变形介质油藏中的不稳定渗流

大量实验表明:当油藏生产原油时,随着地层中流体压力的降低,油层的孔隙度和渗透率下降,特别是在异常高压油藏中尤为显著。数据表明多孔介质的孔隙度和渗透率随压降的变化规律是指数关系,而实际的油藏介质变形是弹塑性的,即变形在流体压力恢复后,变形不可能完全恢复,因此在开发前期一定要注意保持一定的地层压力。从流体和多孔介质的本构方程出发,建立液体在变形介质油藏中渗流的微分方程。用解析的方法得到了变形介质中的定常流动的精确解;并用数值模拟的方法,研究了无限大油藏、封闭油藏和边水油藏中的不稳定压力,绘制了相应的井底压力曲线。最后分析了封闭变形介质油藏中,定压生产时,油井的产量变化。研究表明:在异常高压的油藏中,必须考虑由介质变形引起的孔隙度和渗透率的影响。     

不完全可逆变形介质油藏流体渗流模型及其数值解

由于地层压力变化引起地层变形具有不完全可逆性，导致地层渗透率和孔隙度随压力变化也具有不完全可逆性。本文建立了不完全可逆变形介质油藏流体渗流模型，综合采取了状态方程隐式处理和Richtmyer线性化方法，有效地对不完全可逆变形介质油藏流体渗流问题进行了数值解，并讨论了由储层介质变形的不可逆性对油田开发的影响。     

变形介质多相流动流固耦合数学模型

变形介质油藏和城市地下水层中由于液体被采出，地层压力下降，有效应力发生变化，使整个含水、含油层的地应力状态改变，多孔介质骨架变形和发生位移，岩石的物性参数（渗透率、孔隙度、压缩系数等）随之变化，这种现象越来越受到人们的注意，本文基于达西定律和岩石力学弹性定律，在以前的科研工作基础上，把岩石骨架变形引入模型中，建立多相流体在变形多孔介质中流动时由于孔隙压力变化耦合数学模型。在此模型中，渗透率、孔隙度、压缩系数均为压力的函数。     

悬浮液调剖剂在油层中渗滤特征研究

论文根据质量守恒建立了固相颗粒运移和沉淀动态方程,通过求解得到悬浮液浓度分布和颗粒滞留量分布关系,研究结果表明,颗粒型调剖剂的沿程浓度逐渐降低,随注入时间增加,同一位置上的调剖剂浓度逐渐升高,多孔介质对固相颗粒的渗滤作用,颗粒滞留主要集中在近井周围。岩石渗透率时变动态模型表明,岩石渗透率比其孔隙度的变化幅度大得多,颗粒型堵剂其少量的滞留即可改变岩石渗透率。相同注入量条件下,随注入速度增加悬浮液浓度增加,同时渗透率降低程度增加,提高注入速度有利于将颗粒挤入到多孔介质较深部位。调剖过程中的注入压力动态主要取决调剖地层系数,随注入速度增加,注入压力逐渐回升,但不同注入速度下注入压力的回升速度不同,对于较高的注入压力,调剖剂很容易提前启动中低渗透层,因此注入速度的选择应在注入设备工作条件下,以油层破裂压力为限制,保证注入压力缓速回升。     

两种土壤大孔隙结构差异的数字图像分析

运用数字图像制备分析技术对粘土和砂壤土分别进行了实验,概述了数字图像制备分析技术的过程,构建了大孔隙结构中大孔隙数目、大孔隙度、面积、周长、成圆率、平均孔径、孔隙复杂度、图像5 mm间距孔隙面积变异度和孔隙重叠度等分析指标。并通过大孔隙结构分析指标定量地分析了两种质地土壤大孔隙结构在土壤纵断面上的变化规律及差异。结果表明,由于土壤质地的不同,大孔隙数目、大小和形状在横断面上和纵断面上的分布是不同的。砂壤土孔隙在形状上的复杂程度低于粘土的形状复杂程度,且砂壤土的孔隙变异程度小于粘土,水和溶质在砂壤土孔隙中的运移比在粘土孔隙中运移容易。     

