页岩气渗流机理研究进展及发展趋势

页岩气在复杂孔渗空间的流动属典型的多尺度多场耦合流动。开展页岩气渗流机理研究,有助于揭示页岩气藏中流体运移机制,为后期建立数学模型、开展数值模拟研究及产能评价与预测奠定理论基础。在调研国内外相关文献的基础上,并结合近期已开展的工作,从页岩孔隙结构特征、吸附解吸规律、含气量测试、应力敏感性、储层流体运移等实验内容以及分子动力学方法、直接蒙特卡洛方法和格子Boltzmann方法等微观流动机理模拟方法两方面进行归纳总结,阐述了页岩气渗流机理的研究进展,指出气体吸附程度对渗流规律的影响研究、页岩气多尺度介质流动机理实验评价装置研制、页岩气藏气水两相流动实验与理论研究是未来的发展方向。     

页岩储层中气体多机理耦合渗流研究

页岩储层中有纳米孔、微米孔、微裂隙、人工裂缝等储集空间和运移通道,多尺度的孔隙结构使气体具有扩散、滑脱、达西渗流等多种流动形式。当储层压力、温度、应力改变时,赋存气体的运动状态、孔隙结构会发生改变,使渗流复杂化。利用毛管束模型和平板模型,分别讨论了扩散、吸附、应力解吸对页岩中气体渗流的影响。研究表明:1当温度一定时,在低压小孔隙中,气体的扩散主要是Kudsen扩散;当压力和孔径变大时,则以Fick扩散为主;2在低压小孔隙储层中,扩散对渗流影响不可忽略;但当压力和孔径达到一定值后,可以忽略扩散的影响;3滑脱对气体渗流的影响程度与压力和孔隙尺度有关;4吸附会减小孔隙直径,影响气体渗流,孔隙越小,吸附对渗流的影响越严重;5随有效应力的增加,页岩渗透率降低;页岩中裂缝越多,渗透率降低越显著;气体解吸后页岩的渗透率变大。     

煤岩灾变过程应力场-损伤场-渗流场耦合效应数值模拟

为了揭示采动下煤岩灾变过程损伤-渗流诱发煤与瓦斯突出的灾变机制,基于含瓦斯煤岩破裂过程气固耦合理论,运用真实破裂过程分析RFPA2D系统中的GasFlow模块,模拟了采动过程中煤岩突出多场耦合效应与瓦斯卸压抽放渗流规律,研究了煤岩层中应力状态的变化及裂隙演化过程对透气性的影响.模拟结果表明:随着开采的进行,在扰动应力场和瓦斯压力的共同作用下,工作面与邻近高压瓦斯区之间的煤岩出现了裂纹萌生、扩展与最终贯通的演化过程;并且裂纹导通后,工作面与邻近高压瓦斯区之间煤岩的透气系数显著增大,其大小可能是贯通前的数倍.上述结果验证了采动下煤岩突出灾变过程的应力场-损伤场-瓦斯渗流场耦合效应,为采取合理的卸压消突或瓦斯抽放措施提供了一定的理论依据.     

页岩气藏压裂水平井线性耦合渗流模型研究

为研究页岩基质孔隙中气体低速流动时启动压力梯度对试井的影响、解决页岩气复杂流动机理耦合的困难,提出了一种新的圆柱状三重孔隙页岩基质模型,并与五线性渗流模型结合,建立了表征气体流动过程的多级压裂水平井线性耦合渗流模型;应用Laplace变换、Green函数等方法得到模型的解,利用Stehfest数值反演算法计算并绘制了气井无因次拟压力响应曲线并进行敏感性分析。结果表明,基于新模型的压力响应曲线可划分为七个流动阶段;启动压力梯度主要影响曲线的中晚期阶段,若启动压力梯度越大,则渗流阻力越大、拟压力及其导数值越大;基质渗透率越小,则基质向裂缝系统窜流越困难、边界控制流动阶段发生时间越晚。     

煤炭地下气化干馏气渗流运动多场耦合数值模拟

基于传热，渗流力学及弹塑性力学理论，建立了气化煤体温度场，干馏气渗流场和煤体变形场耦合数学模型，研究发现，在煤炭地下气化过程中，因高温条件，煤体的物理力学参数不再是一个常数，而变为温度的函数，为了提高数值模型的精度，对相关的物理力学参数进行了标准化热趋势研究，根据有限元法原理，介绍了其耦合求解方法，并结合计算实例，对计算结果进行了分析，根据计算结果，非等温度条件下干馏气压实测值和模拟值之间的拟合情况明显好于等温条件下的拟合情况，且实测值高于理论值，计算值和实测值的一致性表明，对气化盘区温度场，渗流场及应力场的数值模拟是正确的。     

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.     

