水—岩作用下白云岩单裂隙渗流特性演化规律试验研究

为研究水—岩作用条件下水库消落带岩体渗流特性演化规律，以乌东德水电站库区白云岩为例，通过单裂隙渗流试验获取裂隙渗流特性变化规律，并借助SEM和三维表面轮廓扫描技术，研究了裂隙面微细观结构和表面形貌变化规律，探讨了裂隙渗流特性演化规律及影响机理。结果表明，在水—岩作用过程中，当渗透水压恒定时，渗流量随围压的增大呈指数关系递减；当围压恒定时，渗流量随渗透水压的增加呈线性关系递增；随水—岩作用周期的增加，裂隙渗流量呈先快后慢的减小，随后缓慢增加并趋于稳定。水—岩作用使得裂隙面一定深度的矿物软化溶解，改变了微细观孔隙结构和表面形貌特征，在围压作用下裂隙面闭合更加紧密，裂隙有效隙宽进一步减小是裂隙渗流量减小的主要原因。     

裂隙岩石直接拉伸断裂破坏的颗粒流模拟分析

针对现有裂隙岩石受拉破坏及强度方面研究的不足,利用二维颗粒流软件（PFC2D）构建了裂隙岩石的直接拉伸试验模型,模拟了含单条裂隙和断续双裂隙试样的直接拉伸试验,并分析了裂隙分布特征对抗拉强度和裂纹扩展特征的影响。结果表明,对裂隙岩石试样,裂隙岩石的抗拉强度随裂隙倾角的增大而增大,随裂隙长度的增大而减小,岩桥倾角和岩桥长度对抗拉强度的影响不大,除裂隙倾角α= 90°外,试样最终破裂面均与预制裂隙搭接。对断续双裂隙岩石试样,岩桥角度和长度对裂隙之间岩桥贯通影响明显,岩桥倾角和岩桥长度增大时,均出现岩桥未贯通现象。研究结论不仅丰富了断裂力学的内容,而且为工程实践提供了借鉴。     

岩体单裂隙辐射流水力耦合试验研究

通过构造具有不同几何特征的裂隙，综合考虑粗糙度、法向压力、剪切位移的影响，研究了单裂隙辐射流条件的剪切渗流耦合特性。结果发现不同裂隙的渗流量和渗透系数随剪切位移变化明显，且法向压力的作用也随剪切位移增加而改变；对于表面轻微破坏的裂隙，初始剪切位移会增加裂隙渗透性，随后达到基本稳定，但裂隙一旦发生严重破坏并生成较多填充物，进一步剪切将会减小裂隙渗透性及导致其随剪切位移波动；对于生成大量填充物的裂隙，由于较高的水压会引起填充物在裂隙内重分布，从而封堵渗流路径，减少渗流量；在强耦合过程中裂隙渗透性随剪切位移的变化很难用一个统一关系表达式来描述，但粗糙度和法向压力的影响均与不同剪切阶段呈很强的关联性。     

含张开单裂隙砂岩破裂过程围压效应的数值模拟

为研究不同倾角裂隙砂岩试样在压缩过程中的围压效应,以室内单轴压缩试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同倾角裂隙试样在不同围压下的破坏过程进行模拟。基于模拟结果,研究了围压对岩样强度、破坏模式及微裂纹发育特征的影响。结果表明,裂隙砂岩试样在压缩过程中具有明显的围压效应,相同裂隙倾角试样,其峰值强度、残余强度、弹性模量和变形模量均表现出随围压增加而增加的规律;不同围压作用下,不同倾角裂隙试样内部微裂纹演化规律相似,且其最终破坏形态均表现出以剪切破坏为主的破裂方式。     

单裂隙中开度及粗糙度对Forchheimer公式特征参数的影响

Forchheimer公式已广泛应用于高速非达西渗流计算中,但裂隙开度与粗糙度对公式中的特征参数k和β的影响研究尚不够明确。为此,应用Fluent计算软件,用标准J_(JRC)曲线模拟裂隙结构表面粗糙度,研究了裂隙开度b与裂隙粗糙度(J_(JRC))对渗透率k和非达西系数β的影响。结果表明,粗糙裂隙中发生高速渗流时,渗透率与J_(JRC)呈负相关关系,与裂隙开度呈正相关线性关系,裂隙开度是影响渗透率的主要因素;β随着J_(JRC)的增大而增大,随着裂隙开度的增大而减小;非达西系数与渗透率之间存在着负相关关系,这种关系可用幂函数来较好表达。     