基于逾渗网络模型的弥散系数与渗透率关系研究

该文基于逾渗理论和网络模型,建立体中心网格(BCC)的三维孔隙网络模型,在周期性边界条件下模拟不同孔隙半径变异系数及不同孔隙连通性下的弥散过程。假设微粒在单管中服从Taylor-Aris弥散,其通过单管的时间可由累积分布函数随机获得;流体在管束节点处发生完全混合,随后按照节点连接管束的体积流量比对应的概率随机进入一根管束,以此实现微粒的不断运移。利用粒子追踪法确定固定时间下的微粒位置,并根据矩量法计算弥散系数。模拟结果表明弥散系数随孔隙连通性的降低而增大,随水力半径的增加而增加,且均遵循相应的乘幂关系。结合渗透率模型,探索了弥散系数与渗透率间的关系,并与实验结果进行对比,验证了模型的正确性。     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

致密储层应力敏感分析新方法及其对开发的影响

本文通过实验研究了致密储层的渗透率应力敏感性,建立了以原始储层有效应力(上覆岩层压力与原始储层孔隙压力之差)为有效应力起点的压敏评价方法,实验结果表明:该方法能够正确反映储层岩石的真实应力状态,其得到的应力敏感伤害符合储层真实情况,并且有效应力与渗透率间符合二次多项式的关系.应力恢复实验表明岩石的弹塑性变形使得压敏伤害是一种永久的、不可逆的伤害.通过扫描电镜和恒速压汞实验分析了应力敏感机理,得到孔隙受压敏影响较小,喉道的大小和形态决定了岩石的渗透率应力敏感程度.最后从理论上计算了压敏对开发的影响,结果表明在生产井井底附近储层存在渗透率漏斗,压敏伤害对油井产量有一定影响.     

膨胀土渠道边坡降雨入渗和变形耦合分析

应用非饱和土简化固结理论，模拟枣阳膨胀土渠道边坡在人工降雨过程中孔隙压力变化和变形的发展过程，数值计算结果在定性上与实际观测资料一致。     

混凝土碱骨料反应力学性质劣化机理研究

本文建立了混凝土三相介质(骨料、水泥砂浆及其交界面)细观颗粒模型,通过对不同碱骨料反应程度的混凝土试件进行单轴受压数值模拟,得到混凝土刚度退化和宏观损伤因子随碱骨料反应膨胀应变增加而增加的规律。基于细观层面,分析碱骨料反应引起的混凝土内部细观应力分布和细观损伤演化的规律。由数值结果可知,碱骨料反应造成骨料膨胀,在砂浆内产生细观拉应力,一旦超过材料的细观强度即产生微裂缝,使细观拉应力得到释放。这些微裂缝构成了混凝土内部的细观损伤,随着碱骨料反应发展,细观损伤范围不断增加,从而导致碱骨料反应的混凝土力学性质的劣化。     

干湿交替诱导含重金属细颗粒物在多孔介质中释放迁移的作用机制

为探究含重金属细颗粒引起土壤重金属污染的形成机制,以矿渣为对象,采用柱试验,研究了干湿交替诱导含重金属细颗粒在多孔介质中释放迁移的特征与机制。结果表明：干湿交替显著促进了粒径在342～955 nm的矿渣颗粒的释放迁移,该促进作用由3种作用机制联合引起,且与落干期时长有关,而与干湿交替次数和落干期排列顺序无关;释放迁移的矿渣颗粒在石英砂多孔介质中发生了累积,落干时间越长,累积质量越高,累积质量随介质深度的增加而减少,累积颗粒的粒径分布随介质深度无明显变化。细颗粒的释放迁移是含重金属细颗粒引起土壤重金属污染的主要原因,固应对干湿交替下含重金属细颗粒的环境行为给予重视。     

