多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

非等温情况下煤层瓦斯流动规律的研究

论文较详细地论述了煤层瓦斯吸附解吸机理和在不同孔隙裂隙下,煤层瓦斯储运形态。通过实验得出了温度变化情况下煤层瓦斯吸附解吸规律。根据渗流力学、岩石力学、传热学等,建立起煤层温度场、瓦斯渗流场及煤岩变形场三场耦合的数学模型,并给出其数值解法。从而建立起较为完善的煤和瓦斯固流耦合理论,使瓦斯流动理论的研究更接进实际。分析了煤矿开采过程中煤层温度变化原因,并根据所建立的数学模型及其数值解法,对考虑温度情况下,煤体应力状态进行数值模拟,并与等温情况下的计算结果进行了比较,为利用温度梯度变化预测煤和瓦斯突出…     

复杂应力环境下单节理岩体渗流-应力耦合特性研究

实际工程岩体在三向不等压主应力作用下渗流-应力耦合特性是目前学术界和工程界尚不明确的一个关键点.首先通过合理的理论分析与公式推导,给出了可描述三向主应力作用下无充填节理内渗流-应力耦合特性的理论公式;利用室内岩石真三轴渗流-应力耦合试验,验证了上述理论公式的可行性;通过基于全局优化算法的非线性拟合软件,结合试验数据给出了可信度较高的渗流-应力耦合特性经验公式;采用三维块体离散元方法开展数值试验,探讨了节理法向刚度参数取值方法的差异性,在合理赋值情况下验证了渗流-应力耦合特性经验公式的合理性;基于室内真三轴应力-渗流耦合试验、非线性数据拟合与离散元数值试验的系统研究结果证明了理论分析的准确性.     

不同温度下含瓦斯煤岩体的多场耦合数值模拟

考虑地温变化对煤矿深部开采岩石变形破坏的影响,利用COMSOL软件建立含瓦斯煤岩体热-流-固耦合数值模型,并对掘进面进行数值模拟,研究不同温度条件下瓦斯压力、瓦斯渗流速度、煤岩体位移的变化情况。结果表明:温度变化不大的情况下,掘进工作面的瓦斯浓度随温度变化不明显;煤壁工作面附近的瓦斯压力梯度增大。其他条件不变的情况下,随着温度升高,渗流速度不会发生明显变化。该研究为含瓦斯煤岩体动力灾害预测提供了参考。     

基于流固耦合的含水合物地层井壁稳定非稳态解析模型

针对深海水合物地层钻井过程中的井壁稳定问题,考虑水合物分解、热传导、力场-渗流场全耦合作用,建立了过压和欠压钻井下渗流、温度、力场随时间和空间变化的非稳态解析模型。解析结果与相同条件下的数值结果吻合良好,且与力场-渗流半耦合解析结果进行了对比。基于解析模型对井壁稳定的关键参数如钻井液压力、水合物分解引起的地层弹性模量劣化程度等进行了分析,结果表明：①与半耦合分析结果相比,考虑体变对渗流的影响后,过（欠）压钻井时孔压减小（增大）、应力增大（减小）,增量径向位移减小;②最危险位置在井壁处,过高或过低的钻井液压力均会导致井壁失稳,水合物分解引起的地层劣化将降低最安全钻井液压力;③水合物分解引起的地层刚度降低极易诱发井壁失稳。在通常条件下,过压钻井时分解域弹性模量降低50%即可导致井壁失稳。     

气体钻井地层出水定量预测模型研究

气体钻井地层出水定量准确预测是气体钻井可行性钻前论证的关键。目前,已有的出水量预测方法较少考虑气体钻井井底压差下地层渗流过程与地层应力变化的流固耦合作用对出水量的影响,在渗流力学和岩石力学的基础上,综合考虑地层渗流过程与岩石应力变化的流耦合作用对地层应力、孔隙度、渗透率以及孔隙压力的影响,建立气体钻井孔隙性地层和孔隙-裂缝性地层出水量预测动态流固耦合模型。结合工程实际,通过该模型计算得到气体钻井快速钻穿水层后出水量随时间的变化关系,计算结果与现场监测吻合。研究对于钻前准确预测出水量和筛选气体钻井层位具有重要意义。     

