深部工程岩体温度与渗流耦合作用下复杂应力场反演方法

深部地质体应力场的复杂性可归因于高地温和高岩溶水压覆存环境中的岩体非线性特征和局部构造应力场重构。该文结合岩体在流-固-热多场耦合作用下的力学响应机制,建立了能够解析深部各应力测点构造信息特征的非线性反演与优化方法。系统地分析了深部地质体温度场—渗流场—地应力场的耦合作用,以及温度场和渗流场对地应力场的影响机理,开展了三山岛金矿区深部岩体在不同围压及孔隙水压力作用下的三轴压缩试验,探究了深部岩体物理力学参数随不同孔隙水压及围压的非线性变化规律。提出了一种非线性特征延扩迭代算法(NCEI算法),该算法能够对各区域实测地应力数据中“弱”非线性与连续性部分的特征信息进行整体优化拟合,以及对局部构造区地应力中“强”非线性和非连续部分的特征信息进行强化解析。基于ABAQUS软件的二次开发接口,编写出多耦合计算子程序,实现了岩体地应力场—温度场—渗流场的耦合迭代计算,并对三山岛矿区深部地应力场进行了反演计算和分析。反演结果表明,考虑岩体多场耦合作用下的NCEI算法的各测点应力分量的平均反演精度为85.62%,高于BP神经网络算法与不考虑岩体耦合作用下NCEI算法的反演计算结果。因此,该研究方法可充分考虑深部地质环境的特征,为深部岩体复杂地应力场的反演与构建提供新的思路。

基于渗流场-应力场耦合作用的基坑土体变形特性研究

对渗流场-应力场耦合理论及耦合作用下土体固结特性进行分析,建立耦合作用下有限元方程及有限元模型。从理论联系实际的角度出发,利用岩土有限元分析软件PLAXIS对某采用复合土钉支护方案的基坑工程进行有限元模拟分析,分别建立不考虑渗流场影响及考虑渗流场-应力场耦合作用的2种计算模型,模拟分步开挖时复合土钉支护结构下基坑土体变形特性,并对2种模型计算结果进行对比分析,通过模拟结果与现场实测数据的对比,结果表明耦合作用下的基坑土体变形计算值与现场实测值较为一致。说明考虑渗流场-应力场耦合作用下的有限元数值模拟方法是可行的,计算结果是合理的,对类似工程具有一定的指导意义。

无单元Galerkin法的电流场与渗流场耦合正演

联合求解渗流场与电流场是确定土石坝渗流精确分布及评价渗流严重程度的重要途径.为解决水文-地球物理方法中存在的渗-电拟合度差及分辨率损失严重等问题,针对电性参数对水文状态变量的敏感性,本文开发一种基于无单元Galerkin法(Element-Free Galerkin Method,EFGM)的渗流场与电流场耦合正演算法.一方面,通过引入岩石物理关系经验公式及水文状态变量构建耦合模型;另一方面,通过滑动最小二乘法构造形函数,利用罚函数计算边界条件,以解决耦合模型的构建过程中对网格单元过度依赖问题来提高渗-电拟合精度.数值模拟的渗-电关联响应及耦合正演中,分析了土石坝内电流场及渗流路径,探索了各分量对土石坝不同附属结构体的异常响应特征.关联响应结果显示,饱和区内渗-电关联响应吻合较好.但由于非饱和渗流的特殊性,非饱和区介质岩石的物理特性会随着饱和度、孔隙度等因素的变化而发生改变,从而导致土石坝内非饱和区物性参数的分布与饱和区不同,从而造成非饱和区内渗-电场关联响应存在差异.在非饱和区域,耦合电位及电流密度分布与渗流分布吻合度高.渗-电耦合结果对实施模型约束的水文-地球物理耦合反演具有重要理论和实际意义.

