三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律影响的实验研究

介绍了三维应力作用下煤岩体孔隙裂隙中瓦斯气体渗流规律的实验方法和实验结论。主要揭示：气体吸附作用和变形作用对渗流有重要影响,吸附作用表现为渗透系数随孔隙压呈负幂函数规律变化,变形作用表现为渗透系数随有效体积应力呈负指数规律变化以及非吸负指数规律变化,吸附与变形共同作用的结果,使渗透系数随孔隙压变化表现为存在一临界值ｐｃ,当ｐ〈ｐｃ参透系数衰竭,当ｐ〉ｐｃ时,渗透系数增加。     

裂缝-孔隙介质油、水两相微观渗流物理模拟

为了研究油、水在孔隙-裂缝介质中的渗流微观机理，利用微观岩石薄片模型，研究了不同裂缝分布情况下，孔隙-裂缝介质中水驱替油的微观过程，分析了裂缝形态、孔隙结构等因素对油、水渗流的影响，得出了有益的结论。对于认识非混溶两相流体在孔隙-裂缝介质中渗流规律和油气田开发具有重要意义。     

三维应力作用下单一裂缝渗流规律的理论与试验研究

针对目前国内外在岩石力学学科中争议较大的关于岩体裂缝的渗透系数是否受侧向应力的影响这一焦点问题进行了深入的研究。建立了单一裂缝岩体在三维应力作用下的物理模型和严密的关系方程，推导出渗透系数计算公式，并对该公式进行了大量的三轴试验数据的验证。其简化后的仅在法向应力作用下的渗透系数计算公式，与已有的计算公式一致。分析后得出结论：裂缝侧向应力引起的裂缝侧向变形对其裂缝渗流有重要的影响，其影响规律同样是负指数规律。     

页岩中气体流动规律数值模拟研究

为了更好地对页岩气进行开发,亟需对其渗流规律进行深入研究。常规气藏的气体渗流理论没有考虑气体在页岩纳米尺度孔隙中流动规律的特殊性。本文考虑气体在页岩微观孔隙中流动时的Knudsen扩散和壁面滑脱效应,建立了针对页岩一维流动的非线性渗流数学模型及求解方法,研究了页岩中气体的渗流特征和规律。通过实验,对本文的数学模型和常规气藏数学模型的结果进行了验证,可以看出:本文的模型结果能更好地符合实验规律,而常规气藏模型计算的流动平衡时间和实验结果有50%左右的差别,因此考虑气体在页岩中的特殊渗流规律的影响,对于页岩气渗流规律的研究是必要的。     

裂缝性砂岩油藏水驱效果的物理及数值模拟

为了研究裂缝性砂岩油藏中油水渗流规律以及裂缝对油田开发的影响，利用岩石薄板模型，对6种不同裂缝形态下平行裂缝对水驱油过程进行了物理模拟，通过对水驱油效果的分析比较，得出了不同裂缝形态下水驱油渗流规律：根据裂缝性砂岩油藏的储层特点，建立了裂缝性砂岩油藏渗流等效连续介质模型，利用数值模拟的手段，研究了裂缝性砂岩油藏水驱油特征以及裂缝形态对开发的影响；通过物理模拟和数值模拟结果的对比，验证了等效连续介质模型在裂缝性砂岩油藏渗流模拟中的适用性。     

河堤及河床干裂裂缝发展现象探讨

通过实验研究了河堤及河岸土体在蒸发以及干湿循环效应作用下的裂缝发展情况,掌握了土体开裂的规律,使我们在土体抗滑稳定、渗流分析中准确把握土体裂缝的影响,使得河堤抗滑稳定和渗流分析结果更接近实际情况,为河堤设计和施工提供更可靠的依据。     

渗流状态下砂岩的三维实时CT观测

利用中低压多功能CT专用渗流实验装置,进行了三维应力状态下砂岩的渗流实时CT观测试验研究。为使试验具有对比性,分别进行干燥试样的常规三轴试验和渗流三轴试验的CT实时观测,取得了渗流对岩石损伤演化规律影响的初步成果。根据试验过程的应力–应变曲线,提出试样强度和变形折减率的计算公式;分析了干燥试样和渗透试样CT数与应力的相关关系;提出了确定裂缝宽度的像素量测法;提出根据测区平均CT数与测区面积的相关关系来确定裂缝宽度的数值计算方法。     

