承压含水层地下水开采流固耦合渗流数学模型

以饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型为基础,推导建立了适合描述承压含水层地下水开采过程渗流与地面沉降耦合的二维数学模型。并给出了一承压含水层定产量开采的数值算例,计算得出了渗流场的分布特征和中心位置地面沉降量的变化规律,探讨了流固耦合效应。结果表明,考虑耦合效应与否对于计算结果影响较大,本文模型更能反映流固耦合渗流的物理实质。随着时间增长孔隙压力减小,孔隙压力消散的程度越来越快;含水层内部的流固耦合作用较强,而其边界处因受边界条件约束,耦合效应表现则不够明显。中心沉降量随时间增长而迅速增大,且很快趋于稳定,固结沉降速度之快,说明流固耦合效应影响之大。这对于进一步深入认识因地下水开采而诱发的地面沉降机理及制定相应的防治措施都有重要的理论意义和指导作用。     

采动岩体应变-渗流耦合效应与致灾机理分析

为了研究承压开采背景下顶板岩层破断和渗流规律的时空关系特征,在理论分析的基础上建立了基于有限元数值分析的等效连续介质流固耦合数学模型,嵌入了应变—渗透系数的耦合本构关系,应用于工程实践。得出采场围岩渗透性演化规律、含水层中孔隙压力演化规律及采动破坏区发育范围与渗透性增大区对比关系。研究结果表明:将岩体渗透性演化规律与岩体采动破坏区发展规律共同作为计算和设计防水煤柱的判据,更加符合现场实际;研究成果对厚松散层高承压含水层下安全高效开采具有指导意义。     

变形介质气藏渗流理论研究的发展及研究意义

变形介质气藏的开采过程是流固藕合渗流过程。常规气藏渗流理论由于没有考虑气藏开采过程中岩石骨架的变形,因此不能准确分析气藏中流体的运动状态。变形介质气藏渗流力学理论正为了解决这一问题而发展形成的。早期主要以研究储层岩石的孔隙度、渗透率与压力之间的关系为主要目的,引入有效应力概念后,建立了线弹性变形下的渗流模型,后又发展到考虑非线弹性变形和塑性变形下流固耦合渗流力学模型,到目前为止,已开始综合考虑渗流、应力和温度场三者之间的关系,并建立了相关的耦合模型。我国变形介质渗流力学理论的研究起步较晚,是在国外理论研究的基础上发展起来的,20世纪90年代以来,随着油气田开发理论的发展,许多国内学者开始对变形介质渗流力学理论进行了深入的研究,并取得了一些研究成果,对我国现阶段主要气藏的开发具有重要的指导作用。     

渗透性岩层介质油水两相渗流分析

准确模拟油藏中的流体流动过程,提示流体的分布规律,必须考虑由于注水和开采所引起的多相流体的渗流、应力状态的变化和储层变形之间的耦合作用。近年来引起中国学者的极大兴趣,成为油藏工程及相关领域研究的热点问题之一,基于岩石力学、渗流力学、地质力学、计算力学以及流固耦合渗流的基本理论,建立了多孔介质渗流场和应力场耦合的数学模型,采用有限元法进行了程序设计,通过数值模拟方法对渗透岩层介质井眼周围油水两相渗流规律进行了研究,用于解决实际工程问题。     

节理岩体的渗透系数与应变、应力的关系

根据岩体裂隙渗流实验成果，采用机械隙宽的概念并根据节理岩体的力学本构关系，导出了含一组或多组节理的岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系式，以一组节理为例，以 Ｚ为法线的节理等效渗透系数为：ｋｚ＝ｋ０ｚＤｉ（Ａｚεｚ＋１，（ｃτｚ·）２（式中Ａｚ、Ｃτｚ为εｚ、γｘｙ、γｙｚ的耦合作用系数，Ｄｉ、ｎｉ为与应力、应变有关的修正系数）。公式说明节理岩体的等效渗透系数是复杂应变的函数，并且受裂隙面几何形态、节理面力学参数、间距、隙宽、应力加载和卸载条件的影响，是复杂岩基在复杂应变条件下考虑力学－渗流耦合关系的一种新的探索。     

