基于阿尔奇定律的双重介质模型溶质运移试验研究

【目的】由于天然孔隙介质中存在物理化学非均质性,在这种复杂的非均质性含水层中,以往的现场试验数据显示溶质在非均质介质运移过程中无法用菲克扩散定律对流弥散方程(Advection-Dispersion Equation,ADE)来描述。本研究采用高密度电法证实溶质在非均质介质中非菲克运移。【方法】本研究采用石英砂、沸石两种不同基质构建双重介质物理模型(Models of Dual-Domain Mass Transfer,DDMT),采用高密度电法测定系统ERT21实时检测和采集数据,在实验室利用Nacl溶液开展示踪试验,利用阿尔奇定律分析溶质运移试验研究。【结果】试验结果浓度穿透曲线在后期发生“拖尾”现象;在沸石柱实验中,观察到流体电导率(σ_(f))和体积电导率(σ_(b))之间的滞后现象,这表明流体在不可动领域和可动领域之间的交换。而在沙子柱试验中,未观察到σ_(f)和σ_(b)之间的滞后现象,可以忽略质量传递行为;滞后现象的形状与大小由水动力学特征和基质属性控制,水动力学是影响拖尾时长的因素之一,渗透系数会影响溶质运移的过程。【结论】通过试验观察和地球物理数据分析,直接量化了实验室尺度下的异常质量传递行为,通过地球物理方法测量的导电率(σ_(b))对于移动和不动领域都具有敏感性,从而提供了与标准采样方法相比的独特优势。

岩土破损力学与双重介质模型

建议了一种新的岩土材料力学分析理论—岩土破损力学,并将岩土材料抽象为由结构块和结构带组成的双重介质材料.通过两个具体的双重介质模型说明该理论能解释许多结构性岩土材料所特有的力学现象.

用似双重介质模型进行岩体应力与渗流耦合分析

将宏观裂隙按裂隙渗流模型分析,微观和细观裂隙按等效连续介质模型处理,给出了一种非线形耦合分析模型———似双重介质模型。基于该模型导出了岩体应力场与渗流场的非线形耦合分析有限格式。通过对煤矿矿井突水预报问题进行分析研究,验证了所提出的方法是可行和实用的,并给出了一些有实际应用参考价值的结论。

似圆状双重介质模型的上游迎风有限元法及其应用

针对似圆状双重介质模型给出了上游迎风有限元法，克服了一般有限单元法所导致的数值不稳定性，并以济南岩溶区为例证明了这一方法的可行性和有效性。

基于双重介质模型的裂隙岩质边坡渗流及稳定性分析

双重介质模型在考虑岩块孔隙渗流的条件下,一定程度上刻画了岩体裂隙渗流的优先流现象。为研究双重介质模型下裂隙岩质边坡的渗流特性,以二维边坡为例,基于双重介质模型,研究了不同降雨条件下孔隙域和裂隙域的入渗边界条件及2者之间的关系,推导了裂隙域等效降雨强度方程,利用COMSOL Multiphysics有限元数值计算软件,定量分析了2种降雨条件(长而弱、短而强)下,孔隙域和裂隙域的入渗规律及水交换规律,并分别采用强度折减法和局部安全系数法分析了2种降雨入渗对边坡稳定性的影响。结果表明:(1)双重介质模型下,孔隙域和裂隙域入渗边界条件变得更为复杂,边界条件的转换需要综合考虑降雨强度、裂隙域等效降雨强度及两域的饱和渗透系数之间的关系。(2)2 mm/h的降雨强度下,雨水大部分通过孔隙域向下入渗,孔隙水压力的变化主要体现在孔隙域,水交换主要由孔隙域向裂隙域中流动,水交换项的值较小;边坡位移较大的区域从坡顶贯穿至坡脚,可能发生整体滑动,降雨结束后边坡的安全系数从1.92降至1.89,降低了1.56%,潜在破坏区域体积增量较小。(3)20 mm/h的降雨强度下,雨水几乎全部通过裂隙域向下入渗,孔隙水压力的变化主要体现在裂隙域,水交换主要由裂隙域向孔隙域中流动,水交换项的值较大;位移较大的区域在边坡中下部及坡脚处,可能发生牵引式滑动,降雨结束后边坡的安全系数从1.920降至1.757,降低了8.49%,坡脚处的潜在破坏区域体积增量较大。

