基于离散裂隙网络模型的裂隙水渗流计算

离散裂隙网络模型(Discrete Fracture Network(DFN))是研究裂隙水渗流最为有效的手段之一。文章根据裂隙几何参数和水力参数的统计分布,利用Monte Carlo随机模拟技术生成二维裂隙网络,基于图论无向图的邻接矩阵判断裂隙网络的连通,利用递归算法提取出裂隙网络的主干网或优势流路径。基于立方定律和渗流连续性方程,利用数值解析法建立了二维裂隙网络渗流模型,分析不同边界条件下裂隙网络中的流体流动。结果表明,该方法可以模拟区域宏观水力梯度和边界条件下,裂隙网络水力梯度方向总的流量,以及节点的水位、节点间的流量和流动方向的变化特征,为区域岩溶裂隙水渗流计算提供了一种实用、可行的方法。

基于三维裂隙网络模拟和单孔压水试验的裂隙张开度确定方法

岩体裂隙的等效水力张开度(水力学等效隙宽)是岩体的关键力学几何参数之一。目前常采用交叉孔试验等大型试验方法获取野外深部岩体裂隙的张开度,但该方法很少在一个工程中多次使用,且难以分析裂隙张开度在空间上的变化。以三峡大坝右岸地下电站硐室围岩为例,提出了一种联合利用常规单孔压水试验数据和三维裂隙网络模拟,反演确定裂隙等效水力张开度的新方法。利用实测裂隙编录资料取得的统计数据开展裂隙产状随机模拟,构建与压水试验钻孔连通的三维离散裂隙网络渗流模型,拟合单孔压水稳态流量和压力的关系,反演不同深度岩体的裂隙等效水力张开度。结果表明,研究区岩体裂隙的等效水力张开度一般为0.07~0.30 mm,符合对数正态分布的统计特征,多数钻孔反演的裂隙等效水力张开度随埋深呈指数形式衰减,少数钻孔呈现出裂隙等效水力张开度随机性强、随埋深变化不明显的特征。相较传统方法,本方法反演结果显著不同,有待进一步验证。

基于DFN离散裂缝网络模型的裂缝性储层建模方法

针对目前裂缝性储层建模方法存在的问题,探讨DFN离散裂缝网络模型的裂缝性储层建模的思路和方法,提出分大尺度和中小尺度两种裂缝级别建立DFN离散裂缝模型。首先,按照确定性建模方法,以三维地震资料建立大尺度裂缝的空间分布模型。然后,以岩芯观测和成像测井解释的裂缝密度、长度、倾角、方位等统计信息为基础,在地震裂缝预测的属性体约束下,建立全区裂缝密度分布模型,并以该数据体为约束,利用随机建模方法,建立中小尺度的裂缝网络模型,实现井间裂缝密度的约束。最后,通过整合大尺度和中小尺度的DFN模型,建立Z地区综合离散裂缝网络模型及其裂缝孔隙度、渗透率等属性模型。该模型反映了储层裂缝的三维空间分布特征,为该区油藏数值模拟提供了地质基础。

裂隙岩体渗流模拟的三维离散裂隙网络数值模型(Ⅰ):裂隙网络的随机生成

对于裂隙岩体中的渗流来说,离散裂隙网络模型比等效连续体模型更能刻画其基本规律。发展了用于模拟裂隙岩体渗流的三维离散裂隙网络数值模型,并编制了裂隙岩体渗流模拟程序FracFlow。该模型可以利用野外露头上采集到的裂隙的观测数据,通过计算机处理最终形成三维裂隙网络的人工几何模型,然后用边界元法求解所生成的裂隙网络中的渗流问题。在此第一部分中,介绍了利用计算机随机生成三维裂隙网络的详细过程,然后利用算例校核了程序的正确性。

裂隙岩体渗流模拟的三维离散裂隙网络数值模型(Ⅱ):稳定渗流计算

承接上文的工作,给出了三维裂隙网络中稳定渗流的数值解法。每个裂隙被看作一个二维均质各向同性渗流域。数值方法采用边界元法,可以降低问题的维数,并可方便地对裂隙进行自动单元剖分。讨论了渗流问题控制方程基本解的确定,证明了3个常见基本解的等价性。编制了裂隙岩体渗流模拟程序FracFlow,并设计算例校核了程序的正确性。

