地热储层岩体粗糙裂隙的热流耦合效应研究

为了解决地热开采涉及复杂的多物理场耦合问题,提高开采效率,本文针对开采过程中的渗流-传热问题以离散元软件3DEC构建岩体粗糙裂隙热-流耦合数值模型。考虑不同三维形貌特征的岩体裂隙,模拟水力开度为19.17μm在不同流速时的水-岩温度变化规律。结果表明:由于裂隙形貌的阻滞作用,粗糙面出水口温度下降较慢,出水口温度有所上升,模型达到稳态所需的时间随流速和对流换热系数的增大而减小。裂隙形貌对流体和岩体温度分布均有影响,粗糙裂隙面的冷锋形态和裂隙面的形貌密切相关。光滑裂隙热突破快于粗糙裂隙,增加裂隙面的粗糙度有助于延长热突破时间。粗糙裂隙面相对于光滑裂隙面的总热量提取率略有提升,流速和对流换热系数的增加显著提高总热量提取率。通过本文研究可以为地热能系统的设计提供重要参数和指导,能够提高地热能开发利用效率。

基于LBM的粗糙裂隙内两相驱替渗流特性模拟研究

岩体粗糙裂隙两相驱替渗流普遍存在于许多工程应用中,而裂隙开度分布特征与壁面润湿性是影响两相驱替特性的关键因素.基于分形理论生成三维粗糙裂隙面并分别构建开度分布一致的均质模型和不一致的非均质模型,通过LBM伪势模型模拟粗糙裂隙准静态排水过程,研究了裂隙开度分布特征与壁面润湿性对两相驱替渗流特性的影响规律及细观机制.研究结果表明:均质模型驱替前缘基本保持平稳推进,而非均质模型出现优先驱替阻力较小的大开度区域的优势驱替路径现象,润湿性增强可加剧该现象致使驱替前缘更快突破,对均质模型无明显作用;残余捕获可分为孤立的“圈闭”模式和吸附在裂隙壁面的“水膜”模式,非均质模型中圈闭捕获明显多于均质模型,强润湿性有利于水膜捕获增多;当驱替压力增大至进入压力后,非均质模型中部分小开度区域润湿相被逐步排驱,而均质模型大多数润湿相被快速驱替,因此非均质模型P_(c)-S_(w)曲线比均质模型更加平缓,润湿性增强使得两种裂隙模型驱替开始发生时的进入压力更大,施加相同驱替压力时驱替效率更低.

基于格子Boltzmann方法的单一粗糙裂隙渗流状态研究

岩体中普遍存在裂隙,基于格子Boltzmann方法以及D2G9离散模型在计算流体的渗流状态下具有边界条件易于设置、计算效率较高、计算结果可视化等优点,建立考虑不同粗糙度的单一裂隙渗流模型,模型的上下边界设置为无滑移的全反弹边界,左右边界则采用非平衡外推格式的分布函数边界,同时结合经典流体力学的Poiseuille流问题,对计算模型进行验证。最后,分析岩体裂隙表面粗糙程度对渗流状态的影响,计算结果表明:随壁面粗糙程度的增加,流体的流速、大小、方向均会发生不同程度的改变,并且在由粗糙度的改变而引起隙宽急剧变化的部位,局部伴随着流体旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力的增大,从而产生较大的局部能量损耗。

