石油非达西渗流新的运动模式理论及应用研究

油气田开发工业已进入特殊阶段,其典型标志是地下渗流规律越来越复杂。本文适应现代石油工业的发展需要,为解决基本渗流理论面临的问题而进行了探索性研究——提出了石油非达西渗流新的运动模式,并对该理论在油田开发中的应用作了详细研究。本文运用无因次分析法对岩芯渗流实验数据进行了研究与分析,发现石油渗流除了人们熟知的线性达西流和高速紊流外,还有3种新的运动形态(亚高速、低速及超低速流动),在无因次关系曲线上确定了各种流态相互转化的临界判据系数。从物理和力学角度进一步研究了这些特殊运动形态,结果与渗流实验完全一致。通过对5种渗流形态的分析,建立了描述石油渗流规律的统一数学模型——指数式非达西运动方程。建立的新非达西渗流模型不仅适用于常规油藏的开发,而且,可以解决低渗及裂隙等特殊油藏的开发问题。在以上理论研究的基础上,运用新的非达西渗流方程,分别建立了单相和多相流体以及复杂多孔介质(具有分形特征)中的稳定和不稳定渗流模型,形成了相对完整的新非达西渗流力学研究体系。最后,应用本文研究成果对2个油田4口生产井的矿藏资料进行了计算与分析,结果与实际符合较好。因此,本文提出的新的非达西渗流理论可以用来指导油田开发。本文通过新的非达西渗流理论及应用研究,取得     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

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。     

岩体结构面HM耦合分析的界面层模型

结构面对岩体力学性质、渗透特性及水力(HM)耦合过程起控制作用,其变形、渗流及HM耦合机制是岩体多场耦合研究的关键科学问题.从岩体HM耦合分析的角度,将结构面概化为界面层,采用张开度、刚度或Lame常数等参数表征界面层的几何特征及物理力学特性,研究界面层在法向应力作用下的闭合变形特性、压剪作用下的剪胀与剪缩演化规律以及变形与渗流耦合特性,建立考虑弹性、弹塑性及峰后力学特性的界面层变形模型,推导能考虑HM耦合效应的渗流广义立方定理及非饱和渗流模型.研究表明,基于界面层的结构面变形、渗流及HM耦合模型可以得到试验验证,模型参数可以通过简单的试验获得.采用界面层模型进行HM耦合研究使得变形与渗流分析建立在相同的物理模型基础上,有利于更好地揭示岩体HM耦合机制,提高多场耦合分析的可靠性.界面层模型不仅可应用于不连续介质的HM耦合分析,也可用于等效连续介质的HM耦合分析.     

含相变低温岩体水热耦合模型研究

 根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程,该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且分析了由分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响,实现了温度场和渗流场的双向全耦合。并将研究成果与M. Smith等的模型试验和现场试验进行对比分析,结果表明,所建立的耦合控制方程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上,应用此耦合模型数值仿真寒区隧道,对隧道温度场分布规律和冻融圈大小进行分析,该计算结果能为寒区隧道的设计和施工提供一定的参考。     

基于非平衡热力学理论的黏土多组分重金属吸附模型

黏土垫层土颗粒的吸附特性是控制溶质运移的重要关键因素,进而影响对防渗屏障长期服役性能的准确评估。在传统单组分吸附模型的基础上,基于非平衡热力学和Ziegler最大耗散率原理,通过构建弥散型自由能函数和弥散型耗散率函数,采用连续介质力学方法建立了非理想状态体系下适用于多组分重金属离子的非平衡态吸附模型。所建模型预测的多组分重金属离子吸附行为与已有试验结果吻合度较好,对比分析结果表明:所建非平衡态吸附模型能够正确揭示多组分重金属离子在黏土中的吸附动力学机制。     

高放废料地质处置中多场耦合作用下的岩石 破裂问题

 综述岩石力学中热–水–力耦合模型的研究进展,认为在热–水–力耦合作用下的岩石(岩体)破裂过程演化将直接影响高放射性废料地质处置库周围围岩的热力学特性、渗流特性和力学稳定性,进而影响高放射性核素在围岩中的迁移规律。通过建立一种描述热–水–力耦合条件下岩石破裂演化过程的细观力学模型,来揭示热–水–力耦合条件下宏观岩体结构破坏行为。计算分析结果表明,这种模型对于高放废料地质处置的可靠性分析具有重要的科学价值及现实意义。     