堆石料三轴固结排水剪切试验全过程颗粒破碎特性研究

为研究灰岩堆石料三轴固结排水剪切试验全过程的颗粒破碎特性,通过对不同初始孔隙率下制备试样、不同围压下固结试样、不同围压下三轴固结排水(CD)剪切破坏的试样进行筛分试验,研究了三轴CD剪切试验过程中制样、固结和剪切三个试验阶段的颗粒破碎特性。结果表明,剪切过程中的颗粒相对破碎率最大,固结过程的次之,制样过程的最小;制样过程中的颗粒相对破碎率随试样初始孔隙率的增大基本呈线性减小变化;固结过程中的颗粒相对破碎率随固结压力的增大呈线性增大变化,随试样初始孔隙率的增大基本呈线性减小变化;剪切过程中的颗粒相对破碎率随剪切围压的增大呈线性增大变化,随试样初始孔隙率的增大基本呈线性减小变化。     

应力和侵蚀性溶液渗透耦合作用下碳酸盐岩渗透特性试验研究

为研究不同应力及溶液组合下碳酸盐岩渗流特性演化规律,选择H2SO4溶液、蒸馏水作为渗透流体,使用岩石耦合渗透试验装置对碳酸盐岩试样分别进行较长时间的渗透试验,得到三种不同工况下岩石试样渗透率和渗出液中矿物离子浓度随时间变化的曲线,分析了试验中围岩、渗透压、溶液等影响因素与渗透率、岩石内部矿物质溶解规律之间的内在联系。结果表明,试验初期阶段,围压对岩样渗透率有较大影响,恒定围压施加后使得岩样孔隙受到压缩从而影响渗透率。试验过程中,渗透压的增大会导致岩样渗透率产生短时间的上升,随后岩样渗透率逐渐回落。不同渗透溶液则有不同的影响,H2SO4溶液对岩样内部的侵蚀性较强,在岩样上游段产生较强溶解,当溶解的矿物离子浓度达到过饱和后,可能在下游段产生沉淀,使得岩样整体渗透率不断降低;而蒸馏水对岩样的侵蚀作用较弱,沿程产生均匀溶解,不能对孔隙结构造成较大改变,整体渗透率保持稳定。岩样整体渗透率的变化是应力、渗透溶液的溶蚀作用和矿物沉淀共同作用的结果。研究成果可用于指导工程实践。     

冻结速率对洋葱细胞的影响

研究不同速冻速率对洋葱细胞结构的影响,将洋葱分别在1、3、6、9、12、15、25、50、80℃/min速冻速率条件下进行速冻实验,研究了不同速率条件下细胞内结冰温度、细胞结构变化、细胞内压变化并计算细胞膜的渗透率。结果表明,洋葱细胞内结冰温度随着速冻速率的增大而降低;细胞体积随着细胞内压的增大而减小,随着温度降低先增大后减小;渗透率的总体趋势是随着温度的降低而增大,随着速冻速率的增大而增大,细胞的结晶温度随着细胞膜渗透率的增大而增大,随着渗透率的减小而减小。     

随机地震作用后裂隙岩体介质的动力特性研究

针对经历了“5·12”汶川大地震的裂隙岩体,利用MTS岩石力学试验系统开展裂隙岩体介质的单轴动力加载试验,试验开始阶段对汶川实测地震波进行概化分析,将其分解为不同频率及振幅的正弦波,研究了裂隙岩体介质在先期随机地震作用下的动力特性。结果表明,随机地震作用下,岩体应力—应变曲线具有良好的光滑性;当裂隙连通率较大时,倾角在30°~60°范围内,随着倾角的减小,曲线的延展性增强;当裂隙连通率较小时,应力—应变曲线延展性减弱,且受倾角影响较小。裂隙岩体经过先期地震作用,峰值强度受裂隙倾角影响较小,主要随裂隙连通率的增大而减小;当倾角为30°时,峰值强度取得极小值。当裂隙连通率较大时,弹性模量在不同倾角下的变化不明显;当裂隙连通率较小时,弹性模量在倾角为30°和60°处取得极小值。当裂隙倾角较小时,峰值强度和弹性模量与连通率呈非线性规律;当裂隙倾角较大时,则随连通率变化呈线性规律。裂隙岩体的强度与破坏形态有关,当试样发生剪切破坏时,试样强度较低。     

切向位移作用下粗糙单裂隙高速非达西渗流特性研究

目前的粗糙单裂隙非达西渗流特性研究主要集中于隙宽、粗糙度等因素的影响,而对切向位移作用下粗糙单裂隙非达西渗流特性研究较少。对此,基于Forchheimer方程,采用Fluent数值模拟软件,模拟研究了不同切向位移及不同粗糙度对粗糙单裂隙Forchheimer特征参数的影响,进而探讨了切向位移作用下粗糙单裂隙的非达西渗流特性。结果表明,渗透率k随粗糙度、切向位移的增大而减小;非达西影响系数β随粗糙度、切向位移的增大而增大,并获得定量的关系;临界雷诺数Rec可通过β、粗糙度、切向位移间定量关系由等效水力隙宽换算求得,且随粗糙度、切向位移的增大而增大。     

