饱和多孔介质渗流的强-弱不连续统一非局部模型

非均匀饱和多孔介质流体传输模拟关键在于需要考虑由孔隙、裂隙以及不同渗透性介质组成的强–弱不连续面,但这与经典连续介质力学局部流体模型所定义的偏微分方程是不相容的,从而导致饱和多孔介质渗流模拟的困难。基于统一变分近场动力学的基本思想,提出了一种向量态函数用于描述饱和多孔介质流体的非局部传输作用,并在此基础上建立饱和多孔介质流体输运的非局部空间积分–时间微分型控制方程。该非局部流体输运模型统一描述了流体在强–弱不连续面的力学行为,避免了传统局部力学模型在不连续界面处的导数无定义性,且从理论上证明,当非局部流体模型中的非局部作用半径趋于零时,非局部模型可退化为局部模型。为了消除非局部模型内在的零能模式问题,基于罚函数方法提出一种全隐式的数值求解格式以保证数值计算的精确性。最后通过算例分析,模拟了三维非均匀不连续多孔介质中流体的传输过程,揭示流体穿越物质界面、孔隙和裂隙的力学行为。为研究饱和多孔介质中流体在不连续界面传输的力学行为提供了一种分析模型。

多孔介质中非均匀流活动性流场模型本构关系研究

本文在土壤染色示踪试验的基础上,对多孔介质活动性流场模型的本构关系进行了分析。在此基础上讨论了流动非均匀性和本构关系参数之间的关系。研究表明:土壤剖面不同深度和宽度处的染色比例值都增大时,活动性流场模型本构关系中的分形参数值减小;本构关系参数值和水流最大入渗深度与50%面积染色深度的比值及土壤剖面宽度处染色比例的最大值与最小值的比值均成正相关关系。此外,本文还利用黏土中的染色示踪试验数据分析了活动性流场模型本构关系参数的取值。

弹性饱和多孔介质在非轴对称荷载下的稳态动力响应

应用Fourier展开和Hankel变换 ,求出了弹性饱和多孔介质Biot方程在非轴对称情况下的级数解。首先把饱和多孔介质固体骨架位移和孔隙流体压力用级数展开 ,建立了级数系数函数满足的微分方程组 ;然后把未知函数按一定方式进行组合 ,使方程组进一步简化 ;再应用Hankel变换把关于两个变量的微分方程组转化为只有一个变量的微分方程组 ;最后解微分方程组 ,得到了有关函数的Hankel变换。接着 ,以Biot方程在非轴对称情况下的Hankel变换解为基础 ,给出了饱和多孔介质总应力分量和孔隙流体相对于介质骨架位移的Hankel变换表达式。作为特例 ,在文章的结尾部分还应用Biot方程的解得到了半空间弹性饱和多孔介质分别在表面非轴对称竖向简谐荷载和水平简谐荷载作用时的稳态动力响应。所有这些结果都对研究饱和多孔介质的动力响应特性和有关工程领域有一定意义。

油水两相渗流多孔介质弹性波传播动力学模型研究

弹性波在储层渗流场中的传播与衰减规律是研究波场强化采油动力学机理的重要基础.基于等效流体理论和饱和静态流体弹性波传播Biot理论,建立油水两非混相流体渗流条件下储层多孔介质中弹性波传播的动力学模型,通过算例求解与分析,发现含油水两相渗流储层多孔介质中同时存在着3种纵波P1、P2、P3和1种横波S;受频率和含水饱和度的影响,各波波速和品质因子呈现出不同变化规律,4种体波波速与频率、饱和度正相关,P1、P2波品质因子与饱和度正相关,P3和S波品质因子与饱和度负相关;最后,通过与传统静态弹性波模型结果对比,进一步分析了宏观渗流场对弹性波传播特征的影响规律,为揭示低频人工地震波辅助强化采油技术的动力学机理和工艺参数优化提供了重要理论依据.

