基于多物理场耦合的混凝土湿热变形数值模拟

为研究混凝土湿热耦合变形,基于混凝土微观组成结构特点,根据多物理场耦合作用和多孔介质湿热传输原理,建立了混凝土湿-热-力多物理场模型.并利用COMSOL数值仿真软件和提出的混凝土湿膨胀系数,在人机交互环境下,实现湿-热-力耦合数值求解.首先以Hundt试验为算例,验证了耦合模型和求解方法的可行性,然后利用该方法对某隧道混凝土湿热耦合变形进行了模拟计算.将多物理场耦合数值模拟结果与解析-有限元结合解法计算结果和现场光纤光栅监测结果对比表明,基于多物理场耦合的混凝土湿热耦合变形数值模拟更接近监测结果,更能反映实际物理过程且具备更好的通用性.     

多场耦合模拟技术在地热开采安全性评价中的应用

在地热特别是中深层地热长期采灌作业中,常常存在储层结构变化,甚至诱发地表变形破坏等安全问题。在地热开发的多个阶段需要开展开采安全性分析与评价研究。这些过程是典型的多场耦合过程,迫切需要多场耦合模型及数值模拟技术。本文介绍两个专用多场耦合评价工具,即水岩反应引起热储结构破坏的THC模拟器和采热诱发地面变形的THM模拟器,分析了两个模型的数学原理及其开发过程,并给出应用案例。     

渗流-应力-化学耦合作用下单裂隙渗透特性

针对深部岩石处在高地应力、高地温、高渗透水压力以及复杂的水化学环境之中,将发生极其复杂的温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合作用。在前人工作的基础上,深入分析了多物理场作用下裂隙岩体表面溶解和压力溶解的作用机理,并建立了描述渗流-应力-化学耦合作用的偏微分方程组,最后建立了裂隙的概化模型,利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件模拟了单裂隙在渗流-应力-化学作用下的耦合过程,并着重分析了裂隙渗透特性的变化规律。     

中国科学院武汉岩土力学研究所地热研究团队简介

正中国科学院武汉岩土力学研究所地热团队面向国家清洁能源需求,针对深部地热资源开发中的关键技术难题,特别是采热相关的深部岩体力学问题开展研究攻关。目前的主要工作包括新型EGS系统、热储性能评价、热储压裂激发技术以及诱发地震评价与防控等方面。在理论方法、实验装置和工程应用三个方面开展了工作,取得了一系列成果。提出了高温岩体裂隙换热系数及其测定方法,开发了井筒注采分析设计方法及软件,开发的地热多场耦合模拟器TOUGH2-WellPC-BIOT3D,可模拟评价地热井筒-储层耦     

垃圾填埋气体资源化利用过程中多场耦合问题

填埋气体通过孔隙(或裂隙)介质向外界迁移和释放的过程是一个复杂的动力学过程,其运移受到周围环境的温度场、水分场和应力场变化的影响.总结了国内外对填埋气体资源化利用过程中的研究动态及其存在的问题,对多场耦合理论在填埋气体运移过程中的应用进行分析,研究结果表明填埋介质中气体的渗流促成了内部热能以对流的方式发生转移,导致了填埋体内温度场再分布;填埋体内温度场的变化,改变了填埋体的热物理性能及结构特征的变化,从而将会影响气体的渗流特性,即应力场和渗流场发生改变.同时,对下一步需要研究的问题提出了建议.     

裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

煤田火区发展演化的多场耦合作用过程

 针对煤田火区发展演化多场耦合作用过程,分析了热-流-固耦合机理及不同时期煤体燃烧状态及产物。揭示了煤田火区发展演化是由煤氧复合化学反应而放热升温,产生热应力及烧空区致使上覆岩层失稳塌陷,形成煤岩体裂隙网络产生裂隙场,从而为氧气及燃烧产物对流循环提供通道,进一步促使火区向深部扩展延伸的灾变机理。因此,煤田火区温度场、裂隙应力场、渗流场及化学场之间的耦合作用是加速煤体燃烧的非线性动力循环过程。     

