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。     

裂隙岩体中力学-渗流-传输耦合离散元模拟

深部地下工程包括增强型地热系统、核废料的地下处置、CO₂地下封存、煤炭地下气化等,都涉及到复杂的水-力-化多场耦合过程。全面理解力学过程影响下的溶质(如放射性核素)传输过程是以上各类工程成功建设和安全运行的重要理论基础。本文基于离散裂隙网络模型的思想,采用离散元方法来模拟应力-渗流耦合过程,而溶质传输过程则用粒子追踪法(Particle tracking algorithm)来进行模拟。溶质传输机理主要考虑了单岩石裂隙中的平流(Advection)、弥散(Hydrodynamic dispersion)以及原岩-裂隙之间的扩散(Matrix diffusion)。结果显示,力学过程对溶质传输过程有着显著影响,会明显改变溶质在裂隙网络中的停滞时间、传输路径和位置分布等。当水力梯度较小时,原岩-裂隙之间的扩散过程将是溶质在裂隙网络中停滞时间的决定性因素。     

模拟水压致裂的二维FDEM-flow方法

 水压致裂在非常规天然气开采中被广为采用,对该问题的研究具有重要意义。基于FEM/DEM耦合分析方法,提出解决FEM/DEM方法中流–固耦合问题的理论框架,称之为FDEM-flow方法,并结合贯通节理裂隙网络形成的递归搜索算法,为在二维情形下考虑流–固耦合驱动下的岩体破裂问题提供完整的解决方案,并给出实现流–固耦合的整个计算流程。通过2个含有解析解的裂隙渗流算例,验证本文提出方法求解纯裂隙渗流问题的正确性。最后,通过一个流体驱动下的岩体破裂算例,展现提出的方法在模拟流–固耦合驱动下的岩体破裂问题的巨大潜力,为模拟页岩气开采中的水压致裂问题提供了新途径。     

超临界CO2吸附效应对页岩地层井壁稳定影响研究

当利用超临界CO₂作为钻井液钻进页岩地层时，井壁稳定是重点关注问题。超临界CO₂与页岩相互作用复杂，而对于超临界CO₂吸附效应对超临界CO₂开发页岩油气资源过程中的井壁稳定性影响则研究较少。本文将超临界CO₂吸附效应对页岩变形和力学性质影响纳入到超临界CO₂渗流的多物理场耦合过程中，在超临界CO₂运输特性和热力学特性的基础上，构建考虑吸附效应的超临界CO₂钻井多物理场耦合井壁稳定模型。基于有限元数值计算方法，分析超临界CO₂钻进过程中的地层温度、孔隙压力和地层应力的时空分布规律，研究超临界CO₂吸附效应对井壁稳定性的影响。结果表明：超临界CO₂吸附效应引起的固体变形对地层温度和流体渗流没有明显影响；吸附效应对应力分布具有显著影响，吸附应变会使应力值增大，而吸附对弹性模量的影响则会使应力值降低；忽略吸附应变会小幅度低估井壁失稳风险，而忽略吸附对页岩弹...     

裂隙岩体等效渗透系数张量数值法研究

由于核废料地质储存、地热开采、深部油气开采的工程需求,裂隙岩体渗透性及其随着应力、温度的影响受到广泛关注。通过温度-渗流-应力耦合三轴仪对大理岩人工裂隙渗透率随应力及温度变化规律进行了试验研究,获得了大理岩闭合裂隙渗透率随应力、温度的变化趋势及受影响程度。在试验基础上,通过数值方法研究了裂隙岩体等效渗透系数的尺寸效应及各向异性,获得了该裂隙岩体的等效渗透系数REV及渗透张量。     