裂隙岩体二维离散裂隙网络模型的非均质、稳定渗流计算

本文在生成的二维离散裂隙网络中利用逾渗理论突出裂隙的主干网,保存了明显的优势流路径。在此基础上,基于渗流的连续性方程和立方定律,在稳定的、单相的、完全饱和的渗流系统使用DFN模型研究随机产生的裂隙网络中的流体流动。利用matlab程序实现了裂隙岩体渗流数值模拟,在该模型中使用导水系数而非Priest的孔径,且导水系数服从对数正态分布实现了离散裂隙网络模拟的非均质性;在随机的Monte Carlo模拟中,进行了总流量的预测。模拟实验结果表明:总流量的变异系数在合理的范围内,该方法为裂隙水的稳定渗流计算提供了简单、实用的计算方法。

离散裂隙网络模型在矿井涌水量预测中的应用

裂隙介质的渗透性往往具有各向异性和非均质性,为了体现矿山水文地质模型这种特征,论文从单裂隙渗流规律出发,在MATLAB软件环境中应用Monte-Carlo法的原理编译了二维离散裂隙网络模型的生成程序。在此基础上,结合边界元法对其进行二次开发,编译了二维离散裂隙网络渗流程序。应用该渗流程序对宜昌七里冲磷矿区进行了地下水渗流模拟,计算了220水平巷道单宽涌水量。计算结果与现场水文地质试验结果基本一致,表明该渗流程序具有较好的适用性,可以为相似水文地质条件矿区的矿坑涌水量提供一种快速廉价的获取方法。

裂隙介质氡迁移的分形离散裂隙网络模型

为更有效地开展氡污染防治、氡示踪研究,根据分形理论与离散裂隙网络(DFN)建立裂隙介质氡迁移模型;采用双幂律模型描述裂隙位置与长度,多级联乘方法获得裂隙中心点位置,von Mises-Fisher分布函数确定裂隙方向,对数正态分布方法确定裂隙开度分布;采用自研试验装置验证理论模型,并使用理论模型分析某天然裂隙岩体氡迁移特征。结果表明:理论模型计算氡活度浓度与试验结果相差最大不超过4%,该裂隙岩体的平均氡析出率为0.00258 Bq/(m^(2)·s),岩体内连通裂隙构成氡迁移的主要通道,裂隙密集处的最大氡通量比裂隙稀疏处的大约3个数量级。裂隙介质平均氡析出率随分形维数的增加而增大,随长度指数的增加而减小,与对流速度呈非线性增加关系。

岩体离散裂隙网络渗流应力耦合分析

裂隙渗流具有沿裂隙网络做定向移动的特点,用非连续介质方法分析裂隙岩体渗流应力耦合更符合工程实际.本文以人工模拟的随机裂隙网络为对象,应用离散裂隙网络模型和节理单元模型,以裂隙开度变化为纽带,同时考虑渗透静水压力和动水压力的影响,研究水位变化条件下裂隙岩体渗流应力耦合特性.算例表明,考虑耦合作用时,岩体内部结点水头、结点应力和岩体渗流量会发生相应改变.岩体中水头大的裂隙段,耦合作用更加明显.在高坝工程岩体渗流分析和岩体稳定评价计算中,应当考虑渗流应力的耦合作用.

基于岩体三维裂隙网络模型的随机块体稳定分析

利用蒙特卡洛模拟方法和三维地质建模技术建立多边形离散裂隙网络与工程岩体的耦合模型,并对随机块体进行了识别分析,提出了一种新的随机岩石块体支护分析方法.根据空间坐标和地质属性对耦合模型进行分区,统计各个区域内块体的埋深、体积和密集度,研究随机块体的空间分布规律;在自重和地震两种情况下分别计算各区域的块体失稳概率和支护强度.通过以上参数的计算和分析,为锚杆间距、长度和锚杆支护力提供参数化指导,同时也可对支护方案进行检验.最后将该方法应用于某取水隧洞岩体支护分析中.