基于孔-裂隙双重介质模型的有效抽采半径应用研究

为了合理布置瓦斯抽采钻孔,提高瓦斯抽采效率,以亭南煤矿为研究背景,基于孔-裂隙双重介质模型及瓦斯流动理论,建立了气固耦合流动瓦斯抽采模型;借助COMSOL软件,研究单一钻孔抽采半径及多钻孔布孔间距对瓦斯抽采效果的影响。研究表明:抽采120 d时,单一钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径约为1.4 m。多钻孔抽采中,钻孔间距为2 m、3 m、4 m时,钻孔有效抽采区域在钻孔周围大致呈圆柱状分布;钻孔间距为5 m、6 m时,钻孔有效抽采区域虽有所扩大,但各钻孔所围成内部区域的瓦斯抽采效果减弱。抽采120 d时,不同钻孔间距下的有效抽采区域体积排序为Vd4>Vd3>Vd2>Vd5>Vd6,综合考虑不同钻孔间距下有效抽采瓦斯区域变化情况,得出适用于亭南煤矿的最优布孔间距为4 m。研究结果为井下瓦斯钻孔合理布孔间距的判定提供参考。

基于双重介质模型的正仲氢转化器流动规律研究

为了研究正仲氢转化器中流体的流动规律,建立了催化剂堆积床的颗粒孔隙-堆床空隙的双重介质模型。基于双重介质模型分别建立颗粒孔隙和堆床空隙中正氢和仲氢的质量守恒方程,两种介质之间通过流量交换源项相互耦合。采用控制容法离散控制方程,并数值求解离散方程组。数值算例表明,由于颗粒孔隙与堆床空隙的差异,两种介质中的流动规律存在明显差异。

基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型

为模拟边坡在库水涨落和降雨作用下的渐进破坏过程,发展基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型。它分为固体计算模型、孔隙渗流应力耦合模型和裂隙渗流应力耦合模型3个部分。固体计算模型能够反映地质体的破坏规律,可以模拟从连续到非连续的破坏过程;孔隙渗流应力耦合模型可以方便地计算出自由水位线(浸润线)的位置;裂隙渗流应力耦合模型可以避免由于不连通裂隙(孤立裂隙)存在所导致的收敛性问题;假设只考虑库水涨落和降雨的最终状态,裂隙渗流产生的水头分布和由库水涨落所引起的水头改变作为孔隙渗流的变边界条件,从而实现孔隙渗流场和裂隙渗流场的耦合。典型算例计算结果表明,基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型对于库区古滑坡的研究是很有效的。

基于双重孔隙介质模型的渗流–应力耦合并行数值分析

为模拟天然岩石中孔隙和裂隙的不同渗透性能及应力耦合特性,基于双重孔隙介质模型,建立渗流–应力耦合分析的迭代计算模型。岩石基质渗透系数和孔隙率通过体积应变进行更新。裂隙系统的耦合模型通过立方体单元模型来建立,渗透系数和孔隙率随有效应力的变化进行更新。考虑到耦合分析时步多、计算量大的问题,采用基于element-by-element策略的有限元并行计算方法进行数值模拟。编制相应的耦合分析并行程序CoupledGF,并在分布存储的并行机上实现。对包含一个生产井和一个注入井的封闭区域进行渗流–应力耦合分析,模拟约22 000个时步。计算结果表明,并行耦合分析模型对于渗流应力的耦合分析是很有效的。

肺毛细血管与组织间物质交换的双重介质模型

本文在文献[4]的基础上利用双重孔隙介质模型研究了肺毛细血管与组织间的物质交换。利用小参数展开的分析方法和数值计算方法求解了非线性的控制方程。通过比较说明在一般的生理条件下小参数展开法所得的解已能充分描述肺毛细血管和组织间的物质交换状况。最后文中还利用所得解分析了肺水肿形成的机理。

校正双重介质模拟模型中迭代解的新方法

由于用双重介质模型对裂缝水窜等强非线性渗流问题进行数值模拟时 ,迭代求解往往难以收敛 ,这种不收敛性使得物质平衡误差偏大 ,有时甚至会使模拟失败 .针对这种模拟求解过程中物质平衡误差偏大问题 ,提出了迭代解的物质平衡校正方法 .实际应用表明 ,此方法可以大大降低双重介质模拟模型的物质平衡误差 。

双重介质Stokes模型的改进变分时间步格式（英文）

在油藏模拟问题的应用中,研究流体相在复杂多孔介质耦合管道系统中的流动规律具有重要意义.最近一种名为双重介质Stokes的模型被研究开发,它用来模拟复杂双重介质管道系统,这种系统可以用在如页岩/致密油/气藏等真实问题中.新模型由双重介质模型和Stokes方程组成,双重介质模型用来控制多孔介质流,Stokes方程用来控制自由流,两者通过四个界面条件耦合在一起.这种耦合模型会生成巨大而复杂的系统,因此通常难于求解.本文我们提出一种改进的变分时间步格式,利用它有效且精确地求解由耦合的双重介质Stokes模型所导致的大型系统.

煤岩双重介质注水驱气渗流的理论研究

采用更接近于煤层实际为孔隙、裂隙结构的双重介质模型对煤层注水过程中的水、气两相驱替问题进行了研究,建立了极坐标下的双重介质煤层注水驱气的数学模型,采用特征线法求解了煤层中水饱和度随时间、空间位置分布变化的规律,并求出了两种特殊情形下平面径向流气为零饱和度的特征面方程的解析解.