基于弹塑性损伤的软煤水压致裂渗流耦合数值模型

为指导煤矿井下软煤水压致裂的现场应用,基于弹塑性损伤理论进行软煤水压致裂渗流耦合数值模型研究。通过研究煤岩体孔隙度动态变化,推导出孔隙度-应变耦合模型,形成水压致裂的应力-渗流耦合模型和水压致裂煤体失效判据。结果表明,数值模拟结果与实际相符,软煤在压裂过程中同时发生剪切和拉伸破坏,小流量压裂时压裂半径小,大流量压裂时压裂半径大,同时出现了压裂范围在倾向方向大于走向方向的特征。软煤水压致裂的损伤过程与硬煤有较大区别,硬煤因裂缝长度扩展更快而压裂范围大于软煤,煤矿井下压裂后的半径考察结果与数值模拟预测结果相符。     

注采生产诱导应力张量计算模型

考虑损伤的各向异性定义了张量型损伤变量,综合考虑温度-渗流-应力-损伤耦合对岩体的影响,求解应力平衡方程推导出损伤区注采生产诱导应力计算模型.根据热力学原理,求解岩石的热弹性物理方程得到弹性区注采生产诱导应力计算模型.模型中张量损伤变量从孔隙度变化的微细观角度描述了损伤特性,文中所揭示的规律为注采生产诱导应力计算找到了新的理论和方法,对生产有积极的指导意义.     

深基坑降水与地面沉降变形三维耦合数值模拟

以比奥固结理论为基础，考虑土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化，将地下水渗流场和土体应力场进行耦合，建立了深基坑降水与地面沉降变形的水土全耦合三维数学模型，并采用三维有限元数值分析方法，以上海市环球金融中心深基坑降水为例，模拟预测了基坑中心水位降至标高-23．4m时基坑周围地下水渗流场与地面沉降变形场的分布特征．结果表明，该模型稳定性好，收敛速度快，能模拟复杂三维地质体和整个基坑降水工程的结构。     

基于数值模拟的不同工作面宽度下开采煤层底板流固耦合破坏规律研究

随着煤矿开采业的迅速发展及规模的不断扩大,采煤工作面的宽度越来越宽。采用数值模拟的方法,综合考虑地质构造,煤层开采,矿山压力,含水层水压力等因素,从渗流与应力耦合作用的角度入手建立了底板含水层均布水压流固耦合模型。运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对采动工作面底板进行数值模拟,分析了不同工作面宽度下采动煤层底板应力分布状态以及破坏特征和渗流特性。重点模拟工作面推进过程中不同工作面宽度下底板的变形,破坏区域,导升带高度变化情况,得出在进行采矿活动过程中,要在综合考虑多种因素前提下,选取合理的工作面宽度,以保证安全开采的结论。     

致密砂岩气井气水两相产能预测半解析模型

致密砂岩气井产能预测受气水两相流特征和裂缝渗流参数影响大,相比于数值模拟,基于解析模型的产能预测计算快、应用较广,但传统的解析模型在处理两相渗流方程非线性问题时简化过大,造成动态分析结果误差较大。针对这一问题,本文考虑了储层和裂缝中的气水两相流动特征,利用三线性流模型表征压裂缝及储层应力敏感性,建立了致密砂岩气井气水两相产能预测模型。将流动物质平衡方程与牛顿迭代法结合,利用平均地层压力逐步更新渗流模型非线性参数,并通过逐次迭代将气水两相模型线性化,获得了模型的半解析解。通过与商业数值模拟软件结果对比以及矿场实例应用验证了模型的准确性,并绘制了气水两相产能预测曲线,分析了敏感性参数对产能的影响规律。研究结果表明,所建立的半解析求解方法能够高效地处理气水两相非线性渗流问题,快速准确地获取致密气井产能预测曲线;致密储层产水严重影响了气井产能,合理的裂缝参数对提高气井产能至关重要;气藏开发过程中应合理控制生产压差,降低应力敏感效应对致密气井产能的影响。     

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。     

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。     

考虑渗流应力耦合的地基变形分析(英文)

数值解析方法作为地下构筑物变形分析的重要手段,可提供工程设计和性能评价的可靠依据.为提出一种可用于分析软土及改良土体的强度与变形的有限元计算方法,基于一种可反映软土应力-应变关系并能够考虑固结粘土中应力引起的各向异性的弹塑性本构模型,结合分析土体变形中渗流-应力耦合的作用,采用有限单元计算方法,对软土及改良土体进行变形分析.同时结合工程实际,采用此方法对加固后的坝基进行沉降分析,并把分析结果与监测结果进行比较,表明所提出的方法可较好地分析地基变形情况.     