核废料贮存裂隙岩体水热耦合迁移及其与应力的耦合分析

 博士学位论文摘要　核废料深层地质贮存的安全性分析, 一个重要指标就是要充分体现在贮库裂隙围岩介质中地下水流动、附加应力和热载耦合作用下的岩体性能稳定。为了达到这一耦合过程对岩体行为的全面理解, 试从各自耦合过程特征出发, 把裂隙岩体视为等效连续介质, 对裂隙岩体介质THM 耦合参数特性进行分析, 从而建立描述裂隙岩体介质THM 耦合的数学模型。概括起来, 从以下几方面来完成这项研究。在裂隙岩体力学模型方面, 利用O ′Connell 建立的干(或饱和水) 裂隙岩体等效弹性模量与岩石模量的关系式, 并由式中的裂隙密度概念意义, 建立了温度作用下的裂隙密度与O da 提出的裂隙张量之间的关系式。在裂隙岩体渗透模型方面, 利用O da提出的描述裂隙岩体渗透特性的附加裂隙张量, 并以裂隙结构面的开度、岩体裂隙数(包括受温度影响开通裂隙数)、裂隙连通率、附加应力、剪切膨胀和化学成份为研究对象, 建立了具有THM 耦合特性的渗流系数张量。在理论分析方面, 建立了THM三方面满足的本构方程式和描述核废料贮库裂隙岩体介质热2液2力耗散过程的定解方程。在实验基础上, 给出了温度、饱和水下的单裂隙岩体应力2应变、抗压强度回归拟合关系表达式以及岩体裂隙结构面的温度2应力2水力耦合本构关系式。在数值分析方面, 利用加权残数法理论, 导出了求解所建立的THM 耦合数学模型的有限元计算公式, 并编制了二维有限元计算程序。用BM T1 问题的算例, 获得了较满意的计算结果, 从而显示了其数值模拟的成功性。     

多场耦合作用下页岩渗透特性实验研究

页岩气开采过程,其储层页岩渗透率受多重因素的影响。采用自主研发的多场耦合作用下不同相态CO₂致裂驱替CH₄实验装置,实验研究了有效应力、孔隙压力、温度以及吸附膨胀效应等因素对裂隙页岩体与型岩渗透特性的影响。结果表明:(1)页岩渗透率随有效应力增加呈负指数关系减小,且型岩对于有效应力变化具有更强的敏感性;(2)在相同应力状态下,由于吸附引起的差异性膨胀效应会降低页岩渗透率,不同气体作用下测得的页岩渗透率表现为He＞N₂＞CO₂。(3)两种页岩中渗透率随孔隙压力变化规律具有差异性。SC-CO₂致裂页岩在低压条件下Klingkenberg效应不明显,渗透率随平均孔隙压力的增大而增大,型岩在低压阶段由于Klingkenberg效应对渗透率变化起主导作用,随着孔隙压力增加,其渗透率降低,在达到极小值后,随着孔隙压力的增加,Klingkenberg效应减弱,有效应力起主导作用,渗透率随孔隙压力增加而增加;(4)温度作用通过改变页岩的孔隙结构、力学性质等控制页岩渗透率的变化,随着温度增加,页岩渗透率降低。因此,在页岩气开采过程以及CO₂强化页岩气开采过程需要考虑多因素耦合作用对页岩渗透率的影响。     

空间岩体裂隙网络灌浆数值模拟研究

为提高和评估岩体灌浆效果,研究和预测浆液在空间岩体裂隙网络内的渗透规律,结合宾汉流体在单一光滑倾斜裂隙内的流动公式,建立了空间岩体裂隙网络的宾汉浆液渗流和裂隙变形耦合模型。在此模型上对灌浆进行实时模拟。另外还研究了灌浆过程中裂隙变形及对灌浆的影响。计算结果表明,通过该模型可预测浆液在岩体中渗透状态,改进灌浆参数。     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