Pressure-transient behavior during cold water injection into geothermal wells

During injection testing, the pressures in geothermal wells used for reinjection sometimes initially increase but then decline as injection continues. Injection tests carried out at the Yutsubo geothermal field in Kyushu, Japan, exhibit this peculiar behavior. During injection testing of Yutsubo well YT-2, the observed downhole pressures eventually began to decline despite sustained injection rates. We have carried out numerical simulation studies using a radial flow model to examine this behavior. Double porosity (MINC) models are adopted, in which the fracture porosity increases as a result of both cooling and pressure build-up, and the permeability is very sensitive to porosity changes. This extreme sensitivity of fracture permeability to porosity appears to be necessary to reproduce the late-time pressure decline, and suggests that fractures were opened by injection-induced cooling near the well.     

Extraction of heat from multiple-fractured dry hot rock

A brief summary of theoretical solutions for the extraction of heat from multiple-fractured dry hot rock is presented. The analysis is based on an infinite series of parallel vertical fractures of uniform aperture and separated by blocks of homogeneous and isotropic impermeable rock with a uniform spacing between fractures. Cold water enters at the bottom of the fractures and the solutions are given in terms of dimensionless parameters from which the exiting water temperature at the top of the fractures can be determined. An example of the application of the theory is given to demonstrate how a multiple, fractured system provides a more efficient mechanism for heat extraction than a single fracture in dry hot rock.     

围压影响堆石料剪切带的颗粒流模拟

为分析围压对堆石料剪切带的影响,基于颗粒流理论,构造三种不同形态的颗粒簇,建立了堆石料颗粒流模型。通过颗粒流数值模型双轴试验,研究了围压对堆石料剪切带结构的影响。结果表明,试样剪切带呈非对称X形分布,剪切带内颗粒旋转幅度随着围压的增加而增大,剪切带X形轮廓更加清晰。围压对试样颗粒位移影响较大,随着围压增大,颗粒位移不断增大,颗粒位移呈现出的X形剪切带逐渐消退。试样颗粒簇破碎过程与其宏观应力发展同步,剪切带内的颗粒比剪切带外的颗粒更易发生破碎。随着围压的增大,对试样内部颗粒的约束越强,发生局部破坏范围越小,导致试样内部X形剪切带的宽度逐渐变小。研究成果可为工程实践提供指导。     

不同加卸载条件下孟底沟水电站花岗岩蠕变特性研究

针对孟底沟水电站坝区花岗岩开展了不同加卸载应力条件下的三轴蠕变试验,系统分析了不同加卸载过程中坝区花岗岩的变形特征、蠕变速率和破坏强度的变化规律,揭示了蠕变破坏模式。结果表明,孟底沟花岗岩存在蠕变应力门槛值,蠕变后期存在完整的减速、等速和加速蠕变阶段,岩石产生大量塑性变形,体积由压缩转为扩容;轴压恒定相比偏应力恒定卸围压蠕变更具时效特征,卸围压条件下出现劈裂和剪切共存的破坏模式;岩石破坏强度低于常规峰值强度,卸围压相比加轴压方式岩石强度下降幅度更大,粘聚力的降低是造成强度折减的主要因素。     

普光气田基于多井资料的储层裂缝综合地质分析

普光气田长兴-飞仙关组储集层为碳酸盐岩孔隙型储层,并具有较强的非均质性,储层中发育一定数量的天然裂缝,使储层的孔隙度和渗透率分布更为复杂。本研究主要以成像测井EMI为基础,对裸眼井EMI测井数据进行解编处理,做裂缝识别和裂缝参数定量计算,然后结合常规测井、录井、岩心等资料进行定量评价,并分析裂缝与地层、岩性、储层之间的关系。对17口生产井裂缝发育特征的对比和综合分析显示,普光气田长兴-飞仙关组储层裂缝发育强度不高,各井的裂缝密度以及同一口井的不同井段裂缝密度差异很大,具有很强的非均质性;裂缝在飞仙关组三段发育强度相对较高,飞一段和飞二段次之,飞四段很低,长兴组由于钻穿深度较浅,统计数据不能真实反映该组裂缝的发育情况;裂缝密度、孔隙度、张开度,以及裂缝空间的延展性均很小,属微裂缝级别,且几乎不相互切割,处于孤立状态,无法在三维空间上形成有效的裂缝网络。因此,裂缝对储层孔隙度和渗透率贡献很小,决定储层物性的关键因素是各种原生孔隙和次生孔隙;裂缝的发育与地层年代和地层岩性没有必然关系,地层裂缝发育程度主要由地层所处的构造部位、受到的构造应力大小所决定。     

