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。     

多孔介质多场耦合作用理论 及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应.介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题.较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题.     

变形多孔介质温度–渗流–应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。     

饱和土介质的固-流耦合动力方程的势函数分解

利用固相和流相位移势函数，把饱和土介质的固-流耦合矢量动力方程分解成为解耦的无旋波和等容波方程，从而使问题的求解大为简化。同时，讨论了土体的孔隙水可自由流动和无渗流的情况，得到了一些有意义的结论。     

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。     

可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义.本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSC-SP程序的对数学模型进行数值求解.通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大差异,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义.     

可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义。本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSCSP程序的对数学模型进行数值求解。通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大差异,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义。     

基于岩体地下流固耦合理论的研究

本文通过对渗流场、应力场与温度场三场耦合的研究得出三场耦合作用的"完全耦合"模式;通过对孔隙介质流固耦合研究得出在此种情况下应力与应变的关系;通过对裂隙岩体流固耦合研究得出了单一裂隙渗流与应力的关系;分析了裂隙岩体渗流与应力耦合的不同数学模型,得出各种数学模型的优缺点以及适用范围。     

渗流的流固耦合问题及应用

 博士学位论文摘要　渗流过程中的孔隙改变, 既影响流体质量, 又会引起介质渗透率的变化, 导致非线性流固耦合作用。因此研究应力与孔隙压力共同作用下孔隙改变的机制是重要的。首先考察了经典渗流力学的基本假定, 说明忽略总应力对孔隙改变的作用是经典渗流力学及其他非耦合理论不能研究流固耦合作用的基本原因。饱和多孔介质是不溶混的混合物, 内部孔隙结构对多孔介质整体和孔隙改变的响应方程有影响。导出了多孔介质的响应方程及有效应力系数A1、孔隙改变的响应方程和有效应力系数A2 以及孔隙压缩模量K p。证明有效应力系数A1 和A2 小于1, K p 小于固体基质的相应模量。它们都取决于组成多孔介质的固体基质的力学性质和孔隙结构。还证明了对于孔隙的变形, 总应力比孔隙压力更重要。任何排除总应力影响的理论, 其出发点均不尽合理。研究了流固耦合机制。在渗流过程中, 介质整体变形和孔隙变化是应力和孔隙压力相互作用的结果; 孔隙改变会影响两相物质之间的扩散力和流体的质量守恒方程; 扩散力和孔隙压力对两相物质的动量守恒有影响。这是一些主要的耦合机制。在混合物理论的基本框架内建立了渗流耦合问题的基本方程, 考虑了流体与固体之间的多种耦合作用, 如线性耦合、非线性耦合、非牛顿流体渗流的耦合作用、饱和多孔介质的动力响应等; 由于渗流定律是孔隙流体动量守恒方程的特殊情况, 应用混合物理论可以从实验得到的非线性一维渗流定律导出非线性渗流的三维定律; 从上述研究还容易看出, B io t 的三维固结理论只考虑了多孔介质整体压缩(膨胀) 对流体动量守恒方程的影响, 反映了流体与固体之间最简单的、线性的相互作用。对某一边界上正应力和孔隙压力为常量的渗流耦合问题, 提出了一种解耦方法, 并得到了平面应变和广义平面应力状态下, 含圆孔的饱和多孔地层中定量抽放和定压抽放问题的解析解。通过这些解答可以看出, 对于稳定渗流, 线性耦合理论(B io t理论) 与非耦合理论没有差别; 对非稳定渗流, 线性耦合理论与经典渗流力学有明显的量的差别, 但没有性质的变化。与弹性力学的差别也与此类似: 若不考虑渗透率的变化, 可压缩流体渗流引起的非线性相互作用以一个高阶小量体现出来, 因此与近似的非耦合分析的结果相差不远。研究了稳定渗流和非稳定渗流情况下非线性流固耦合问题的特点, 并求出了含单一圆孔的问题和单向渗流问题的解答。从中可以看出, 非线性耦合问题与不耦合的经典渗流力学和弹性力学, 不仅在量值上有明显差别, 性质也有不同; 并指出, 非稳定渗流需要考虑更多的因素。当渗流达到最终的稳定状态时, 某些因素, 如原岩应力强度对渗流的影响消失。并研究了初始应力对渗流的影响。证明了可变形多孔介质一维稳定渗流时, 小试件内的孔隙压力梯度在流动方向上是不均匀的。仍然沿用经典渗流力学的方法测试渗透系数, 将导出流体质量不守恒的不合理推论。由此提出了可变形多孔介质渗透系数的新的测试方法。结合渗流的实验研究和微分方程反问题的数学方法, 可得到可变形多孔介质的渗透系数。对粒状多孔介质进行的试验表明, 按不同的试验方法得到的渗透系数相差较大。     