基于浆液–岩体耦合效应的微裂隙岩体注浆理论研究

在微裂隙岩体注浆工程中,浆液–岩体耦合效应对注浆扩散过程影响显著。基于宾汉流体浆液本构模型并引入两阶段裂隙变形控制方程,建立考虑浆–岩耦合效应的裂隙注浆扩散理论模型。利用质量守恒条件实现浆液扩散锋面追踪与注浆流量分配,通过试错法实现压力场与速度场的迭代求解,建立可完整描述注浆扩散过程的步进式算法。利用所创建的理论模型及步进式算法,分析浆液压力场及裂隙开度的分布规律,并从浆液扩散半径、裂隙变形所吸收的浆液量两个方面分析不同裂隙开度条件下浆–岩耦合效应对裂隙注浆扩散过程的影响程度。研究结果表明:在微裂隙岩体注浆工程中,裂隙宽度越小,浆–岩耦合效应对注浆扩散过程的影响越显著,注浆压力取代裂隙初始隙宽成为影响浆液扩散半径的主控因素。最后结合青岛地铁花岗岩微裂隙注浆工程实例验证了理论模型及步进式算法的正确性。     

三维复杂裂隙岩体渗流传热耦合的数值研究

将复杂裂隙岩体视为由离散裂隙网络和岩石基质两部分组成,采用四面体单元离散岩石基质,无厚度三角形单元离散复杂三维离散裂隙网络,考虑温度对流体密度和动力粘度的影响,建立了描述三维裂隙网络的裂隙岩体渗流-传热耦合模型.通过与二维单裂隙渗流-传热耦合问题的解析解对比,验证了该模型的可靠性.随后,利用该模型对复杂三维随机裂隙岩体...     

不同结构形式的后期热液充填裂隙花岗岩常温下物理力学性质研究

在干热岩开采的实际工程中,利用岩体结构面作为热交换通道将减小工程投入,并获得更好的工程效果.而在实际中花岗岩体中的结构面通常被热液充填,形成后期热液充填花岗岩体.研究后期热液填充裂隙花岗岩体 的物理力学性质对实际地热开发中建设人工储留层具有重要指导意义.利用后期热液填充裂隙花岗岩体制备不同结构形式试样,在常温下对4种结...     

二维裂隙岩体渗流传热的离散裂隙网络模型数值计算方法

 针对裂隙岩体渗流传热问题,用解析方法,比较2种不同岩石基质与裂隙水界面热交换假设下的计算结果,对一般裂隙岩体,2种假设下的计算结果相同。基于离散裂隙网络模型的思想,在商业有限元软件COMSOL中实现一种计算已知裂隙网络的裂隙岩体渗流和传热过程的数值方法,该方法可以同时计算岩石基质与裂隙中的渗流和传热过程及二者间的交换,并与解析解比较进行验证。用该方法对一随机生成的二维裂隙岩体进行计算,得到的出口温度曲线,可以反映裂隙岩体渗流传热的早期热突破和长尾效应等特点,并分析岩石基质渗透率、热传导系数的不同取值对裂隙岩体渗流和传热过程的影响。     

Coupled hydro-thermo-mechanical modeling of hydraulic fracturing in quasi-brittle rocks using BPM-DEM

This paper presents an improved understanding of coupled hydro-thermo-mechanical(HTM) hydraulic fracturing of quasi-brittle rock using the bonded particle model(BPM) within the discrete element method(DEM). BPM has been recently extended by the authors to account for coupled convective econductive heat flow and transport, and to enable full hydro-thermal fluidesolid coupled modeling.The application of the work is on enhanced geothermal systems(EGSs), and hydraulic fracturing of hot dry rock(HDR) is studied in terms of the impact of temperature difference between rock and a flowing fracturing fluid. Micro-mechanical investigation of temperature and fracturing fluid effects on hydraulic fracturing damage in rocks is presented. It was found that fracture is shorter with pronounced secondary microcracking along the main fracture for the case when the convectiveeconductive thermal heat exchange is considered. First, the convection heat exchange during low-viscosity fluid infiltration in permeable rock around the wellbore causes significant rock cooling, where a finger-like fluid infiltration was observed. Second, fluid infiltration inhibits pressure rise during pumping and delays fracture initiation and propagation. Additionally, thermal damage occurs in the whole area around the wellbore due to rock cooling and cold fluid infiltration. The size of a damaged area around the wellbore increases with decreasing fluid dynamic viscosity. Fluid and rock compressibility ratio was found to have significant effect on the fracture propagation velocity.     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