致密油藏水平井组井间地应力场时空演化特征

水平井组开发致密油藏时,孔隙压力大幅下降会显著改变井间地应力的大小与方向,迫使加密井压裂裂缝朝向老井压力衰竭区扩展,导致加密井产量受限。因此,掌握致密油藏井间地应力场时空演化特征是加密井布井与压裂时机优选的重要基础。针对新疆油田金龙2井区致密油藏,基于岩石多孔弹性理论,建立了双水平井组应力渗流耦合模型,数值模拟得到随孔隙压力下降,井间地应力场的动态变化规律。以水平主应力方向发生反转时的孔隙压力变化值为评价指标,开展了储层物性和压裂完井参数对地应力时空演化特征的影响规律。结果表明,随孔隙压力下降,井间最大水平主应力方向发生反转;储层基质渗透率、井间距减小,单井单位储层厚度日产量及压裂缝间距增加会加快主应力反转,而初始储层孔隙压力对水平主应力变化趋势无影响,其中主要影响因素为井间距。

渗流条件下滨海地层人工冻结多场耦合理论模型

采用Navier-Stokes方程考虑流体动量守恒对渗流过程的影响,建立了考虑渗流对滨海砂土地层人工冻结过程影响的水-盐-热-力学理论模型。理论模型的计算结果与试验吻合良好,验证了所提模型的准确性。通过参数分析,探讨了渗流速度对冰、盐空间分布的影响。研究发现,渗流削弱了冻结效果,随着渗流速度从0 m/d增加到10 m/d,冻结管左右两侧的土体位移降低了23.1%;冻结管左右两侧的结冰范围缩减了37.8%;冻结管左右两侧的盐分的析出范围缩减了42.7%;砂层上游的吸附盐突变位置向下游移动了52%,下游的吸附盐突变位置向下游移动了32%。

断块油藏注采耦合提高采收率机理及矿场实践

针对渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷古近系断块油藏水驱开发后期流线固定导致注入水无效循环的问题,基于渗流力学和油藏工程原理,通过室内物模模拟和油藏数值模拟,提出了“细分开发层系、轮注轮采”的注采耦合开发调整技术,并验证了该技术可提高采收率的原理。研究结果表明:(1)利用注采耦合开发技术建立的“注入期间的高渗通道与低渗通道吸水量比模型”和“采油期间主流线和非主流线产油量比模型”均揭示了“改变压力场促进渗流场调整,实现均匀注入和均匀采出,扩大水驱波及系数和增加驱油效率”的注采耦合渗流力学机制。(2)注采耦合技术可以实现“扩大波及系数、增加驱油效率”,起到类似“调剖”的作用,高含水期通过此项技术可将低渗透岩心的分流率由1.0%提到18.6%,模型驱替更均衡;经过2个轮次的注采耦合调整,高、低渗透岩心的原油采收率分别提高了10.3%和16.1%。(3)研究区D断块古近系沙河街组沙二段Es236含油小层油藏注采耦合开发数值模拟结果显示,主流线和非主流线驱替更均匀,两者压力梯度极差由2.3下降至1.4。经过3个轮次注采耦合开发调整,沙二段3—6砂层组油藏平均综合含水率下降了3.2%,累计增油1 760 t,提高原油采收率2.1%,增油降水效果显著。

考虑泥岩软化特性的油藏渗流场与地应力场耦合分析

为研究注水过程中流固耦合作用下套管损坏的力学机理,在传统的Biot方程基础上,考虑储层渗透性随地应力的变化关系及泥岩进水软化的本构关系,建立了注采过程中流体与固体介质的非线性耦合的数学模型;对大型有限元分析软件ABAQUS进行了二次开发,采用全耦合的有限元法对所建立的模型进行求解.对大庆油田南二区某块注水开发过程中,考虑泥岩软化和不考虑泥岩软化两种情况的计算对比表明,泥岩软化对地层特别是井壁附近围岩应力和变形影响很大.本文的研究结果为合理建立油藏注水开发的流固耦合计算模型,预测该地区地层变形、套管损坏等提供了依据.