雨洪水回灌中多分散颗粒运移-沉积特征及数值模拟

雨洪水回灌过程中多分散颗粒造成的堵塞问题实质上是多孔介质中颗粒的运移和沉积。为了揭示饱和多孔介质中多分散颗粒的沉积特性,开展了5种不同浓度条件下多分散雨洪颗粒(0.375~55.82 μm)人工回灌一维砂柱定流量试验,基于胶体过滤理论,建立多分散颗粒运移-沉积的改进模型并进行相应的数值模拟。物理试验和数值模拟结果表明:不同浓度条件下多分散颗粒的沉积剖面都符合“上陡峭,下平缓”的超指数分布,而不是常规模型预测的指数分布。超指数分布是多分散颗粒的非均等沉积造成的,常规模型均化了沉积颗粒的空间分布,Kozeny-Carman模型可以模拟颗粒的非均等沉积造成介质不同位置渗透性能降低,介质的堵塞程度与颗粒大小直接相关,介质渗透性能最大降低为原来的52%,雨洪水中粒径>2.26 μm颗粒的沉积是造成堵塞的主要原因。     

基于多孔介质土体分形特征的渗透系数研究

堤坝工程渗流计算中确定土体渗透系数尤为重要。利用分形维数不同尺度域,分析渗透破坏试验土样无标度区,指出土体细颗粒含量是决定土体分形维数的主要因素。基于多孔介质毛管束模型,推导了渗透系数和孔隙率与分形维数之间分形关系解析式,阐释了多孔介质土体渗透系数影响因子包括分形系数、孔径大小、分形维数及流体黏滞系数。利用土体渗透破坏试验结果,进一步论证了渗透系数和孔隙率与分形维数之间的非线性关系。结果表明:当分形维数大于2.83时,孔隙率随着分形维数的增大而减小,但在颗粒吸着水和薄膜水形成的黏聚力影响下,渗透系数随着分形维数增大而减小的规律不明显。研究结果可为渗透破坏形成机制及发展过程分析提供理论依据,减少堤坝渗透破坏致灾隐患。     

Impact of consolidation pressure on contaminant migration in clay liner

Consolidation deformation occurs in clay liners under the self-weight of wastes at a simple garbage dump or dredged sediment dump, which leads to a decrease in the porosity. However, the migration of contaminants in clay liners is influenced by the porosity. Thus, the impact of consolidation deformation of clay liners on the migration of contaminants cannot be ignored. Based on Biot’s consolidation theory, the contaminant migration theory, and consideration of the three kinds of migration mechanisms of convection, diffusion, and adsorption, a one-dimensional migration model of contaminants in deforming porous media was established, and the finite difference method was adopted to obtain the numerical solutions for an established initial-boundary value problem. The impact of consolidation pressure on the migration law of a contaminant was studied. The results show that, regardless of adsorption modes, different consolidation pressures have similar impacts on the migration law of the contaminant. Namely, over a certain migration time, the greater the consolidation pressure is, the smaller the migration depth of the contaminant. The results also show that, while the migration time increases, the impact of a certain increment of consolidation pressure on the variation of contaminant concentration with the depth increases gradually and, while the migration depth increases, the impact of a certain increment of consolidation pressure on the variation of the contaminant concentration with time increases gradually.     

溶质在细粒孔隙介质中迁移预测的可靠性分析

在预测溶质运移，尤其是低中放废物处置场中的核素在包气带与含水层中的迁移时，需要考虑介质中不流动水体的影响，否则，会影响预测结果的可靠性。通过对黄土的物理特性实验与野外氚的包气带示踪试验表明：用孔隙度或含水量除以渗透流速得到的平均孔隙流速比实际平均孔隙流速小，在包气带中约小30%～65%，含水层中约小40%.用对流弥散模型计算氚在包气带中的迁移表明：考虑不流动水体的影响时的平均孔隙流速比不考虑的结果增加了1.39倍，相对浓度减弱了1.32倍。     