脆性岩石各向异性损伤和渗透性演化规律研究

 在压应力作用下,脆性岩石的渗透性随着裂纹的扩展而演化。通过试验观察和微观机制分析,提出渗透系数计算方法。在已建立的细观损伤力学模型的基础上,对摩擦准则和加载函数进行改进,采用改进模型模拟Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验。根据力学模型中得到的损伤变量和裂纹的法向、切向位移,引入连通系数描述裂纹扩展过程中,裂纹逐渐贯通形成渗流通道,采用立方定律作为单个裂纹中渗流方程,利用细观力学定义裂纹半径和等效开度,对各方向裂纹上的渗流速度进行平均化,得到渗透系数张量计算方法。采用此方法对Lac du Bonnet花岗岩现场试验结果进行模拟,比较轴向和侧向渗透系数的不同演化规律,预测不同围压条件下轴向渗透系数的演化规律。分析结果表明,模型的计算值与试验值非常吻合,验证了模型的适用性。     

裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础,把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面,对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究,具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发,定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理,系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制,建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子,增加岩体的柔度,降低岩体强度,对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发,建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程,从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形,提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础,根据裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分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。与以往研究成果相比,克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点,建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中,计算结果表明,该模型具有较好的实用性与可靠性。     

水质模型及其应用研究进展

运用系统分析技术进行水污染控制系统的规划是现代水质管理的基础和依据，水质模型对整个规划过程起着至关重要的作用。较详细地综合评述了近年来国内外水质模型及其应用的研究进展，并评价了水质模型研究的发展趋势，旨在促进相关研究的发展。     

Transfer of volatile substances from water to the atmosphere

Mass transfer coefficients and the degree of saturation of the exit gas are important parameters in transferring volatile organic substances from water to the atmosphere. Aeration systems in batch and continuous flow reactors are discussed based on theoretical analysis and experimental data. Three different ranges of the degree of saturation of the exit gas are introduced and their significance for model experiments and technical operations is evaluated. The effect of the aeration system and of surface active agents on the mass transfer coefficient of tetrachloroethylene is studied. Mass transfer coefficients for six nonpolar volatile organic compounds are presented. The stripping efficiencies of different types of gas-liquid contact devices used in water and waste water treatment are assessed.     

论环境岩土工程及其环境地学研究

环境岩土工程是一门跨学科的交叉科学。它主要覆盖了环境工程、岩土力学和工程地质学所涉及的环境问题。主要从地学角度对环境岩土工程的基本概念、特色、初步分类和内涵系统作了探讨。对作为环境岩土工程主体的城市环境岩土工程中的两类环境问题和两类悬河的概念、研究技术途径和方法 ,以及城市环境岩土工程在我国的发展趋势和前景作了研讨。     

Modeling the formation and growth of organic films on indoor surfaces

Emission, transport, and fate of semi‐volatile organic compounds (SVOCs), which include plasticizers, flame retardants, pesticides, biocides, and oxidation products of volatile organic compounds, are influenced in part by their tendency to sorb to indoor surfaces. A thin organic film enhances this effect, because it acts as both an SVOC sink and a source, thus potentially prolonging human exposure. Unfortunately, our ability to describe the initial formation and subsequent growth of organic films on indoor surfaces is limited. To overcome this gap, we propose a mass transfer model accounting for adsorption, condensation, and absorption of multiple gas‐phase SVOCs on impervious, vertical indoor surfaces. Further model development and experimental research are needed including more realistic scenarios accounting for surface heterogeneity, non‐ideal organic mixtures, and particle deposition.     

弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型

将渗流力学、岩石力学、流体力学知识相结合,建立了弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型,并进行了实例计算。油藏渗流模型主要基于达西定律,并且考虑了储层的可压缩性。将大孔道中的油藏流体与砂粒看作单分散的、稀释的悬浮液。考虑砂粒在大孔道中的沉降及液固两相流之间的相互作用,基于Navier-Stokes方程推导了油藏流体-砂粒两相运动的控制方程。其中,出砂流速门槛值和砂粒剥落本构方程通过实验方法确定,油藏流体渗流与大孔道管流之间通过压力和流量关系进行耦合。最后,通过计算研究了矩形区域内-注-采情况下大孔道的延伸情况,得到了开发过程中流场压力分布图和累计出砂量变化曲线,分析了油藏流体粘度、注采速度对出砂的影响。     