区域注浆扰动下渗流场−化学场演化及耦合作用

在淮北煤田普遍采用地面定向钻高压注浆技术治理煤系底板岩溶水害。注浆后渗流场补径排路径发生变化,且注浆实施中注浆高压以及浆液析水会在一定时期内改变受注目标含水层地下水渗流场和化学场的分布特征。以淮北煤田桃园煤矿为研究对象,利用Feflow软件,构建了区域注浆扰动下目标层渗流场与化学场(简称“双场”)演化模型,探讨了“双场”耦合机制,选择受环境影响较小的Cl−为模拟因子,开展了“双场”耦合作用下溶质运移影响因素分析,在此基础上构建了区域注浆扰动下溶质扩散预测模型。研究结果表明:识别验证后渗流场模型中,模拟水位与实测水位误差小于3 m的点占71.9%,模拟效果较好;识别验证后化学场模型中,Ⅱ4采区溶质运移模拟效果较好,Ⅱ1采区模拟值偏低约14.4 mg/L,误差约为实际值的6.6%,低于10%,总体模拟效果较好。渗透系数相对较大的Ⅱ4采区和Ⅱ2采区Cl−较容易运移扩散;而渗透系数较小的Ⅱ1采区岩石致密,渗透性较差,模型运行50 a期间,其基本以“滞水”状态存在。基于注浆扰动下Ⅱ4采区局部渗流场演化特征,认为溶质运移主要受渗透系数、弥散度、水力梯度、渗透流速、注浆时间、浆液相对密度等参数控制,并发现在注浆结束后18~22 a Cl−质量浓度达到峰值,随后Cl−质量浓度开始降低,约在40 a后达到区域注浆之前的平衡状态。基于多次设参运行获得数据,建立了“双场”耦合作用下溶质扩散的预测模型,误差率小于10%的数据占比达81.4%,说明所建立的溶质扩散预测模型基本可靠。研究可为区域注浆扰动下受注目标含水层水环境演化研究以及煤矿水害预测预警提供科学依据,具有重要的理论和实践意义。

基于渗流-应力场耦合作用下土石坝稳定性研究

【目的】为了解渗流作用下土石坝的变化规律,评估土石坝的安全稳定性。【方法】基于渗流-应力场耦合模型,以某土石坝为研究对象,对土石坝结构渗流-应力场相互影响机理进行探讨,并采用直接耦合法对土石坝结构进行耦合计算。【结果】计算结果表明,土石坝最大渗透比降0.298,小于允许渗透比降0.51,出逸点均在排水棱体内部;上下游坝坡稳定安全系数均大于规范允许值;各种工况下坝体受力主要以压应力为主。【结论】研究结果对类似实际工程的处理有一定的参考价值。

渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场影响的数值模拟

地下水含盐量不同会影响土体的热力学性质,探究渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响,可为市政地下工程、矿井工程、海底隧道建设等提供科学依据。运用COMSOL水热耦合模块对含盐量不同的地下水基坑坑底冻结温度场发展规律进行研究,通过对比冻结壁的厚度和路径分析得到渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响规律。研究结果表明:当地下水含盐量>3%时,渗流对基坑坑底冻结帷幕的形成影响较大,相较于上游,下游区域受到的影响更明显;随着地下水含盐量的增加,积极冻结40 d后冻结帷幕温度逐渐升高,降温速率逐渐减慢,形成的冻结帷幕厚度也逐渐变薄,含盐量越高,冻结效果越差,降温速率越慢。

应力–渗流耦合下深部花岗岩力学行为及破坏特征

在矿山深部开采过程中,高应力与高水压耦合作用导致岩石的力学特性演化机理更加复杂.为分析深部复杂条件下花岗岩的力学行为及破坏特征,利用低场核磁共振核技术(NMR)进行花岗岩初始孔隙率测量,借助岩石高温三轴流变系统开展应力–渗流耦合试验,引入耗能比实现花岗岩破坏过程的能量演化分析.研究结果表明:岩石的峰值强度、峰值应变随孔隙水压的增大呈线性减小且减小速率逐渐提升,随围压的增大呈线性增加且增大速率逐渐变缓;峰值渗透率随着孔隙水压的增大呈线性增大,随围压的增大呈线性减小;岩石破坏应变能表现出明显的围压效应和孔隙水压效应,峰值应力点为弹性能极值点,峰值点之后弹性能迅速转化为岩石损伤的耗散能,岩石耗能比整体呈现增大→减小→增加的“S”型变化规律;引入花岗岩初始孔隙率,将岩石视为固体骨架和孔隙两部分组成,综合考虑变形特征并构建应力–渗流耦合本构模型,与试验对比后认为该模型具有较高普适性.