固结条件下软黏土微观孔隙结构的演化及其分形描述

利用扫描电镜(SEM)研究软黏土固结前后的微观结构,采用数字图像技术研究软黏土固结过程中微孔隙的大小、数量及其分布的演化规律.基于Sierpinski地毯的分形概念,结合量测数据给出了描述孔隙结构的Sierpinski分维数并研究其差异性.图像分析表明,随着固结压力的增大,软黏土的孔隙度和孔径趋于减小,孔径范围变窄,土体固结过程对孔隙级配具有一定的调节作用.分形研究表明,分维数的数值大小反映了软黏土固结过程中的孔隙度变化,固结压力愈大,孔隙度愈小,分维数愈大.分维数与孔隙度、固结压力、压缩量之间存在较为显著的线性回归关系,并能反映软黏土的结构性特点.研究结果揭示了土体宏观变形与微孔隙结构分形特性之间存在的相关关系,分维数可为软黏土固结变形预测提供依据.     

不同浓度悬浮物颗粒在多孔介质中迁移特性研究

多孔介质中悬浮物迁移特性的研究,有利于减缓实际回灌工程中的堵塞问题,对地下水人工回灌技术的推广具有重要理论意义。采用室内砂柱试验,研究不同悬浮物浓度条件下多孔介质渗透性的变化、悬浮物颗粒在饱和多孔介质中的运移-沉积规律,并分析堵塞发生的机理。本次试验以中位粒径224.2μm的石英砂作为入渗介质并在砂柱中分别连续注入由中位粒径3.24μm的悬浮物颗粒配制而成的三组不同浓度溶液(100 mg·L~(-1)、300 mg·L~(-1)、500 mg·L~(-1))。研究结果表明,在不同的回灌浓度条件下,砂柱内均发生了表面-内部双重堵塞;且随着悬浮物溶液浓度的增加,悬浮颗粒在多孔介质内的迁移量减少,而滞留量却明显增多,但悬浮物浓度对沉积量的影响随着入渗深度的增加而减小;堵塞速率也会随着回灌液浓度的增加而加快;在回灌的初始阶段,多孔介质的渗透性随时间下降幅度很大,随着试验的进行,最终会趋于稳定状态,且越靠近砂柱表层,悬浮物堵塞的程度越为严重。在实际的人工回灌工程中,要尽可能降低回灌液中悬浮物颗粒的浓度,以降低堵塞的风险,保证回灌工程更为长久地运行。     

饱和砂土流固耦合细观数值模型及其在液化分析中的应用

在饱和砂土连续力学模型的基础上,建立了一个饱和砂土固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,固相颗粒采用离散元的颗粒流理论模拟,液相流体通过求解平均Navier-stokes方程的计算流体动力学技术计算。该细观模型用二维渗流问题进行了验证,并将其应用于饱和砂土的液化分析。数值模拟结果显示,采用的模型可以描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动。液化分析表明：液化首先在试样的表层产生,接着向深部发展;而超孔隙水压力则从底部开始消散,然后逐渐向上发展,直至完全消散。砂土液化过程中土体孔隙率不断变化,渗透系数也随之改变。     

级配不连续粗粒土渗透变形试验缩尺方法研究

目前,基于试样的干密度、抗剪强度、变形特性和渗透性等效,提出了各种粗粒土试验超粒径颗粒缩尺方法,但对渗透变形试验中超粒径颗粒的处理并没有明确说明。通过采用不同缩尺方法对具有不同渗透稳定性的级配不连续型粗粒土进行渗透变形试验,并与原级配土的试验结果进行对照,分析了各类缩尺方法对渗透变形试验的适用性。结果表明:对于缺级粒径小于5 mm的级配不连续型土,等量替代法不影响粗料的绝对孔隙体积和细料填充程度,对管涌型和流土型土进行缩尺处理不改变试样的渗透破坏形式和水力条件;相似级配法因土体粒径的等比例减小使反映粗料孔隙尺寸的特征粒径D20相应变小,对管涌型土进行处理后渗透破坏形式转变为过渡型,流土型土的渗透破坏形式虽不会发生改变,但土颗粒离散程度的增大使相应的临界和破坏坡降明显降低;等量替代法能取得优于相似级配法的缩尺效果。