双重介质流线模拟技术在天然裂缝性油藏开发中的应用

为了更好地把握天然裂缝性油藏的开发动态,提升大型复杂油藏模型的运算速度,建立了以流线模拟技术为基础的双重介质模型,对天然裂缝性油藏的井型、注水速率、注水周期等影响采收率的因素进行研究,确定了油藏的最佳井型、最佳注水速率、最佳注水周期等指导油藏开发的关键参数,证实了流线模拟技术可以更直观地显示三维驱替前缘。在流线模拟技术与有限差分方法运算时间的比较中,也证实流线模拟技术具有更快的运算速度。

裂缝型多孔介质气液两相渗流的分形分叉网络模型

裂缝型多孔介质的气液两相渗流对于页岩气水平井的产量预测具有重要的理论意义,因此,为了深入理解裂缝型多孔介质的气液两相渗流机理,本文采用分形分叉网络定量表征裂缝系统拓扑结构,发展了气液两相渗流的双重介质模型,推导了裂缝型多孔介质的有效渗透率和相对渗透率,并基于有限元方法数值模拟了裂缝型多孔介质的气液两相渗流。结果表明,分形双重介质模型的预测结果与数值模拟以及实验数据吻合较好,气相和液相相对渗透率随着液相饱和度的增加分别降低和提高,孔隙率和分形维数对相对渗透率具有显著影响。

含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.

托普台南区块断溶体油藏栅状断片结构数值模拟

塔河油田托普台南区块断溶体油藏开发初期产量高,后期暴性水淹和快速见水井多,产量递减快,针对此类特征,目前尚未建立较好的模拟方法。结合断溶体油藏岩溶特征、地震特征、实钻井井储关系以及三带结构提出断溶体油藏栅状断片结构,根据此认识,通过融合断层自动提取技术和蚂蚁体属性,得到断裂指示因子,用以刻画栅状断片储集体,利用张量属性刻画溶蚀孔洞型储集体,建立双重介质组分模型,开展数值模拟研究。结果表明:栅状断片结构是断溶体油藏的主要导流通道;断裂指示因子比断层自动提取技术和最大似然更适合表征栅状断片结构,并在通水源处与张量属性匹配度高,在其他区域匹配性差;与单重介质模型相比,基于栅状断片结构的双重介质模型拟合精度更高,更能反映断溶体油藏生产动态特征。

裂缝多孔介质流模型研究进展

页岩/致密油气藏等非常规油气藏的储层介质为典型的多尺度空间:既具有纳微米级的基质孔隙,又具有微米-厘米级的天然裂缝,以及大规模压裂所产生的米级到百米级的人工裂缝.本文针对裂缝多孔介质,介绍基质、天然裂缝、宏观裂缝及大尺度缝洞中的流体耦合流动数学模型.

页岩气藏体积压裂数学模型研究

页岩储层具有一定密度和连通性的天然裂缝,而对复杂天然裂缝网络的描述非常困难。目前还没有针对页岩气藏的渗流模型,其模拟模型还基于常规的黑油模型或双重介质模型。黑油模型适用性广、解法完善,是目前油气藏数值模拟中最经典的模型,但是它不能考虑气体解吸附作用;因此,对页岩气藏的适用性比较差。文中建立以溶解气模拟吸附气的模型。即利用溶解气油比曲线模拟朗格缪尔等温吸附曲线,将油相视为不可流动相,黑油模型中的气相即为页岩气藏中的自由气。考虑了气体的解吸附作用和扩散作用,对比了其与单一介质的模拟结果,与传统的双孔单渗模型模拟结果相比,二者均能较好地进行页岩气产能预测。

考虑基质渗透性的粗糙单裂隙非达西流动特性研究

粗糙单裂隙及其周围岩石基质是组成复杂岩体裂隙网络的基本单元,了解其中发生的流体流动行为具有重要意义。通过直接求解Navier-Stokes(N-S)方程开展三维粗糙单裂隙和裂隙-孔隙双重介质模型的渗流模拟工作,研究了裂隙表面粗糙度、匹配性和基质渗透性对粗糙单裂隙中发生的非达西流动的影响规律。结果表明:Forchheimer方程可以准确描述双重介质模型中粗糙单裂隙流体流量与压力梯度间的非线性关系;表面粗糙度和不匹配性的增大会加剧裂隙内部开度分布的不均匀性,增大裂隙的流动阻力而促进非达西流动的发生;可渗透基质会使得裂隙过流能力增强,通过粗糙单裂隙的流量最多可增大约14%,这会抑制非达西流动的发生;基质渗透性对裂隙过流能力增长的影响程度与表面粗糙度和不匹配性呈正相关。