垃圾渗滤液污染的耦合动力学行为及数值模拟

垃圾渗滤液在填埋场中的运移过程受复杂地质环境（渗流场、应力场和浓度场）作用的影响。基于多孔介质流-固耦合及溶质运移理论，建立了垃圾渗滤液运移过程的多场耦合数学模型，并采用P-R隐式差分方法，给出了耦合模型的数值格式。通过编制的计算程序，对多场耦合作用下填埋场内渗滤液的浓度分布进行了动态模拟。模拟结果表明：随着时间的推移，对流作用对渗滤液迁移的影响更加明显；应力场耦合作用下的浓度变化速率相对降低，主要是由于考虑骨架变形后，孔隙介质渗透率的降低直接导致流体平均流速减慢而造成的。因此，对渗滤液迁移规律的研究必须同时考虑渗流场、应力场和浓度场的耦合作用，以此为准确预测渗滤液的污染情况提供更可靠的理论依据。     

多相流传输THM全耦合数值模型及程序验证

 基于连续介质力学原理和混合体理论,导出多孔介质多相流THM全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的动量、质量及能量守恒出发,考虑应力–应变、水体流动、气体传输、蒸气传输、热能传输和孔隙率演化等6个过程的耦合作用,实现对相变、溶解、热驱动、湿度传输和吸湿膨胀等物理现象的模拟,确保THM耦合控制方程组的封闭性和协调性。该模型在THM耦合体系中纳入气体及蒸气传输过程,摒弃以往采用基质吸力和绝对温度定义相对湿度的传统方法,从而使描述介质气体和蒸气运移特性以及THM耦合特性的相对湿度在严格的物理意义上加以定义。通过选取位移、水压、气压、蒸气压、温度和孔隙率为基本未知量,建立有限元数值计算格式,研发三维八自由度多相流THM全耦合有限元程序THYME3D,并采用法国原子能委员会开展的膨润土THM耦合Mock-up试验对数值模型和计算程序进行验证,揭示试验过程涉及的多场耦合机制。研究结果深化对多相流THM全耦合控制方程组、本构关系及计算参数特性的理解,从而为进一步研究THMC全耦合问题奠定基础。     

多孔介质中沉积颗粒脱离特性试验研究

开展沉积颗粒在多孔介质中脱离过程试验对研究地下水源热泵回灌堵塞过程有重要意义。利用自主研发的砂层沉积–脱离模拟试验系统,研究增加渗流速度和改变渗流方向对多孔介质中已沉积颗粒脱离特性的影响。结果表明:在改变渗流速度大小条件下,渗流速度越大,已沉积的颗粒越容易发生脱离,到达悬浮颗粒相对浓度第二次峰值所需的时间越短,而达到二次峰值时所注入的水量接近;与改变渗流速度大小相比,用改变渗流方向的方式进行沉积颗粒脱离效果更为明显,到达二次峰值所需时间更短、水量更少,但随着时间增加,多孔介质中又会出现类似渗流方向改变前的堵塞现象;渗流条件变化后的初始阶段是已沉积颗粒脱离的主要时期。研究结果为水源热泵回灌过程中悬浮颗粒在地层中的沉积-脱离特性进一步研究奠定了基础。     

煤矿突水的液固互动作用分析

依靠有限元分析软件ADINA并采用流固耦合算法对断层突水模式进行数值模拟,分析在不同的流体压力作用下,液固互动作用对多孔介质变形和突水速度的影响,对实际工程有一定的指导意义。     