基坑开挖过程中渗流作用的影响

建立基坑二维有限元模型,对基坑开挖过程中不考虑渗流作用和考虑渗流作用下的基坑变形性状进行对比研究,得到两种工况下的基坑外地表沉降、基坑内开挖面隆起和基坑支护结构位移等变形规律,并对比分析了基坑开挖过程中渗流作用的影响。研究结果表明,考虑渗流作用的基坑变形比不考虑渗流作用更大。     

页岩气藏流固耦合渗流模型及有限元求解

 页岩气渗流模型是页岩气藏动态分析和数值模拟的基础。将裂缝性页岩气藏视为基质孔隙–裂缝双重介质,同时考虑岩石骨架变形对气体渗流场的影响,建立页岩气藏流固耦合渗流模型。模型假设基质孔隙内作克努森流动,裂缝中作达西渗流,综合考虑页岩气壁面滑脱流动与孔内扩散作用、吸附与脱附、应力敏感性等渗流机制。采用有限元法离散控制方程及全隐式耦合求解方法,编制计算机程序。考虑真实页岩参数取值,利用该模型进行算例分析。结果表明,页岩气藏压力下降速率小于常规裂缝性气藏压力下降速率;裂缝渗透率是影响裂缝渗流压力衰减的主要因素,需考虑页岩裂缝导流能力与基质产气速率的匹配关系;原始地层压力越小,裂缝渗流压力衰减越慢。所建模型可为页岩气藏模拟器开发及动态分析提供理论基础。     

气液二相流体裂缝渗流规律的模拟实验研究

l引言气液二相流体的渗流问题是石油、天然气开采、地热开发、煤层气开采、煤炭地下气化和环境工程等极其广泛的工程领域普遍存在的问题。气液二相流体的渗流是典型的不溶混流体渗流问题。同时,由于气体为可压缩流体,在渗流过程中,随着渗透压力的变化,其气体表现了剧烈的体积变化,因而也表现了二相流体剧烈的体积变化及其相对饱和度的变化,在孔隙与裂缝中,气液二种不溶混流体表现出相互阻碍制约的复杂渗流形态。可以说是一类极其复杂的渗流问题。由于问题本身的复杂性,致使这一问题在国内外均研究很少,关于二相流体渗流问题的研究…     

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。     

岩石单裂隙稳态渗流研究进展

 从3个方面介绍目前单裂隙渗流研究的最新成果：(1) 单裂隙内的流体运动规律,主要研究裂隙渗流模型和流速分布规律等;(2) 裂隙过流能力的影响因素,包括应力、隙宽、粗糙度、充填物以及多场耦合等;(3) 单裂隙渗流的数值模拟方法,包括裂隙的数值生成方法和模拟技术。系统总结和分析目前最新的研究成果,对渗流研究理论和方法中存在的问题进行深入探讨：裂隙内渗流的流动规律复杂,裂隙渗流模型和机制仍有很多不明之处;剪应力影响是目前裂隙渗流研究的热点,三维应力和拉应力对裂隙渗流的影响也是未来研究的方向,但模拟复杂应力状态下的渗流试验装置仍是研究的“瓶颈”;评价裂隙面粗糙程度仍是一个复杂的问题;数值模拟裂隙渗流与试验方法相辅相成,正确选择合理的数值方法非常重要。     

裂隙岩体三维渗流网络搜索及稳定渗流场分析

 从实际工程结构面统计资料以及结构面本身渗流特性出发,结合逾渗理论分析裂隙岩体渗流网络的组成特点,研究三维块体切割技术与逾渗理论在裂隙类型分类上的相似性问题,进而在既有三维块体切割技术基础上增加渗流面阻水特性判断等模块,形成三维渗流网络搜索算法,解决三维渗流网络难以建立的问题。并在此基础上,根据Louis公式和广义达西定律编制裂隙岩体三维渗流网络搜索及恒定流分析程序3D-Network-Seepage.f90,用于裂隙岩体三维渗流网络构建与恒定渗流计算分析。然后,结合算例对该方法进行验证,结果表明：所提方法不仅能够生成客观、正确的渗流网络,还能准确地反映裂隙面水流的运动规律以及裂隙网络中实际水流的流动趋势,但该方法还有待于在实际工程中进行验证。     