用改进的摄动理论研究各向异性弱粘弹性介质中的非均匀平面波

提出了慢度和偏振的摄动完全是由平面波非均匀性参数D引起的观点,改进了Cerveny和Psencik提出的计算各向异性弱粘弹性介质中非均匀平面波慢度和偏振的摄动公式,给出了在形式上更为简单的摄动公式。与原有的公式相比,新的摄动公式对均匀平面波是精确的,并且在形式上更加简洁。对一个二维横向各向同性弱粘弹性介质模型,根据新的摄动公式与原有的摄动公式及精确公式,用数值方法分别模拟了平面波(qP,qSV,qSH)沿传播向量方向的慢度虚部Im(σ)和质点振动。比较发现,用新的摄动公式得到的qP和qSV波的慢度虚部Im(σ)和质点振动比原有的摄动公式更精确,而对qSH波两种方法近似效果相差无几。经过综合比较,可以断定新的公式要优于原有的公式。

求解弹性饱和多孔介质半空间非轴对称动力问题的传递矩阵法

应用Fourier展开和Hankel变换 ,求解了弹性饱和多孔介质非轴对称Biot波动方程 ,得到半空间问题的一般解 .引入了位移分量和应力分量组合量 ,建立了这些组合量Hankel变换之间的关系 .用传递矩阵方法处理了弹性饱和多孔介质半空间非轴对称动力问题 ,把边界上的应力和位移与介质内的应力和位移用传递矩阵联系起来 ,这种处理方法特别适用于数值分析 .

应用热非平衡模型模拟梯度磁场作用下多孔介质方腔内空气热磁对流

梯度磁场可用来控制多孔介质内空气的自然对流传热过程。利用局部热非平衡模型对圆形截流线圈水平放置时三维多孔介质方腔内的空气热磁对流进行了数值研究。控制方程基本变量采用控制容积法离散,求解采用SI MPLE算法。计算过程中Ra为103～105,磁场力数γ为0～150、Da为10-7～100。获得了空气热磁对流的流场和温度场,以及壁面平均Nusselt数并进行了比较。结果表明:γ、Ra、Da对方腔内流场和传热有重要影响,多孔介质内空气热磁对流可以通过施加梯度磁场得到强化或控制。

含液体非弹性多孔介质中波传播过程的失稳与逸散性

在基于Biot理论的饱和_非饱和多孔介质的动力_渗流模型中计及流固惯性耦合效应· 对单轴应变的一维情况讨论了饱和和非饱和多孔介质中波传播过程的驻值失稳和逸散性 ,分析了流固粘性耦合 ,流固惯性耦合 ,流固混合体的压缩性 ,孔隙水饱和度 。

半空间各向同性弹性饱和多孔介质非轴对称动力响应分析

应用弹性饱和多孔介质非轴对称Biot方程的解 ,研究了半空间饱和多孔介质非轴对称动力响应问题 .讨论了半空间饱和多孔介质在边界竖直方向和水平方向存在非轴对称简谐荷载作用下的边界位移分布 ,给出边界竖向位移的数值计算结果 。

泡沫型多孔介质中非达西流立方框架模型

该文研究泡沫型多孔介质中的流动特性，提出了一种正立方几何框架模型和相应的数理模型。模型中既考虑了固体介质表面摩擦阻力的作用，也考虑了介质网丝形状阻力引起的惯性效应，得到适用于泡沫型多孔介质的非达西流关系式及主要系数的计算式。直接由结构参数即可求得泡沫材料的渗透率ｋ及非线性Ｆ—Ｗ流动关系式中二次项系数Ｆ，其计算结果与实测值有较好的一致性。在这类多孔介质的应用中对流动特性的理论预测具有工程实用价值。