页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价

为了掌握页岩气藏生产动态特征,提高页岩气井产能,对页岩气藏渗流机理及产能评价进行研究.页岩气藏与常规气藏最主要的差异在于页岩气藏存在吸附解吸特性.利用Lang-muir等温吸附方程描述页岩气的吸附解吸现象,点源函数及质量守恒法,结合页岩气渗流特征建立双重介质压裂井渗流数学模型,通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线图版.分析了Langmuir体积、Langmuir压力、弹性储容比、窜流系数、边界、裂缝长度等因素对页岩气井产能的影响.     

裂隙岩体渗流场与损伤场耦合模型研究

基于能量互易定理并考虑裂隙扩展过程中的能量转换和裂隙扩展过程中的相互作用，探讨了裂隙岩体在复杂应力状态下本构关系与损伤演化方程，给出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系，从而建立了多裂隙岩体渗流场与损伤场耦合分析模型，在此基础上，对三峡永久船闸高边坡稳定性进行分析，结果表明，左边坡相对于右边坡有更大的损伤演化区，应适当考虑左边坡的锚固和防渗措施。     

多物理场耦合仿真对流在微波加热中的作用机理研究

微波炉加热水或者牛奶等液态食物时,在温度横向分布向不均匀的同时会出现比较明显的纵向不均匀,其特点是上部的温度高于底部温度,最终导致微波加热不充分.为了分析温度纵向不均匀性产生的作用机理,以进一步提高加热效果,本文使用了多物理场仿真软件,模拟了微波与常规电热器等底部加热方式加热一杯水时温度变化的情况.通过分析对流现象对电场与温度分布的影响,我们发现：由于微波加热的不均匀导致对流只发生在局部区域,无法形成类似于电热器底部加热方式中自下而上的对流,最终导致了温度分层的现象.     

岩体渗流场与应力场耦合理论研究成果

重大工程灾害和地质灾害大多是固－液耦合作用引起的，岩土体与水流（特别是地下水流）相互作用的机制、过程、关系以及非线性动力学模型，是解决这一问题的关键。仵颜卿承担的国家自然科学基金资助项目（４９５７２１６２）“水－岩非线性动力学模型研究”，陕西省自然科学计划研究资助项目“岩体裂隙网络系统动力学模型研究”等，深入研究了岩石力学与渗流力学交叉科学——岩体水力学的问题，运用地质调查、室内试验和力学分析相结合的方法，分析了岩体中渗流场与应力场的相互作用，提出了岩体渗流与应力相互作用的新理论，充实了岩体水力…     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

直线导轨渐进感应淬火过程多物理场耦合分析

基于ANSYS软件构建了直线导轨渐进感应淬火过程的三维有限元模型,并对感应淬火过程进行了"电-磁-热-机"及相变过程的多物理场耦合分析.通过自主开发的用户子程序,基于非等温JMA方程计算导轨表面在感应加热过程中生成的奥氏体体积分数;基于K-M模型计算冷却过程中生成的马氏体体积分数;基于相变初应变模型计算感应淬火过程中由...     

含瓦斯煤体内多场耦合及损伤断裂机理

为了揭示含瓦斯煤体内应力场-瓦斯场-裂隙场三场之间的耦合关系及其损伤断裂机理.运用弹性力学、损伤力学及瓦斯渗流理论,通过建立损伤变量,描述煤体在有效应力作用下裂隙场的变化,同时给出损伤变量对煤体内孔隙率的影响以及煤体受损伤后有效应力的变化方程;根据所建耦合方程,考虑煤体在应力场-瓦斯场-裂隙场耦合作用下煤体内的微小变形对煤体宏观性能的影响,给出了不同损伤情况下煤体内瓦斯压力的分布规律.揭示了多场耦合作用下煤体内大量微损伤积累通过跨尺度的非线性串级发展而诱发煤体的宏观灾变,并从能量角度给出了含瓦斯煤体的损伤断裂准则.     