非常规油气藏多场耦合渗流理论研究进展

非常规油气藏是目前世界油气开发的重点领域,由于非常规油气藏的储层条件差,渗流场与应力场、温度场耦合作用,流体的流动更为复杂,以往对多场耦合理论的运用存在简易化和适应性缺陷,工程中缺少理论指导下的更有效的开采工艺与开发方法,制约了这类油气藏的大规模高效开发,亟需对多场耦合渗流力学理论进行深入认识,以对工程问题提供有效指导.从实验认识、理论分析、仿真模拟三个方面阐述了我国非常规油气资源开发领域的多场耦合渗流力学理论的研究现状,重点围绕多尺度介质力学行为特性表征、岩体和流体的温度响应机制、耦合作用的概念及数学模型、多场耦合模拟仿真方法等关键问题的最新成果、认识展开论述.在此基础上对地下真实应力及温度环境的模拟、烃类吸附及置换的热量测试等问题进行分析,建议针对岩石的塑性应变、重复压裂后的应力环境变化、混合烃类的输运模型、以及流动条件随应力和温度变化的模型等科学问题进一步深化.旨在为进一步阐明我国非常规油气藏开发的动用机理、确定高效开发方法提供指导,同时希望能够促进渗流力学的学科发展.

海域天然气水合物储层的多场耦合模式及研究进展

海域天然气水合物是重要的清洁能源,实现其安全高效开采战略意义重大。受海域天然气水合物储层非成岩、弱固结、埋藏浅等特征的影响,水合物开采过程中储层处于强烈的多场耦合状态。复杂的多场耦合行为给开采产能和安全风险演化规律预测及其调控方案的制定均带来了巨大挑战。本文围绕南海天然气水合物储层特征并结合降压法开采工程需求,论证了在多场耦合行为分析中考虑固相传质过程的必要性和重要性,提出将传统热(T)-流(H)-固(M)-化(C)四场耦合升级为热(T)-流(H)-固(M)-化(C)-砂(S)五场耦合的新模式,并概述了实现多场耦合行为模拟的基本方法。在此基础上,分别综述了目前在水合物储层流体传质行为、固相传质行为、传热行为、力学变形行为等方面的主要研究进展,梳理了目前天然气水合物开采储层多场耦合基础研究领域的主要瓶颈与发展方向。可为海域天然气水合物开采工程-地质-环境一体化调控实践提供有益的参考。

喷膜防水衬砌在渗流场作用下的力学性能研究

喷膜防水衬砌结构在防水膜黏结作用和渗流场作用下的衬砌受力变形规律不明,影响了喷膜防水衬砌结构的使用与推广。为解决该问题,以某高速车行横洞为研究对象,首先,结合试验测得的界面法向、切向参数,采用FLAC3D有限差分软件内置的界面单元模拟不同防水衬砌结构的防水层形式;然后,通过内置的渗流模式赋予围岩渗流场与衬砌渗透属性;最后,对不同衬砌结构的力学性能和界面特性进行对比分析,模拟得到不同渗流场作用下的喷膜防水衬砌力学性能。研究结果表明:1)防水层对衬砌受力的影响显著,防水膜结构可以提高衬砌混凝土的协同受力能力,但也导致衬砌背后水压聚集;且在长期围岩荷载和高水压作用下,防水层对衬砌受力的影响更显著。2)高水压条件下喷膜防水衬砌与传统复合式衬砌的结构受力不同,应关注喷膜防水衬砌内力与安全系数变化。3)为了在保证隧道运营安全的条件下提高经济性,建议对可能出现高水压力的施工段采取排水设计和衬砌结构优化等措施。