层状非均质多孔介质中LNAPLs污染物运移与分布的锋面扩展模型

通过建立二维物理模型,研究非饱和层状非均质多孔介质中轻非水相液体LNAPLs(Light Non-a-queous Phase Liquids)的入渗机制与变化特征,建立LNAPLs运移与分布的锋面扩展模型,探讨入渗阶段油流锋面扩展速率的变化规律。结果发现:模型中砂土的渗透系数、孔隙度及油的相对渗透系数对LNAPLs运移的锋面扩展速率影响较大,而油的饱和度与压头变化对其影响较小。当LNAPLs由中砂进入细砂与细砂倾斜透镜体时,砂的渗透系数、孔隙度及油的相对渗透系数减小,这种介质结构面的突变改变了LNAPLs锋面扩展速率,其在中砂中锋面扩展速率快而在细砂与细砂倾斜透镜体中锋面扩展速率慢。此外,当LNAPLs进入干湿界面后,由于毛细作用的增强与含水量的加大,其横向比垂向运移的平均锋面扩展速率大。

黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型及计算方法

为了研究黏弹性流体在多孔介质中的渗流规律,将分形理论应用于黏弹性流体的渗流模拟中,通过推导黏弹性流体有效黏度关系式,得到了多孔介质的分形孔隙度和分形渗透率表达式,进一步建立了黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型。使用有限差分方法对黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型进行了数值求解,并利用拉格朗日插值法求得了稳定流状态不同压力下的流量。通过对大庆油田采油四厂5口复合驱井进行实例计算的结果表明,黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型计算所得产液量与实测产液量之间的平均相对误差较小,该模型具有一定的实用价值。

基于多孔介质理论的径向非均质饱和土-圆形隧道衬砌稳态响应研究

考虑土体液相、施工和地应力等对隧道周围土体的影响,将隧道周围土体看作非均质饱和土,假设固相剪切模量沿径向变化。采用多圈层模型,将隧道周围饱和土划分为未扰动区域饱和土和扰动区域饱和土,扰动区域饱和土又划分为多个薄层同心环。求解了未扰动区域饱和土和各圈层饱和土的稳态解,得到了扰动区域饱和土外边界与内边界处固相位移、液相径向位移和固相径向应力之间的传递矩阵。将圆形隧道衬砌视为弹性介质,利用弹性动力学理论,得到了圆形隧道衬砌的径向位移和径向应力。考虑问题的接触面处的连续性条件和边界条件,得到了径向非均质饱和土-圆形隧道衬砌稳态响应的解析解。数值算例表明:饱和土固相径向位移和径向应力随频率变化曲线存在较为明显的波峰和波谷,且在Rω/v=1.0附近存在一定的突变。影响区域剪切模量比和剪切模量沿径向的变化规律,对非均质饱和土-圆形隧道衬砌的稳态响应有较大的影响,非均质特性和液相对饱和土-圆形隧道衬砌系统动力特性的影响,不能被忽略.

饱和多孔介质化学-热-弹性模型及应用

本文基于热局部非平衡(LTNE)条件和加权平均温度概念,并假设孔隙流体由溶质和溶剂两组元组成,对页岩(饱和多孔介质),推导给出了一种LTNE条件下的化学-热-弹性模型,同时讨论了耦合方程组的解耦求解问题.作为模型的应用,考虑无限大平面含一圆形孔的情况,研究了冷/热对流以及溶质摩尔分数突变边界条件下圆孔附近的孔隙压力和化-热应力问题,用Laplace变换得到了平面轴对称情况下有关力学变量的表达式.数值分析了圆孔边界上冷/热对流的Biot数和溶质摩尔分数改变量对圆孔附近孔隙压力和化-热应力的影响.结果表明:在Biot数为中等值(1～5)范围内,LTNE效应是非常明显的;化学作用对孔隙压力和固相应力的影响不可忽视.

多孔介质的流变模型研究

多孔介质在应力作用下具有弹性变形和黏性变形两种完全不同的变形机制.多孔介质的弹性变形是由介质的本体有效应力所致,而黏性变形则是由介质的结构有效应力所致.多孔介质的总变形为弹性变形和黏性变形的叠加.计算多孔介质总应变量的流变模型必须同时采用本体有效应力和结构有效应力(双重有效应力),而传统的流变模型仅采用Terzaghi有效应力是不妥当的,它无法正确描述多孔介质的应变行为.采用了双重有效应力之后的流变模型,通过调节介质物性参数,可以拟合介质的实际应变行为,并且把多孔介质与普通固体联系了起来.