高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

内含空腔围岩中气体渗流动力学问题的解析计算与试验研究

以内含空腔的围岩为研究对象,考虑围岩中裂隙度、孔隙度和渗透率等主要因素的影响,忽略次要因素的影响,进行了气体渗流问题的理论研究。基于达西定律,经分析推导,得到了计算内含空腔围岩中气体渗流问题中气体渗透量和气体渗流到达时间等重要参数的解析公式。开展了花岗岩气体渗流试验,将TNT炸药置于花岗岩内部空腔中引爆,以气体产物CO作为示踪气体,测量了其在围岩中的渗透量和渗流到达时间。使用推导的解析公式对试验进行了计算,计算结果表明,解析公式能够快速而准确地计算从内部空腔渗流到围岩介质中的气体体积和气体渗流到达时间。使用推导的解析计算公式估算围岩中气体渗流问题,计算方便快捷,对于实际工程遇到应急问题时,具有较好的实用性。同时,基于理论分析得到的解析计算公式,可以为数值模拟结果的验证和试验研究的设计提供有益的参考。     

砂岩劈裂裂隙多因素影响下可视化渗流规律研究

基于自主研发的可视化试验装置,应用颜色示踪技术,进行空间多角度砂岩裂隙渗流试验;通过采用图像不同灰度面积处理技术、裂隙面积分析方法,进行图像分区并统计其渗流面积,首次从可视化角度得出在不同法向应力、渗透压、倾角等多因素影响下渗流扩散面积比关系式,指出裂隙渗流加速汇集效应和优势扩散面积区域。并基于裂隙面三维形态测试数据,获得裂隙面粗糙度精确JRC值,利用该JRC值得到裂隙面二维粗糙度云图,并与渗流扩散面积图像相结合,从而确定渗流优势路径范围,指出低粗糙区域是渗流的主要过流路径,进而解释了渗流扩散区域会随倾角增大而减小原因,为隧道工程实践中的防渗封堵提供依据。     

三维任意裂隙网络渗流模型及其解法

 首先,分析三维裂隙网络渗流分析模型需解决的2个关键问题,即如何获得结构面网络相交形成的裂隙渗流通道、如何计算二维任意形态区域的渗流问题。采用全空间块体搜索(三维块体切割)技术,得到封闭块体的边界就是渗流通道,块体边界的连接关系就是渗流有限元计算节点的连接关系;块体边界的裂隙面(或临空面)由不同形态、不同数量的回路构成,将每个回路上的渗流考虑为二维连续介质渗流,在面的局部坐标系下,通过单纯形积分解决任意形态回路上的渗流问题。然后,根据计算节点连接关系,形成总体渗流矩阵和渗流控制方程后就可实现三维任意结构面网络渗流计算。最后,采用算例对理论分析过程和计算程序进行检验,并将三维结构面网络渗流分析结果应用到块体系统渐进失稳分析中。     

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

 介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100 MPa、最大围压为10 MPa、最高加热稳定温度为100 ℃,试件尺寸为f 50 mm×100 mm。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2) 实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3) 实现“面充气”,更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4) 设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5) 数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6) 设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7) 具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。     

裂隙渗流对岩石边坡稳定的影响--渗流、变形耦合作用的DDA法

裂隙中的渗流是岩石边坡失稳的重要因素之一。在最近发展起来的离散型数值方法——DDA法的基础上，考虑裂隙网络中地下水的流动，以及渗流压力与岩石变形的耦合作用，从能量最小原理出发，推求了考虑裂隙渗流情况下岩石系统的瞬时平衡方程及对任意裂隙进行安全评价的局部安全系数。用该方法对日本某隧道的塌方事故进行了模拟分析，数值模拟再现了该隧道破坏的过程。模拟结果表明，由于连续降雨和表面结冰导致岩石裂隙中地下水位升高，过大的水压力致使隧道上部的垂向裂隙张开并向下扩展，最终导致整个岩坡的崩塌。研究结论与日本事故委员会的调查结果一致。