裂隙网络渗流与离散元耦合分析充水岩质高边坡的稳定性

本文运用裂隙岩体渗流模型与离散元力学模型耦合分析充水岩质高边坡的稳定性。根据裂隙岩体主干裂隙与网络状裂隙的特点，建立了的离散介质与连续介质耦合渗流模型并求其解。讨论了渗流模型与离散元模型耦合在边坡稳定性分析中应用的原理和方法。应用该方法对乌江构皮滩水利枢纽水垫塘两侧充水岩体的边坡稳定性进行了分析。

离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性影响的颗粒流分析

基于颗粒流软件平台,采用图像处理技术和Monte Carlo法,生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模,从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下:(1)裂隙平均长度和密度影响着岩石的力学性质,岩石的单轴压缩强度、弹性模量随裂隙密度的增加而减小。(2)单轴压缩下岩石破坏时均是晶间-拉裂纹和晶内-拉裂纹为主。(3)离散裂隙网络与岩石的声发射事件密切相关。随着裂隙密度的增加,声发射b值和分形维数D值均呈下降趋势。当b值和D值急剧下降时,预示着岩石失稳破坏。(4)离散裂隙网络对声发射事件的破裂强度有一定的影响。在离散裂隙网络附近易产生破裂强度大的声发射事件。综上所述,基于离散裂隙网络和等效晶质模型联合建模获得的细观角度上岩石破裂机制和声发射现象等结论,可有效弥补现有室内试验中研究手段的不足,并对野外具有更为复杂的裂隙网络的岩体稳定性评价与工程施工提供有力支撑。

基于改进自回归流模型的坝基三维裂隙网络多参数模拟

在水电工程坝基三维离散裂隙网络(Discrete Fracture Network,DFN)随机建模中,关键在于对裂隙的倾向、倾角、开度等几何多参数的多维联合分布估计。然而,现有基于典型分布的DFN模拟方法存在缺乏考虑裂隙参数之间的相关性,且难以实现对裂隙参数多维联合分布的高精度概率密度估计的问题。针对上述问题,本文提出一种改进的自回归流模型——密度峰值聚类自回归流(Density Peak Clustering Autoregressive Flow,DPCAF),通过采用高斯混合分布与DensityPeak聚类算法改进标准化特征空间的基础分布,弥补自回归流在分布估计的过程中难以考虑裂隙优势分组的不足,提高对于多峰的联合分布的拟合能力;进一步提出基于DPCAF模型的裂隙网络多参数模拟方法,考虑裂隙几何参数之间的相关性,实现其多维联合分布的精确极大似然估计与采样。工程应用结果表明,DPCAF模型相比于现有基于典型分布的方法能够更好地拟合复杂的多参数联合分布,且具备能够建立裂隙几何参数关联关系的优势,从而保证了DFN模型的可靠性。

基于裂隙网络渗流差异的消落带岩体劣化空间预测方法

三峡水库175 m蓄水以来,水位周期性涨落,使得岸坡岩体强度下降而逐渐劣化,易导致岩质岸坡失稳破坏,因此引起了广泛的关注。岩体劣化与库水位的波动有关,其损伤劣化区域必然与水力调整范围有一定的关系。本文提出了基于裂隙网络模型渗流差异的岩体劣化空间分析方法。利用Beacher模型结合裂隙几何参数分布概型模拟岩体裂隙的空间分布,并基于裂隙截面面积相等,在裂隙网络中简化面状渗流为管道流,构建出裂隙网络渗流空间图。同时利用拓扑关系求解实际工况中岩体裂隙网络渗流空间的水头分布区域,通过不同水位下的渗流差异区域来推测发生岩体劣化的空间,基于理论分析和数值模拟得出存在水力差异的区域和新增的渗流区域两种情况合集即为岩体劣化区域。这一预测方法将对量化三峡库区岩体劣化空间强度及岸坡稳定性有重要的指导意义。

离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响研究

为了解离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响,本文构建了不同结构特征的离散裂隙网络,并建立相应的等效岩体模型,通过单轴压缩数值试验得到等效岩体模型的力学参数,分析离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响。结果表明:随着裂隙密度P_(32)的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变近似线性递减,泊松比近似线性递增;随着裂隙倾角均值的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变先减小后增大,泊松比先增大后减小,裂隙倾角为60°时达到极值;对于裂隙倾角的分布特征,当裂隙倾角均值为60°时,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变随Fisher分布常数的增加而减小,泊松比随Fisher分布常数的增加而增加,而对于其他裂隙倾角均值的情况,Fisher分布常数对裂隙岩体力学参数的影响较小;对于裂隙直径的分布特征,幂律分布指数对裂隙岩体力学参数的影响较小;敏感性分析结果表明,单轴抗压强度对于离散裂隙网络几何参数的敏感性最大,弹性模量的敏感性最小。