加热炉直段炉管与管内外流体多场耦合分析

加热炉炉管、炉管内外流体以及筒体构成了一个复杂的多场耦合系统,研究具有一定的难度。现开展加热炉炉管多场耦合分析,为验证多场耦合分析方法的正确性,对共轭传热分析及热应力分析进行了验证计算,结果误差均在10%左右。采用小变形和耦合传热理论,考虑流、固、热三者之间的相互影响,以及流体动力学特性和载荷非线性特性,利用ANSYS、CFX软件,实现了加热炉炉管多场耦合数值模拟,并校核炉管强度。     

多场耦合模拟技术及其在地热开采安全性评价中的应用

在地热特别是中深层地热长期采灌作业中,常常存在储层结构变化,甚至诱发地表变形破坏等安全问题。在地热开发的多个阶段需要开展开采安全性分析与评价研究。这些过程是典型的多场耦合过程,迫切需要多场耦合模型及数值模拟技术。本文介绍两个专用多场耦合评价工具,即水岩反应引起热储结构破坏的THC模拟器和采热诱发地面变形的THM模拟器,分析了两个模型的数学原理及其开发过程,并给出应用案例。     

FRACOD模拟裂纹扩展液-力耦合模块的研发及工程应用

核废料储存、地热开发等岩体施工过程中经常遇到液-力耦合(H-M)问题,给安全施工带来了巨大挑战。开展液-力耦合相关模拟问题的研究对岩体工程领域发展具有一定的现实指导意义与参考价值。FRACOD软件中的H-M耦合采用位移不连续法计算裂隙的变形和张度、用立方定律等方法依次对相邻裂隙单元之间流量、水压进行计算,再通过力学部分及液体流动部分的动态时步迭代循环,进而获得最终岩体破裂状态。为进一步验证FRACOD中液-力耦合模块的模拟效果,以地热开发中水力压裂及节理岩体中裂纹传播过程为例进行分析。模拟结果表明,在高应力环境中,天然裂隙岩体在水压及原岩应力共同作用下发生了明显的剪切滑移,受裂纹剪切的影响天然裂隙的水力孔径增加了80%,裂隙内部流体流动明显增强;在液-力耦合作用下,液体驱动的裂纹与岩石节理贯通且贯通后的节理继续向最大主应力方向扩展,模型结果直观地展现了耦合裂纹的起裂、扩展和贯通全过程以及应力场、声发射等物理场信息的分布规律。FRACOD中液-力耦合模块的开发,可成为研究岩体液-力耦合问题的工具,进而为岩体工程领域提供一种新的模拟方法和手段。     

干热岩水力压裂实验室模拟研究

 地壳中干热岩所蕴含的地热能量巨大,已成为世界各国重点研究开发的新能源。干热岩资源开发的增强型地热工程的场地试验研究投资大、周期长、风险大,在现场压裂和人工热储层建造示范工程前,实施干热岩水力压裂实验室研究很有必要。为此,吉林大学深部地热和干热岩研究团队建设了大尺寸高温高压下干热岩水力压裂实验室模拟系统,为现场压裂工艺设计和储层改造提供参数和技术支持。本文介绍模拟系统的实验设备、实验条件和初步的实验研究成果。     

致密气藏多级压裂水平井生产动态机理分析

为准确预测致密气藏多级压裂水平井在非线性渗流和复杂裂缝下的生产动态特征,通过双重连续介质-离散裂缝耦合模型对原始致密储层和水力压裂裂缝系统流动特征进行刻画并构建综合渗流数学模型,采用非结构三维四面体网格和控制体积-有限元方法建立全隐式数值模型,并通过修正Peaceman方法建立复杂压裂水平井数值井模型,从而获得准确的数值解。开展含水饱和度、应力敏感系数、压裂裂缝压开程度和空间非对称分布等关键参数对X致密气藏某区块压裂水平井生产动态的影响因素分析。研究表明,该模拟方法能准确预测致密气藏压裂水平井生产动态特征,为致密气藏的高效开发提供理论支撑和计算工具。     

增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。     

缝洞型油藏拟颗粒法多尺度流动模拟

缝洞型油藏储集空间类型多样,且尺度差异非常大,储层中多种流动状态共存,既有孔隙渗流,又有溶洞自由
流,属典型的多尺度多相复杂流动,物理仿真实验及常规数值模拟难以准确地描述此类油藏流动特征。基于拟颗粒方
法建立油水两相流动多尺度离散计算模型,利用其在界面追踪上的优势,通过在两相界面处引入一种斥力的方式实现
表面张力模拟,建立了表面张力模型,实现了缝洞型油藏的油水流动模拟,并通过理论分析及与实验现象对比的方法,
验证了模型的正确性。结果表明：该方法能够在不同尺度上刻画此类油藏油水流动特征,可以取代室内物理仿真实
验,确定不同缝洞组合类型下的剩余油分布情况,能够进行宏观油藏模拟,为此类油藏的高效开发奠定基础。     