弱凝胶在多孔介质中的微观驱替机理

利用室内微观驱替实验装置,采用透明的单层油砂充填模型研究了弱凝胶驱和后续水驱过程中不同时刻各相流体在多孔介质中的分布。微观驱替实验结果表明,弱凝胶沿原先被水占据的大孔道流动,并且可以通过变形被挤入窄小孔喉,在弱凝胶的前沿存在稳定的水胶界面。在后续注水过程中,存在于大孔道的弱凝胶迫使后续注入水改向进入未被注入水波及的小孔隙,驱替的残余油滴聚集并形成油墙。弱凝胶的流体改向作用是提高微观波及效率和采收率的主要因素;弱凝胶的粘弹作用有利于在油藏深部进行深度调剖。

泡沫硅橡胶的多孔超弹性模型

泡沫硅橡胶是一种典型的多孔材料 ,同时它的本构行为也呈现超弹性力学性质。本文建立了泡沫硅橡胶的多孔介质力学模型 ,针对泡沫硅橡胶的超弹性本构行为以及由于多孔隙的结构特征所导致的材料可压缩性 ,考察了孔隙度对变形性能的影响 ,构造了应变能函数的等容部分和体积变形部分 ,单轴压缩实验表明 ,所获得的本构方程较好地描述了泡沫硅橡胶的大变形力学性质。

弱凝胶在多孔介质中的运移规律研究

通过线性填砂模型和透明微观模型实验,研究了弱凝胶在多孔介质中的运移规律和提高采收率的一般特性。线性填砂模型研究发现,弱凝胶在多孔介质中有较强流动性能和传播性能;透明微观模型实验研究发现,弱凝胶优先进入低阻力的大孔道,可拉伸变形通过窄小孔道,弱凝胶运移过程受到剪切稀释。弱凝胶的主要作用是驱替,而调剖只是初期或暂时的效果。

含流体多孔介质的BISQ模型

ＢＩＯＴ流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中固一流相互作用的两种重要力学机制，它们作为一个耦合过程同时对声波或弹性波的衰减和频散产生影响。传统方法将这两种力学机制分开、单独处理，并建立了基于宏观描述的ＢＩＯＴ理论和基于单个孔隙结构的喷射流动理论，这些理论在实际应用中暴露出很大的局限性。Ｄｖｏｒｋｉｎ和Ｎｕｒ（１９９３）将ＢＩＯＴ流动机制和喷射流动机制综合起来，提出了统一的ＢＩＳＱ模型［１］，这种ＢＩＳＱ模型将基于微观水平的喷射流动机制与固体和流体宏观性质联系起来，建立了弹性波相速度和衰减与固相弹性常数、孔隙率、渗透率、饱和度、流体黏滞度、压缩性、频率以及特征喷射流动参数等之间的关系。对 ＢＩＳＱ模型的综合研究表明：ＢＩＳＱ模型中的喷射流动机制是造成弹性波强衰减、高频散的主要原因；ＢＩＳＱ模型能更真实地预测波的衰减和频散，在采油动态监控和拾取渗透率等各向异性参数方面具有巨大的应用潜力，值得作进一步的研究和开发。

黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞的频域响应

研究了无限黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞(有衬砌)表面受轴对称简谐荷载和流体压力作用下的频域响应问题.引入carcione提出的本构模型来描述介质的流变和松弛性质.考虑衬砌和介质的相对渗透性,孔洞处于半封闭状态,边界半透水.引入两个势函数,在频域中得到了应力、位移和超孔隙水压力响应解答.并进行了算例分析,讨论了反映介质黏弹性性质的最小质量因子,反映孔洞边界半透水性质的渗透性参数及衬砌和介质的相对刚度对问题的影响.分析结果表明:以上参数对圆柱孔洞的频域响应有很大影响.