渤海C油田潜山裂缝型储集层随机离散裂缝网络模型的实现与优选方法

针对渤海C油田潜山裂缝型储集层的地质特点,综合利用岩心、测井、油藏动态以及露头等资料,分析了潜山裂缝型储集层的成因及发育特点,确定构造应力场和断层的分布为该油田储集层裂缝发育的2个主控因素。将构造应力场与断层分布相结合模拟离散裂缝网络,预测裂缝分布趋势。通过地质特征对比以及动态资料验证,优选出C油田的离散裂缝网络(DFN)。以离散裂缝网络(DFN)为平面约束条件,以井点岩心统计裂缝几何形态为"硬"数据,计算出裂缝孔隙度和渗透率的三维分布,并建立了潜山裂缝型储集层的地质模型,为油田开发方案的制定提供了可靠的地质依据。

基于离散裂隙网络法和水流数值模拟技术的地下水封洞库水封性研究

水封性是保证地下水封洞库安全运营的关键,目前研究地下水封洞库水封性的主要难点在于裂隙岩体含水层强烈的非均质性和各向异性。以某地下水封洞库工程为背景,通过实测裂隙几何参数分析裂隙发育特征,建立了研究区离散裂隙网络模型。之后对研究区进行网格化划分计算了各单元体渗透系数张量,基于对裂隙渗流基本规律的理解和假设建立了研究区高精度的非均质各向异性渗流模型,并对研究区渗透性特征进行分析。通过建立非均质各向异性渗流模型对水幕系统水封性能进行了探讨并与传统均质各向同性渗流模型进行对比分析,利用该模型可以弥补传统均质各向同性渗流模型的不足,更加准确地评价由于裂隙岩体非均质各向异性造成的储品泄漏风险。

离散裂隙网络对页岩气井产能影响的数值模拟

页岩作为典型的非常规储层,基质孔隙小,渗透率极低,水平井多级水力压裂为其商业开发的主要手段。准确模拟页岩气产能,应同时考虑水力裂隙和天然裂隙的渗流。基于离散裂隙模型和等效连续模型建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法进行数值求解,研究不同走向裂隙组对页岩气井产能的影响。研究认为,页岩基质为气体的生产提供了主要气源,天然裂隙作为渗流的主要通道,将气体输送到水力裂缝,进而到达井筒。模拟结果表征,离散裂隙的渗流特征对于页岩气井的产能有重要影响。根据页岩储层的天然裂隙走向,可以优化相应的水平井方位。对于二维离散裂隙网络模型,水平井沿着2个裂隙组夹角的平分线更有利于生产。

水封洞库裂隙岩体渗流力学特性研究

天然岩体由于裂隙的存在,渗透性具有明显的各向异性,研究裂隙岩体的渗透特性对准确刻画库区渗流场特征、保证洞室水封性具有重要意义。以宁波某地下水封洞库主洞室裂隙岩体裂隙特征统计数据为基础,分析得到优势裂隙组各项特征,应用Monte-Carlo随机模拟技术生成二维离散裂隙网络(DFN)模型,并计算得到不同尺寸试样的等效渗透系数。结果表明:试样尺寸达到110 m × 110 m后,试样可等同于连续介质,此时的试样为裂隙岩体渗流表征单元体(REV)。

基于分形几何理论的DFN模型构建方法研究

以重庆梁-忠(梁平县-忠县)高速公路礼让隧道为工程研究背景,通过测线法调查现场节理,获得了节理产状分布概率密度函数,并从分形几何学的角度分析了节理间距及迹长的分形分布规律,推导出能反映节理间距及迹长分布状态的分形维数D及分形分布概率密度函数。在该基础上采用Matlab软件以及Monte-Carlo随机分析方法,产生节理参数随机数,结合3DEC中最新模块离散裂隙网络(DFN)技术,建立了能反映节理裂隙分布特征的离散裂隙网络模型并验证了模型的有效性,结果表明,分形分布比负指数分布包含更多的间距、迹长分布信息,更接近于实际分布;分形维数D反映了节理间距、迹长在其变化范围内的分布特征,分形维数的大小取决于小间距、小迹长部分数量在总节理数量中的比例,为节理裂隙岩体网络模型构建提供了一种新方法。