城市交通网络的渗流力学模型

将城市交通网络中的交通流视为多孔介质网络中的渗流，利用裂隙介质中多相渗流力学理论，考虑人流和车流之间的相互作用以及道路通行能力的不同，建立了城市交通网络通行能力计算的渗流力学模型，该模型的计算可以借助渗流力学的现有知识进行，可以通过计算得到不同时刻城市交通网络的交通流分布以及城市交通网络的宏观通行能力。从而为城市交通规划理论提供了一个全新的方法。     

裂缝性油藏注气提高采收率技术进展

注气可以维持裂缝性储层的地层压力,并提高驱油效率。阐述了世界裂缝性油藏注气提高原油采收率（EOR）技术的发展概况,分析和讨论了裂缝性储层注气开采特征、室内实验研究及理论研究技术现状。指出,储层中裂缝发育方向和程度严重影响注气驱替效果;气驱突破速度未必比水驱突破快;气驱波及范围有可能比水驱波及范围广。多孔介质将影响流体相态、油气混相性及气驱油机理,建议加强考虑双重介质特性的注气驱相关室内实验研究和混相理论研究。     

裂缝性储层属性分析与随机模拟

与常规储层相比,裂缝的存在致使裂缝性储层非均质性增强,如何全面、准确地定量描述裂缝网络成为细致刻画这类储集层的关键。合理整合相关裂缝信息数据,运用最优概率分布函数对裂缝属性特征进行统计和空间分析,结合区域地质背景和研究目的,选择最佳理论模型是裂缝性储层建模的基本思想。依据这一原则对裂缝性储层随机模拟的方法进行了综合分析,认为：（1） 非线性分析方法能够最大限度减小不同数据源、不同尺度数据整合所产生的误差,综合分析的裂缝数据较为理想;（2） 运用圆周统计、人工智能分析裂缝属性能够获得较为合理的结论;（3） 复合模型既能表现裂缝离散性特征,又能体现裂缝聚类的连续性效果,能较好地表征裂缝性储层特点。但裂缝发育的复杂性决定了裂缝储层建模还需综合不同学科、运用多种方法和手段进行深入的探讨和研究。     

体积压裂裂缝分布扩展规律及压裂效果分析—以鄂尔多斯盆地苏53区块为例

体积压裂技术为致密砂岩气藏大规模经济有效开发提供了新的途径。为了分析裂缝在体积改造中的分布和扩展规律,基于鄂尔多斯盆地苏53区块储层特征和渗流-应力耦合理论,采用RFPA-flow软件建立了储集层砂岩体的流固耦合模型,模拟分析了引导裂纹、天然裂缝、围压对体积压裂中裂缝扩展的影响。然后通过对比区块内体积压裂井、普通压裂井和未压裂井的实施效果,体现出体积压裂在致密砂岩气藏开发中的明显优势。     

天然气水合物非成岩出砂储层砂流数值模拟

天然气水合物(可燃冰)作为新兴洁净能源,受到全世界的重视,由中国地质调查局组织实施的中国海域天然气水合物第二轮试采取得成功,并超额完成目标任务.当前,中外天然气水合物模拟器开发和相关研究虽然有通过力学耦合描述"砂"的行为,但大部分都没有涉及"砂"的流动过程.针对天然气水合物分解后,储层多孔介质中"砂"流动过程的数值模拟,通过通用储层渗流模拟器GPSFLOW,实现水、气(甲烷)、砂三相三组分模拟,把砂当做一种非牛顿流体,即为一组分也是一个相态,按宾汉流体进行模拟,初步探讨砂流过程模拟的理论方法和模型实现方案,并通过理想模型进行验证.结果表明:相较于其他出砂数值模拟研究方法,提出的砂流模拟方法简单高效,能够有效地模拟砂流过程,后续通过耦合水合物开采渗流模型,有望实现对水合物开采过程中砂流的准确模拟.