油藏渗流与应力耦合分析

基于岩石力学与渗流力学理论，考虑到油藏中多相渗流的特点以及渗流与应力的耦合效应，建立了油藏多相渗流与应力耦合分析模型，研究了渗流与应力的耦合规律，给出了实现耦合分析的方法与步骤，最后通过算例检验了耦合分析的有效性和实用价值。     

Hydromechanical model for hydraulic fractures using XFEM

In this study, a hydromechanical model for fluid flow in fractured porous media is presented. We assume viscous fluids and the coupling equations are derived from the mass and momentum balance equations for saturated porous media. The fluid flow through discrete cracks will be modelled by the extended finite element method and an implicit time integration scheme. We also present a consistent linearization of the underlying non-linear discrete equations. They are solved by the Newton-Raphson iteration procedure in combination with a line search. Furthermore, the model is extended to includes crack propagation. Finally, examples are presented to demonstrate the versatility and efficiency of this two-scale hydromechanical model. The results suggest that the presence of the fracture in a deforming, porous media has great impact on the fluid flow and deformation patterns.     

两种不混溶流体饱和岩石中弹性波的传播

由孔隙介质多相渗流力学和连续介质理论可知，当多孔介质的孔隙中同时存在两种不混溶流体时，可以通过3个运动方程、2个渗流连续方程以及相应的物性方程来描述其动力特性。基于此，推导并求解了两种不混溶流体饱和多孔介质中全频域波动方程。波动方程推导过程不仅考虑了固体骨架、固体颗粒、不同孔隙流体的压缩性及各相物质间的黏性、惯性耦合，还考虑毛管压力、束缚饱和度及残余饱和度的影响，所以该模型具有较广泛的适用性。研究结果表明，由两种不混溶流体饱和的多孔介质中，同时存在3种压缩波和1种剪切波，各种波的速度和衰减特性将随着频率和饱和度的改变而发生急剧变化。另外，还将此模型的计算结果与已有文献中的试验数据和理论结果进行对比。     

饱和度对多孔介质中热–水–力耦合响应的影响

以湿-热弹性理论为基础,给出了非饱和多孔介质中热能传输、水分迁移和变形的耦合控制方程,并与已有试验结果进行了对比。模型计算结果与试验结果吻合较好。针对多孔介质中初始饱和度随深度呈不同分布的三维非对称热源问题进行了热–水–力耦合响应分析。分析表明:当初始饱和度沿竖向的梯度变化较小时,重力作用下孔隙水首先由多孔介质上部向下部流动,继而在温度荷载作用下产生回旋流动。当竖向梯度变化较大时,基质吸力作用下孔隙水先由饱和度较高的底部流向饱和度较低的顶部,然后产生回旋流动,且回旋中心位置随竖向梯度的减小逐渐向多孔介质中心位置靠近。     

连续孔隙介质土力学及其在非饱和土本构关系中的应用

首先论述了土力学的理论基础仍然很不完善,仍处于半理论、半经验的发展阶段,它还缺少统一的理论基础。指出:连续孔隙介质土力学是以多相孔隙介质理论为基础描述自然界中土的行为的一门科学,它(或多相孔隙介质理论)可以作为土力学统一的理论基础。然后介绍了连续孔隙介质土力学的理论基础,讨论了多相孔隙介质理论的整体平衡方程的建立以及土力学中控制方程的选择和确定。针对非饱和土问题,利用多相孔隙介质理论(包括热力学和内变量理论),基于3种广义应力即非饱和土的有效应力(式(22))、基质吸力和气相压力作为3个独立的应力状态变量,提出并详细地论证和推导了考虑气相的能量耗散和塑性体积变形的非饱和土弹塑性本构方程。     

基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅱ)——饱和多孔介质与固体间动力接触分析

基于物质点方法(material point method,MPM)理论框架,提出了处理饱和多孔介质与固体间动力接触问题的新方法。其中饱和多孔介质的动力学响应通过文献[1]中发展的耦合物质点方法进行分析,单相固体的力学行为由传统单相物质点方法进行预测。通过本文提出的接触算法使二者相结合,在保证饱和多孔介质与固体间不存在相互穿透的前提下,允许饱和多孔介质与固体间的相互滑动,以预测整个接触/碰撞系统的动力学响应。同时进行了数值算例计算,通过算例验证了此方法的正确性,展示了此方法有效性。