节理粗糙度对应力-渗流耦合特性影响试验研究

通过对3种不同粗糙度的人造节理试件进行压剪条件下的应力-渗流耦合特性试验,分析了剪切应力、法向位移、节理水力开度及透过率在剪切过程中随剪切位移变化的趋势和规律,获得了节理粗糙度对应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明:节理表面粗糙度是节理特性中对岩体力学和水力学性质有重要影响的指标之一,当节理面在开始产生较小的剪切位移时,节理的应力、位移和水力开度及透过率等特性会产生较大变化,而节理表面粗糙度越大,对节理应力-渗流耦合特性影响越明显。     

混凝土破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型

从基础理论方面研究混凝土材料渗流和应力的耦合作用机理,首先叙述了混凝土材料细观和宏观的联系,分析了混凝土的渗透特性以及耦合的基本概念.在经典Biot渗流力学基本方程的基础上,增加一个反映渗流系数和孔隙变化关系的耦合方程,并结合混凝土的弹性损伤本构方程,引入渗流突跳系数ξ这一概念,提出了复杂应力作用下混凝土损伤演化过程渗流-应力耦合方程.本模型通过渗流、应力和损伤的相互作用反映出材料的宏观复杂破坏现象和非线性行为.     

煤炭开发中相关渗流力学问题研究

煤碳是我国的主要能源,在能源消费结构中占居主导地位,煤岩体是一种典型的孔隙裂隙结构体,在煤炭资源开发的过程中涉及到一系列渗流力学问题.探讨了煤层中瓦斯渗流特征及其规律,分析了煤与瓦斯的流固耦合作用,介绍了煤与瓦斯突出的失稳判据;分析了煤矿生产过程中对地下水的污染,对酸性矿井水的水岩作用问题作了初步探讨,同时对煤矸石的环境效应也作了分析;随着煤层开采深度的增加,矿井热害越来越受到学者的重视,分析了矿井热害的形成机理及其影响因素.最后提出了煤层开采中渗流问题的研究方向.     

水平井流固耦合及井筒压降规律分析

为了预测水平井产能和检验井壁稳定性与储层变形、流体渗流及井筒压降的耦合作用密切关系,考虑了近井储层变形和径向渗流及井筒内变质量管流流动的相互作用,建立了耦合力学数学模型,并对其进行了数学解耦,推导出孔隙压力解析解,主要分析了反映储层变形的物理力学性质非线性程度对孔隙压力和径向渗流对水平井井筒压力降的影响规律。研究表明:储层物理力学性质的非线性程度越明显,孔隙压力消散得越慢;计算井筒压力降时,应考虑径向渗流对主流流动的影响,且径向渗流对井筒压力降变化有较大影响;储层变形、径向渗流和井筒压降之间的耦合效应与非耦合效应差别较大,在实际工程中,不应忽略耦合效应。     

水-气两相流在煤层中运移规律

在考虑煤层气溶于水的情况下，探讨了水—气两相流在煤层中的运移规律，建立了煤岩体为弹塑性小变形时煤岩变形场的数学模型，并应用多相渗流力学理论，建立了两相流渗流场模型：通过煤体骨架变形对流体渗流的影响和流体渗流对煤体变形的影响，将有效应力、孔隙流体压力分别引入到渗流物性参数中，实现了流固耦合的相互作用。     

岩体稳定分析中的渗流模型与各参数计算

应力与渗流耦合作用下岩体的变形和破坏特征,与岩体结构、岩体的力学性质、渗流场有关,结合边坡的稳定分析模型,研究合理分析计算岩体的力学参数、渗透系数张量的方法.利用岩体质量分类系统和塑性破坏准则估算裂隙岩体的力学参数,计算裂隙岩体的渗流系数,为岩体稳定分析奠定基础.     

煤层气非饱和流阶段非稳态流固耦合渗流的一维摄动解析解

煤层甲烷运移包含渗流场、变形场和应力场的动态耦合过程 ,考虑到渗流过程中水 气两相不溶混流体与固体耦合作用 ,建立了非饱和水流阶段非稳态渗流问题的流固耦合数学模型 ,对该强非线性数学模型采用摄动法及积分变换法进行解析求解 ,并讨论了其压力动态特征 ,分析了压力随饱和度S及时间t变化的情况和气相以及耦合作用的影响 .图 4,参 6 .     

