岩石基质压缩将得出偏于危险的结果。     

THEORY OF FLUID-SOLID COUPLED FLOW THROUGH FRACTURED LOW-PERMEABILITY OIL RESERVOIR AND ITS APPLICATIONS

ＢＲＩＥＦＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＯＦＴＨＥＰＡＰＥＲ :　Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｄｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｉｌｒｅｓｅｒｖｏｉｒｗｉｌｌｂｅａｍａ ｊｏｒｆｕｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅａｓｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｏｉｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅｓｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｌｉｎｅ .Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗａｔｅｒ ｆｌｏｏｄｄｅｖｅｌ ｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｏｉｌｒｅｓｅｒｖｏｉｒ,ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｆｌｕｉｄｆｌｏｗａｎｄｒｏｃｋ ｍａｓｓｄｅｆｏｒｍ…     

考虑参数动态变化和相互关联的浆液扩散范围研究

土体注浆加固与防渗施工引起的浆液扩散过程,涉及固体骨架应力应变、浆液的渗流场分布以及浆液浓度垂直于扩散方向的分布梯度等问题。基于多孔介质渗流场和应力场的耦合作用,考虑注浆浆液参数的粘时变特性,以及注浆过程中多孔介质的密度、孔隙率、渗透率等物性参数的动态变化,分析注浆过程中的土体物性参数相互关联性和动态变化过程,给出了浆液时变和多孔介质参数动态变化的渗流场与应力场耦合的注浆扩散的模拟实现过程。采用有限单元法对均质土体进行流固耦合作用下注浆扩散范围的数值模拟,得到了黏度时变和黏度不变条件下的球形扩散半径和柱面扩散半径范围。与经典注浆扩散理论对比分析可知,考虑浆液时变特性、土性参数的动态变化和相互关联的流固耦合作用模拟可以很好地分析土体中浆液扩散范围。     

对荷载作用下一维渗流规律的新认识

 按照Biot建立三维固结方程的基本思路，考虑到介质的渗透系数不是常量，而是孔隙率的函数，建立起多孔介质流固耦合渗流的基本方程对一维稳定渗流时的数学模型进行理论解答，探讨分析了耦合作用下多孔介质内流体压力的分布规律；对耦合作用下流体在多孔介质内的渗流规律提出了一点新的认识。     

双层超固结软黏土地基一维非线性固结分析

本文通过引入固结土层孔隙比与固结压力和渗透系数之间的非线性经验模型，建立双层超固结饱和软黏土地基非线性固结控制方程，并基于半解析法，编制了相应的计算程序。利用该程序，针对不同排水条件、变荷载、自重应力沿深度实际分布等条件分析双层超固结饱和软黏土地基一维非线性固结性状。计算结果表明，双层超固结软黏土地基比正常固结软黏土地基沉降小、固结发展快。荷载的大小、上下土层先期固结压力、土体压缩性和渗透性的变化等对双层地基的固结性状均有明显影响。     

深埋煤层采动覆岩渗透能力变异与地下水响应模拟

针对西部深埋矿区煤炭资源开发对地下水扰动的相关研究不足的问题,依据弹塑性相关理论,利用多物理场数值模拟软件(COMSOL),研究了深埋煤层采动覆岩渗透能力变异与地下水的响应规律,模拟得出案例矿井在不同采动应力状态区覆岩渗透能力变化具有差异性:采动覆岩应力拉伸区岩体的渗透率相对增大,在采掘空间的直接顶渗透率增大26%,在地表沉陷盆地边缘增大3%;覆岩压缩区渗透率相对减小,在煤岩柱两侧渗透率减小43%,在采掘空间正上方约300m处渗透率减小18%。由于采掘后井下采掘空间直接与大气联通,形成了以导水裂缝带范围为中心的水压降落漏斗,导致垂向水力梯度与流速加剧;而在煤层顶板300m以上范围,水压水头基本为原始状态。研究成果为我国干旱与半干旱矿区煤-水资源合理开发、科学管控提供技术依据。     

砂土管涌－滤层防治的离散元数值模拟

结合小比尺细观模型试验,利用并开发基于离散元理论的颗粒流程序(PFC3D),充分考虑流固耦合作用,建立渗流理论模型,对不同层间系数下砂土管涌的基料-滤层系统进行离散元数值模拟,跟踪记录渗流过程中砂样运动、流失量、孔隙率、渗透系数、颗粒间接触力、水力梯度等参数的动态变化过程,从细观角度揭示管涌发展过程中颗粒的运动特性和滤层防治机理。数值模拟结果表明,层间系数D15/d85s大小是滤层是否有效的关键因素;在有效的层间系数下,随着水力梯度的加大,基料的细颗粒运动并进入滤层,在滤层-基料交界处存在的自滤现象。模拟结果与有关的模型试验结果吻合较好,一定程度上验证了该数值方法的可行性和合理性。本文所揭示的结果有益于对砂土管涌和滤层防治机理的更深入研究。     

饱和砂土流固耦合细观数值模型及其在液化分析中的应用

在饱和砂土连续力学模型的基础上，建立了一个饱和砂土固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型，固相颗粒采用离散元的颗粒流理论模拟，液相流体通过求解平均Navier-stokes方程的计算流体动力学技术计算。该细观模型用二维渗流问题进行了验证，并将其应用于饱和砂土的液化分析。数值模拟结果显示，采用的模型可以描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动。液化分析表明：液化首先在试样的表层产生，接着向深部发展；而超孔隙水压力则从底部开始消散，然后逐渐向上发展，直至完全消散。砂土液化过程中土体孔隙率不断变化，渗透系数也随之改变。