三河尖矿深井高温体特征及其热害控制方法

 地热异常矿井进入深部开采后热害现象严重。通过对三河尖矿地温场、地温梯度变化规律及岩石热物理性质的分析,揭示三河尖矿深部地温随深度的增大变化异常,大地热流值偏高,为典型地热异常矿井。总结分析得出三河尖模式高温热害特征,即冷源短缺地热异常。针对三河尖模式热害治理,结合三河尖矿地面供热现状,提出三河尖模式热害治理HEMS降温技术,该技术利用井下热水实现井上供热,将产生冷能储存于第四系储能层用于井下制冷,解决热害的同时实现地面供热。三河尖矿成功的实现一期井下热害治理工程,通过对72201工作面降温效果分析,该系统大大改善工作面长期以来高温高湿的工作环境,值得在深部开采及相关领域推广应用。     

岩体应力与渗流的耦合及其工程应用

岩体中应力与渗流的耦合对于工程应用十分重要。应用孔隙弹性力学理论，研究裂隙岩体与多孔介质岩体的应力变化引起的渗透性变化。推导出应力与渗透系数的关系式，得出由于多孔介质含水层疏水及应力变化造成的地表下沉计算公式。基于孔隙弹性理论，开发用于耦合应力与渗流的有限元计算软件。采用有限元方法耦合应力与渗流的关系，模拟不同采宽条件下采煤工作面的采动影响特征，得出工作面围岩渗透性变化、覆岩破坏高度、地表下沉与工作面几何参数的关系，这对于类似条件下的煤矿开采与设计有指导意义。     

Convective heat transfer of water flow in intersected rock fractures for enhanced geothermal extraction

Numerous intersected rock fractures constitute the fracture network in enhanced geothermal systems.The complicated convective heat transfer behavior in intersected fractures is critical to the heat recovery in fractured geothermal reservoirs.A series of three-dimensional intersected fracture models is constructed to perform the flow-through heat transfer simulations.The geometry effects of dead-end fractures(DEFs)on the heat transfer are evaluated in terms of intersected angles,apertures,lengths,and the connectivity.The results indicate that annular streamlines appear in the rough DEF and cause an ellipse distribution of the cold front.Compared to plate DEFs,the fluid flow in the rough DEF enhances the heat transfer.Both the increment of outlet water temperatureΔToutand the ratio of heat production Qrpresent the largest at the intersected angle of 90°while decline with the decrease of the intersected angle between the main flow fracture(MFF)and the DEFs.The extension of the length of intersected DEFs is beneficial to heat production while enhancing its aperture is not needed.Solely increasing the number of intersected DEFs induces a little increase of heat extraction,and more significant heat production can be obtained through connecting these DEFs with the MFF forming the flow network.     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义.利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演...     

Coupled hydro-mechanical model for fractured rock masses using the discontinuous deformation analysis

A coupling analysis model is proposed to study the hydro-mechanical response of the fluid flow in fractured rock mass with the method of discontinuous deformation analysis (DDA). The DDA coupled hydro-mechanical model is interpreted in details by expressing the fracture fluid flow equations, the coupling process and the global coupled equations. For the mechanical response, the hydraulic pressure is determined first, followed by the coupled motion equations expressed under the DDA framework, to study the interaction between the fluid flow along the fractures and the movement of the rock blocks. In the fluid flow analysis, the cubic law is applied to study the steady flow along the fractures using the finite difference method (FDM). A real case of cavern excavation is analyzed by the proposed DDA coupled 2D hydro-mechanical model, to study the influence of fluid flow on the rock cavern stability during the excavation phase. The results show that the DDA coupled hydro-mechanical model is suitable for the stability and seepage analysis of practical engineering problems.