含水合物沉积物的渗透率实验研究

天然气水合物储层的渗透率是影响水合物开采时气、水运移的关键,也是水合物开采潜力评价、资源评价、开采工艺选择等需要了解的关键参数。目前,国内外学者对天然气水合物储层的渗透率进行了一定的研究并有了初步认识。但是,对于围压、轴向压力、水合物饱和度、赋存模式等对水合物沉积物渗透率的影响机制和机理还不清楚。本文在自主设计的水合物储层三轴渗透率测试平台上,实验研究了粒径、围压、轴向压力、水合物饱和度等对沉积物渗透率的影响。结果表明,采用不同围压测得的水合物沉积物渗透率存在较大差异：多孔介质粒径的减小会降低沉积物渗透率;甲烷水合物沉积物渗透率随着饱和度升高呈指数型下降;轴向压力的升高会降低甲烷水合物沉积物渗透率,沉积物水合物饱和度越高,轴向压力对沉积物渗透率的影响越小;轴压加载条件下甲烷水合物沉积物相对渗透率随饱和度变化与Masuda沉积物渗透下降模型拟合良好。     

增强型地热系统水力压裂与双井连通实验仿真研究

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）作为未来新能源和清洁能源利用的一个重要方向,受到了世界各国的广泛关注。一直以来,野外试验场的工程实践和数值模拟分析是进行EGS研究的两种主要方式。本文通过实验室规模的小型试验系统,对EGS的水力压裂、裂隙监测、生产井定位和注水测试进行了仿真,成功实现了注入井−热储层−生产井的水力连通,分别以定井口压力和定注水流量进行水力测试。试验结果表明,热储层的裂隙开度会随着水力特性而发生变化,注水压力较大时热储层的裂隙具有更大的开度和渗流能力。从提升热储层经济性的角度考虑,实践中应当在较大注水压力时对热储裂隙结构进行加固处理。     

A dual-porosity dual-permeability model for acid gas injection process evaluation in hydrogen-carbonate reservoirs

The Pre-Caspian basin is one of the most prolific in terms of oil and gas exploration and hydrogen and carbon compounds energy production around the world. The major hydrogen and carbon compounds reservoirs are Carboniferous reef and platform hydrogen-carbonate rocks. The original fluids under subsurface conditions contain 15% hydrogen sulfide and 4% carbon dioxide. Acid hydrogen and carbon compounds reinjection is not only an environmentally friendly solution for disposal of produced greenhouse gases but also enhances oil recovery and supplies more fuel energy. On the other hand, the presence of fractures makes hydrogen-carbonate reservoir characteristics nature more complicated than conventional sandstone reservoirs, which leads to a tremendous challenge to evaluate the gas injection process. In this work, a dual-porosity dual-permeability formulation was used to model the dual-medium nature incorporating matrix system with high porosity and low permeability and fracture network with low porosity and high permeability. After matching PVT experiments, a ten pseudo-components fluid model was generated for running compositional simulation. The miscible hydrogen and carbon compounds injection was simulated as an effective enhanced oil recovery approach. Sensitivity analysis such as timing of injection gas, injection rate, well spacing and completion interval have proposed the optimal condition for the miscible hydrogen and carbon compounds flooding. The recommended optimum hydrogen and carbon compounds injection scenario is twice higher oil recovery compared with natural depletion. The results of this study illustrate further the practicability of pseudo-components splitting and lumping for compositional simulation to evaluate the performance of hydrogen and carbon compounds injection processes, and are of great importance using the dual-porosity dual-permeability method performing numerical simulation of naturally fractured hydrogen-carbonate reservoirs.     

热力耦合作用下硬脆性岩石蠕变性质试验研究

以齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为例,通过不同温度下的室内分级加载三轴蠕变试验,获得了热力耦合作用下岩石稳态蠕变率和强度的变化规律,揭示了考虑温度影响的蠕变破坏模式。结果表明,片麻状花岗岩稳态蠕变率与温度呈非线性正相关,经典软岩稳态蠕变率模型对片麻状花岗岩同样适用;岩石的长期强度与温度呈负相关,并获得了硬脆性岩石长期强度随温度和围压变化的三元素实用公式;随着温度升高,岩石破坏模式呈现由单斜面剪切破坏到共轭剪切破坏的转变,高温对硬岩具有显著软化作用。