基于N-S方程的储层渗流与孔眼管流耦合分析

为了实现储层渗流与孔眼管流全耦合模拟分析,应用多孔介质渗流力学、流固耦合理论,建立了应力作用下油藏流固耦合数学模型,依据流体动力学管流理论用Navier-Stokes方程控制井筒和孔眼中流体流动;采用多重物理量耦合分析软件COMSOL Multiphysic对所建的模型进行数值模拟分析,实现了对四个偏微分方程组的全耦合求解,对模拟结果的研究表明孔眼末端压降和应变最大,该处岩石容易失稳,模拟结果证明所建模型和求解方法是有效的。     

基于N-S方程的储层渗流与孔眼管流耦合分析

为了实现储层渗流与孔眼管流全耦合模拟分析,应用多孔介质渗流力学、流固耦合理论,建立了应力作用下油藏流固耦合数学模型.依据流体动力学管流理论用Navier-Stokes方程控制井筒和孔眼中流体流动;采用多重物理量耦合分析软件COMSOL Multiphysic对所建的模型进行数值模拟分析,实现了对四个偏微分方程组的全耦合求解,对模拟结果的研究表明孔眼末端压降和应变最大,该处岩石容易失稳,模拟结果证明所建模型和求解方法是有效的.     

地下工程渗流场与应力场耦合的相似材料模拟

针对工程岩体中存在的渗流场与应力场耦合问题,在研制固液耦合实验材料的基础上制作了固液两相相似材料模拟模型,通过地下煤炭开采中渗流场与应力场耦合的相似材料模拟,得到了水在工程破坏岩体中的渗流以及岩体在渗流场作用下的破坏规律,确定了上湾保水采煤工作面的合理推进距离及基岩保护层的厚度。实验得出的结论和现场实践所取得的结论一致,进一步证实了实验的可靠性,这一实验的成功为以后研究渗流场与应力场的耦合开辟了新的途径。     

深地层掩埋核废料过程中相关动力学问题

在充分考虑水的扩散,热梯度和热膨胀应力的基础上,从理论上分析了核废料深地层掩埋过程中温度场、应力场、渗流场三场相互影响、相互作用的力学机理,并提出了在这三场耦合作用下新的数学模型。并针对核废料处置安全性评价中需要进一步解决的问题提出如下几点建议,为深地层掩埋核废料过程中环境评价提供了基础理论依据。     

多场耦合下大体积混凝土初次蓄水的温度应力问题研究

在大体积混凝土坝初次蓄水时,温度较低的库水必然会对坝体温度场产生较明显的影响,从而影响坝体的变形,甚至产生温度裂缝.为分析大体积混凝土初次蓄水的温度应力,本文将混凝土类多孔介质视为连续介质,综合运用水力学、热学和固体力学等基本理论,根据动量守恒、质量守恒和能量守恒方程建立了以位移、孔隙水压力、孔隙气压力、温度和孔隙率为未知量的多场耦合数学模型,在此基础上编制了有限元计算程序,并对大体积碾压混凝土块的渗流场、温度场和应力场进行了耦合分析,结果表明,考虑耦合后块体温降幅度及温度大主应力均较不考虑耦合条件下大.     

饱和砂层渗流冻结水热耦合模型与试验验证

为研究渗流作用下饱和砂层冻结规律,根据冻结过程中土体水分迁移及热量变化、热力学和渗流力学的基本理论,并考虑冻结过程中绝对孔隙率的降低对渗流的影响,基于Harlan水热耦合模型,建立了饱和砂层含相变全参数渗流冻结耦合数学模型,并应用COMSOL有限元软件与MATLAB编程,实现了耦合数学模型的数值求解。设计了相似模型试验验证了该模型及方法的合理性。研究结果表明:数值模拟结果与试验结果较为吻合,数学模型与求解方法合理、有效,为今后渗流地层冻结的拓展研究提供可靠数学与试验基础。     

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。