考虑渗流应力耦合作用的深基坑开挖变形研究

基于土体渗流应力耦合效应及本构理论,针对某场地地下水埋深较浅、粉质黏土和粘土分布较厚的深基坑工程建立了相应开挖支护三维有限元模型.通过室内试验测定了基坑土体的修正剑桥本构关系参数并将修正剑桥本构关系应用于基坑开挖支护的数值模拟分析中.分别研究了基坑开挖过程中有无渗流-应力耦合效应的基坑整体变形、支护结构位移、坑外地表沉降及坑底回弹情况.研究结果表明:1含水粉质黏土和粘土采用修正剑桥本构关系较合适;2考虑渗流应力耦合作用时基坑支护结构水平位移、坑外地表沉降及坑底回弹量分别是未考虑渗流应力耦合作用时的0.57倍、0.07倍、0.59倍,基坑开挖变形应充分考虑渗流应力耦合作用;3坑底超前降水能显著减小坑底隆起.     

基于近场动力学与有限体积法耦合的裂隙岩体渗流模拟

考虑在不降低求解精度的情况下有效地减少计算量,基于有效应力原理提出了一种有限体积法与近场动力学耦合的方法来模拟饱和孔隙裂隙介质中水力裂缝扩展问题。首先,通过多孔介质渗流模拟算例验证了所提方法的有效性;其次,通过几个数值算例进一步验证了该方法在流体驱动下模拟饱和裂隙孔隙介质中裂纹扩展的能力和主要特点;最后,通过对5个工况的模拟,展现了围压差对水力压裂裂缝扩展具有诱导作用的现象。同时,将该耦合方法的数值模拟结果与其他数值、解析结果或试验结果相对比,进一步说明所提出的耦合方法能够有效模拟岩石流固耦合的力学扩展破裂过程。     

承压含水层非稳定渗流耦合问题的研究

基于岩石力学与渗流力学理论,建立了承压含水层中应力与渗流耦合问题的力学模型, 研究了渗流与应力的耦合规律,对承压含水层中孔隙压力分布在耦合与非耦合气相的条件下分布规律进行数值模拟,并给出了实现耦合分析有限元方法,最后通过算例检验了耦合分析的有效性和实用性。     

层状坝基岩体的深层抗滑稳定分析

通过对层状坝基岩体渗流机理及其数学模型的分析,结合作者以前提出的坝基岩体应力分析的块体单元法,建立了对层状坝基岩体的深层抗滑稳定进行渗流场与应力场耦合分析的数学模型及数值方法.结果表明,所建立的模型和方法,具有对层状坝基岩体渗流问题的考虑更为合理,分析计算的结果更为准确等特点,对类似工程实际问题的解决具有较好的应用和参考价值.     

温度作用下填埋垃圾气体运移规律的研究

温度对填埋气体在多孔介质中的储存和释放过程有着重要影响。基于多孔介质渗流力学-热力学理论，考虑气体密度随压力变化影响条件下，建立了垃圾填埋垃圾气体运移过程的耦合动力学数学模型。并采用特征线有限元方法对数学模型进行离散。该数值模型可为预测和预报污染物在土壤中的扩散状况以及污染气体的排放和收集、防止二次污染提供了可靠的理论依据。．     

涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究

航空发动机涡轮导向叶片热冲击过程是一个典型的固体变形场、温度场和流场三场耦合作用问题,工况复杂。基于流固热耦合理论,求解一维平板模型热弹性解析解;并进行数值模拟和对比分析,验证了双向耦合方法的有效性。应用建立的双向耦合方法对某涡轮导向叶片热冲击过程进行数值模拟,得到了涡轮导向叶片表面温度及热应力分布规律。研究表明,提出的双向耦合方法可以有效地预测涡轮导向叶片的温度及应力分布规律,计算温度与试验误差小于5%;应力集中处与试验中叶片破坏区域一致。研究对航空发动机涡轮叶片热冲击过程数值模拟提供了有效方法。