坝区裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析

分析了裂隙岩体渗流场与应力场相互作用的实质,提出了渗流的渗透体积力、渗透压力以及对应力场的影响机理;采用有限元数值模拟的方法计算出渗流场影响下的应力场分布、应力场影响下的渗流场分布以及应力场和渗流场各自非耦合分布.以工程实例说明:在渗流作用力的影响下,坝基的各应力分量都增大,对坝基的稳定造成了不利影响.     

水库下伏采空区渗流场耦合模拟分析

基于扰动情况下岩体应力场与渗流场相互作用机理,确定了应力场环境下岩体渗流参数的计算公式以及耦合模型中渗透体积力的加载方程,采用有限元分析软件ANSYS,运用物理环境耦合方法,介绍了水库下伏扰动岩体渗流场模拟分析的方法及流程,并对某库区下伏岩体渗流场进行了模拟分析,通过对该库区下伏采空区渗流场进行分析,对库区及采空区提出了处理建议.     

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.     

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。     

悬挂式惯性振动设备多场耦合瞬态过程分析

为了研究悬挂式振动设备启动瞬态共振的产生机理与抑制方法,提出了考虑几何非线性的轴向受力横向大变形柔性吊杆梁模型,并基于异步电机瞬态过程理论,对悬挂式振动设备启动多场耦合瞬态过程进行了数值模拟。采用非线性弹性理论和Euler-Bernoulli梁理论建立了非线性柔性吊杆梁力学模型并进行了数值求解,得到了柔性吊杆自由端横向变形非线性弹性特性曲线。考虑异步电动机瞬态过程,建立了振动设备刚、柔、电启动瞬态过程多场耦合模型。数值仿真结果揭示了振动设备瞬态共振的产生机理和偏心距自调激振方式瞬态共振的抑制机理。在相同条件下,电磁转矩振荡衰减时间在原激振方式下约为0.5 s,在自调式激振方式下低于0.2 s;最大瞬态振幅在原激振方式下为133.89 mm,在自调式激振方式下为90.6 mm,瞬态共振得到了很好的抑制。     

急倾斜含瓦斯煤层THM多场耦合机理及应用

以揭示急倾斜含瓦斯煤层温度场(Thermal)、渗流场(Hydrological)及应力场(Mechanical)的耦合影响作用为目的,通过借助多物理场数值分析软件(COMSOL),建立急倾斜含瓦斯煤层THM多场耦合数值计算模型,计算得出单孔抽采瓦斯过程中急倾斜煤岩体渗透率、温度及瓦斯压力随时间变化关系,并依托现场瓦斯抽采实践,提出合理的急倾斜煤层瓦斯治理措施与建议。结果表明:单孔抽采过程中随着时间延长,抽采影响范围越大,瓦斯压力逐渐减小;随着瓦斯抽采钻孔深度增加,单孔内部瓦斯压力增大,但压力变化梯度逐渐减小,孔壁温度小于其附近煤体温度;依据单孔瓦斯抽采过程中煤岩体温度、压力及时间的非线性关系,制定了采空区埋管抽采、顶板走向高位钻孔抽采及卸压拦截抽采3种技术方案,工程应用效果显著。     

MPCCI在多物理场耦合计算中的应用

头锥结构在高速飞行状态下会产生气动热和结构传热问题,这是一种包含流场、结构场及温度场的多物理场耦合问题。在数值计算中,必须采用耦合计算的方法,才可以得到结构的准确温度和热变形情况,从而为结构设计工作做指导。本文采用松耦合策略,利用MPCCI软件,同时调用FLUENT和ABAQUS软件,以三维弹头结构为算例,计算得出了其在飞行状态下的外部流场特性,并对此弹头结构在不同飞行速度下的结构温升和热变形情况进行了对比研究,结果表明:飞行速度越大结构的温升越快,驻点的温度越高,结构热变形越大。