黏土垫层水力–力学–化学耦合模型研究

在城市固废堆场建造运维、污染场地土壤、地下水围封阻隔等环境岩土、污染防治领域中,均会涉及到土体力学行为、孔隙水流动以及污染物运移之间的耦合作用问题。将土体的固结变形分为由力学荷载引起的力学固结变形及由化学荷载引起的化学–渗透固结变形,引入广义达西定律,并考虑土体物理特性和输运性质的动态变化,通过理论推导建立了适用于堆场黏土防渗垫层的水力–力学–化学耦合模型,模型最大的特点是实现了土体固结变形、孔隙流体流动与污染物运移过程之间的全耦合,各模型参数均能够体现耦合效应的影响。采用多场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics对所建模型进行数值验证和求解,模拟结果表明:所建模型可从机理上描述水力–力学–化学全耦合过程,模拟结果与Peters和Smith模拟结果吻合较好,能够正确揭示超孔隙水压力、污染物浓度时空分布及土体固结变形的演化规律。     

环境土工基本理论及工程应用

随着工业化和城市化的快速发展,各类固体废弃物产量迅速增大,地下水土污染不断加剧,人类赖以生存的环境日益恶化。岩土工程研究者力图利用岩土工程的原理和方法来研究和解决这样的环境问题,并逐步形成了岩土工程学科的一个新兴分支——环境土工。环境土工问题伴随着生化反应、物理变化和机械运动等过程,目前国内外尚未建立统一的基本理论体系。该文论述了土体的生化反应、骨架变形、孔隙水运移、溶质迁移和孔隙气运移机理,并建立了考虑生化反应-骨架变形-水气运移-溶质迁移耦合作用的模型及其控制方程,界定并明确了模型参数及测试方法;揭示了高厨余城市固体废弃物填埋场存在严重的生化降解酸化抑制、骨架弱化和液气传导相互阻滞现象,以及城市固体废弃物压缩变形和液气产生及运移、污染物迁移与土体固结相互作用、污染物击穿防污屏障及覆盖屏障防水闭气的内在机理;结合笔者研究团队近二十年的环境土工研究和工程实践积累,总结了所提出的填埋场固废降解程度、渗滤液产量、填埋气收集率、填埋体沉降与填埋场容量、填埋场边坡稳定、防污屏障服役寿命评价方法以及所研发的填埋场液气立体导排、新型防污屏障和TDR污染土勘察技术的合理性和可靠性,并给出了工程应用实例。     

Simulation of the treatment performance of outdoor subsurface flow constructed wetlands in temperate climates

Numerical models are a means to increase the understanding of the processes occurring in the "black box" constructed wetland. Once reliable models for constructed wetlands are available they can be also used for evaluating and improving existing design criteria. The paper shows simulation results for outdoor experimental subsurface vertical flow constructed wetlands using CW2D, a multi-component reactive transport module developed to simulate transport and reactions of the organic matter, nitrogen and phosphorus in subsurface flow constructed wetlands. The surface area of the experimental vertical flow bed was 20 m(2). The organic load applied was 27 g COD m(-2) d(-1) (corresponding to a specific surface area of 3 m(2) per person). The aim of the work is to calibrate the model for temperature dependency that has been implemented in CW2D. Water temperature during the investigation period varied between 4 degrees C and 18 degrees C. The measured effluent concentrations during summer could be simulated using the standard CW2D parameter set when the flow model was calibrated well. However, the increasing effluent concentrations at low temperatures could not be simulated with the standard CW2D parameter set where temperature dependencies are considered only for maximum growth, decay, and hydrolysis rates. By introducing temperature dependencies for half-saturation constants for the hydrolysis and nitrification processes it was possible to simulate the observed behaviour. The work presented is a step on the way to validate the CW2D module. Model validation is a necessary step before numerical simulation can be finally used in practice, e.g. for checking existing design guidelines.     

Effects of multi-media partitioning of chemicals on Junge's variability-lifetime relationship

Junge's variability-lifetime relationship describes the relation between the tropospheric residence time of a volatile trace gas and the coefficient of variation of the tropospheric mixing ratio at a remote location. However, no unique or universal quantification of this relationship exists. It can only be derived on a case-by-case basis for consistent data sets on substances with similar source and sink patterns. Using a multi-media model of the long-range transport of organic compounds, we determine variability-lifetime relationships for volatile substances. Next, we demonstrate how the variability-lifetime relationship can be obtained for semi-volatile organic compounds (SOCs) with the model and we investigate typical deviations from the Junge relationship for volatile compounds that are caused by the multi-media partitioning of SOCs. One cause of deviation from this relationship is substances undergoing significant transport in water so that their distribution in air is noticeably influenced by their distribution in water. The other, wider, deviation is caused by substances with a strong tendency for deposition and re-volatilization. Finally, we address the comparison of the model results with field data. Preliminary analyses of long-term monitoring data for polychlorinated biphenyls at remote sites have shown that the identification of Junge relationships in field data is not straightforward. We discuss possible strategies for the derivation of Junge relationships from field data on SOCs.