基于渗流-温度双场耦合的油藏型储气库数值模拟

调峰保供是储气库的职能,建库指标的精确预测,事关新钻井数量和投资。复杂断块油藏改建储气库后,多周期高速注采过程均为油气水三相流动,油、气高压物性参数受温度影响极大,在进行复杂断块油藏型储气库数值模拟时,若忽略冷气注入温度场扰动和高速非达西附加压力损失,可能会导致储气库数值模拟指标预测精度降低。为提高指标预测精度,以复杂断块油藏型储气库为例,结合流体黏温及高速非达西实验,建立了渗流-温度双场耦合数学模型。基于有限体积法(FVM),在空间上采用两点通量近似方案(TPFA),在时间上采用后向(隐式)欧拉格式对模型进行离散求解。高精度拟合了衰竭开发阶段区块、单井物质平衡及压力,实例开展了储气库运行指标敏感性分析。结果表明:冷气注入温度场扰动、高速非达西效应分别是累产油、气量误差的主控因素;井控温度范围随注气速度增加呈对数上升,油气相渗流能力大幅下降时水相渗流能力反而上升,使得采出液量增多、地层压力下降;高速非达西附加压降造成天然气注入后部分采不出,随着储气库多周期运行,天然气储量及压力逐渐增加。

直墙拱形泄水隧洞富水断层段注浆渗流场分析

依托G4216线高速公路卡哈洛综合体把堡河河道改道工程泄水隧洞工程,建立直墙拱形泄水隧洞富水断层段流固耦合数值模型,分析注浆圈厚度和渗透系数对围岩渗流场和隧道涌水量的影响。研究结果表明:隧道开挖渗流达到稳定状态后,在相同埋深处地下水压力呈漏斗状分布。当注浆圈厚度小于5 m时,注浆对渗流场的影响程度较显著;当注浆圈厚度大于7 m时,增加注浆圈厚度对渗流场的影响不明显。增加注浆圈厚度比降低注浆圈渗透系数的效果更显著。

非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

基于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系,研究了渗流场与应力场的耦合效应,并针对一实际土坝建立了非线性耦合分析模型,探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明,在渗流作用下,坝体和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的,其作用结果将会使土坝、特别是防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高,表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。

考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析

根据尾矿坝形成的特点,进行考虑应力场与渗流场耦合的非稳定渗流分析。根据弹性力学和渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程,然后导出这一问题的有限元计算公式及相应程序。在计算中首次导出了尾矿坝的渗透系数与应力场的关系式,并进行尾矿坝的非稳定渗流分析。工程实例计算结果表明,考虑耦合作用的影响。尾矿坝渗流场的总渗流量减小,而应力场的各应力分量的最大值增大。

双重介质温度场-渗流场-应力场耦合模型及三维数值研究

在建立双重介质温度场-渗流场-应力场耦合微分控制方程基础上,提出研究裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合的双重介质模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,提出该数学模型的求解策略与方法,开发双重介质流固热耦合分析的计算程序,通过模拟地下2200m的高温岩体地热开发系统的算例发现,注入井附近温度场-渗流场-应力场三场耦合作用十分明显的,主干裂隙对渗流场、温度场和应力场的整体分布具显著影响。与渗流场-应力场耦合,应力场-温度场耦合进行比较,探讨各场耦合效应的强弱,可以得出,在一定空间、时间域内,往往存在着起主导控制作用的双场耦合系统,变温条件下温度场对裂隙渗流场具显著耦合作用,从而论证了存在温度变化梯度的岩土工程中进行三场耦合分析的重要性。

考虑地下水渗流时水下人工冻结装置温度场发展规律及结构优化

为探究渗流条件下人工冻结装置冻结管排布方式对温度场的影响,文章设置三种方案进行对比,通过有限元软件进行分析。研究表明,由于渗流作用的影响,冻结装置形成的冻土帷幕呈现上游窄下游宽的现象;沿渗流方向上的冻土帷幕发展并不受冻结管排布方式的影响,冻结结束后最终温度基本一致;冻土帷幕的冻结深度与冻结管长度基本一致。