重力条件下粗糙裂隙溶蚀过程的可视化试验研究

岩体裂隙的溶蚀现象广泛存在于自然过程和工程实践,重力对溶蚀过程具有重要作用。可视化观测技术是研究粗糙裂隙溶蚀机理的关键手段,然而传统的可视化技术存在裂隙粗糙壁面难以复制、溶蚀过程难以实时观测等问题。通过自主研发的粗糙裂隙溶蚀过程可视化试验平台,开展了垂直裂隙和水平裂隙在4种流量条件(0.05,0.1,0.3,1 mL/min)下的溶蚀可视化实验,研究了重力效应对溶蚀模式和溶蚀形态的影响,采用分形维数量化了不同溶蚀模式的形态学特征,最终确定了不同佩克莱数(Pe)条件下的突破时注液量。试验结果表明:在Pe≤62.1范围内,重力效应对溶蚀模式具有重要影响,垂直裂隙中的溶蚀发育为浮力主导模式和通道模式,重力效应将诱发单一、集中的溶蚀通道;而水平裂隙则统一发育为开度演变均匀、宽度较大的通道,即经典的虫洞溶蚀模式;在Pe数较大时(Pe=207.0)时,垂直裂隙和水平裂隙中的溶蚀均发育为均匀溶蚀。试验结果还证实了垂直裂隙更易发育为贯通的溶蚀通道,从而加速溶蚀突破;Pe=20.7时为最优注入条件,垂直裂隙的突破时注液量最小。在此条件下,垂直裂隙的突破时注液量仅为水平裂隙的1/4。建议重点关注重力效应对溶蚀过程的影响,研究结果对CO_(2)地质封存等工程实践具有重要意义。

粗糙裂隙各向异性对非达西渗流特性的影响

为研究各向异性粗糙裂隙中的非线性流动规律,生成了符合岩石裂隙表面几何特征和开度分布的各向异性程度粗糙裂隙,用数值方法求解Navier-Stokes方程来模拟粗糙裂隙渗流。采用Forchheimer公式拟合数值模拟得到的压力梯度与流量关系,分析粗糙度、开度和各向异性程度对裂隙非达西渗流参数的影响规律。研究发现表观导水度各向异性随相对粗糙度和开度场各向异性的增大而增大。最后提出了基于一阶均方根粗糙度和等效水力开度的非达西系数表征模型,进一步推导了相应的临界雷诺数公式。所提出的裂隙非达西系数表征模型可以很好地描述各向异性粗糙裂隙非线性渗流特征,并与室内试验结果拟合良好。

粗糙裂隙渗流的超立方和次立方定律及其试验研究

在充分总结和认真分析了裂隙渗流现有研究成果以后发现,采用平均隙宽代替水力隙宽后,裂隙单宽渗流量与平均隙宽之间存在两种截然相反的幂指数关系,一种是指数大于3的超立方关系,而另一种是指数小于3的次立方关系。基于理想裂隙渗流遵循的立方定律,提出可以采用超立方定律和次方立定律来反映粗糙裂隙的渗流规律。并通过多种人工裂隙的试验研究,证明了该两种定律在粗糙裂隙渗流中可能同时存在,并初步提出了临界判别的定性标准。结果表明:吻合粗糙裂隙符合次立方定律,而非吻合粗糙裂隙遵循超立方定律。

格子Boltzmann方法研究岩石粗糙裂隙渗流特性

为研究岩石粗糙裂隙水力特性,建立了基于格子Boltzmann的压力模型。通过对3组不同试件(平板光滑裂隙、矩形非吻合裂隙、随机隙宽裂隙)的模拟,拟合出流量与平均隙宽的关系。研究结果表明,在所计算的10种工况中,3组裂隙中的水流都接近于层流。只有平行光滑裂隙中的水流的流量与平均隙宽近似成立方关系,矩形非吻合裂隙和随机隙宽裂隙中的流量与平均隙宽呈现超立方关系。改变平均隙宽和进出口压力都会导致流量与平均隙宽的关系变化。同时,进出口压力的改变也会造成两者之间产生次立方关系。

岩石粗糙裂隙非线性渗流特性试验研究

通过开展岩石单裂隙不同粗糙起伏、水力梯度及法向荷载作用下的非线性渗流特性室内试验,研究了裂隙非线性渗流特征与发生机制,建立了考虑裂隙几何形貌的临界雷诺数Rec模型。研究结果表明:随着裂隙试样两端的水力梯度逐渐增大,裂隙内水流流态从线性流向非线性流转变,过流流量(Q)与水力梯度(#P)的实测数据可以很好地用Forchheimer方程拟合;随着法向荷载的增大,Forchheimer方程线性项系数A增加了2~4个数量级,非线性项系数B增加了3~5个数量级;在建立的以水力开度eh为基本变量的非线性系数B参数化表达式基础上,首次提出了定量表征裂隙非线性渗流发生条件的临界雷诺数Rec模型。

粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型与数值分析

粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数是岩体工程多相渗流以及水力耦合分析的重要参数。从粗糙裂隙的细观结构出发,基于毛细吸持理论和立方定理,提出了粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型。通过与具有不同空间分布的粗糙裂隙水、气两相流试验数据对比分析,验证了模型的准确性。为进一步验证理论模型对不同粗糙程度裂隙的适用性,基于SRAM与Invasion Percolation模型,提出了粗糙裂隙的开度分布生成以及水、气两相流数值分析方法,计算结果表明理论模型与数值数据基本吻合一致,且优于X模型、V-C模型以及Corey模型。

岩体粗糙裂隙渗流研究

渗流线性立方定律是建立在单直平滑裂隙基础上的,而工程中裂隙多是粗糙的,很多裂隙渗流不满足线性立方定律。针对这一问题,根据裂隙分布统计特征生成粗糙裂隙,推导了不同渗流本构关系下的单宽流量公式、裂隙等分段结点水头公式和等效隙宽公式。对比分析光滑、粗糙裂隙的渗流规律得出如下结论:①实际工程中的裂隙往往是不平滑的,统计裂隙开度分布规律、研究裂隙开度的模拟是非常有必要的;②粗糙裂隙非立方、非线性型渗流的基本规律与光滑平直裂隙非立方、非线性型渗流的基本规律存在明显不同;③相等平均隙宽条件下的粗糙裂隙比光滑裂隙的过流能力小得多。

粗糙裂隙渗流及其受应力作用的计算机模拟

基于裂隙微小单元内立方定律成立的假定和有限元法，建立了粗糙裂隙渗流及其受应力作用的计算机模拟技术．通过数值模拟的手段，进行任意粗糙裂隙等效水力隙宽的确定，并考察应力作用对裂隙面渗流的影响．通过算例分析，研究了有接触面积的粗糙裂隙和张开裂隙的等效水力隙宽的表征方法．

注浆对粗糙裂隙煤岩体应力场的影响分析

为研究注浆过程中粗糙裂隙煤岩体应力场的分布规律,采用随机中点位移法构建了二维粗糙裂隙剖面,通过COMSOL软件建立了煤岩体裂隙注浆流-固耦合数值模型,模拟了注浆过程中裂隙煤岩体的应力场,分析了裂隙剖面粗糙度及注浆速率对煤岩体应力场的影响。结果表明:注浆过程中煤岩体应力场的分布形态取决于裂隙剖面的粗糙程度,在剖面凹陷区域应力值较大,而在凸起区域则较小;裂隙剖面越粗糙,煤岩体应力场分布越复杂,局部区域应力集中越显著;同时,注浆速率也影响着煤岩体应力场,但仅对应力值大小产生影响,注浆速率与煤岩体应力值呈线性关系,且注浆速率对裂隙剖面凹陷处应力值的影响更大;随着裂隙剖面粗糙度的增大,煤岩体应力场受注浆速率的影响逐渐降低。

岩体粗糙裂隙中浆液扩散规律研究

基于分数布朗运动,采用随机中点位移法生成粗糙裂隙面,通过COMSOL软件建立岩体粗糙裂隙注浆数值模型,分析了浆液黏度及裂隙面粗糙度对浆液扩散的影响。结果表明:粗糙裂隙中浆液流场与光滑裂隙截然不同,浆液扩散速度在过流断面缩小区域,流速增大,过流断面增大区域,流速减小;裂隙粗糙度越大,低流速区域越大;裂隙面越粗糙,浆液压力越大,压力场非线性程度越强,相应的粗糙与光滑裂隙中浆液压力间的差值越大;浆液压力差随着浆液动力黏度的增加而增大,浆液黏度越大,裂隙粗糙度对浆液压力的影响越显著。

基于格子玻尔兹曼方法的自仿射粗糙裂隙渗流模拟

基于格子玻尔兹曼方法模拟研究了自仿射粗糙裂隙的渗流特征.通过连续随机叠加技术,生成了不同粗糙指数的自仿射粗糙裂隙.为验证格子玻尔兹曼方法,将格子玻尔兹曼结果与泊肃叶流解析解对比.通过格子玻尔兹曼方法与自仿射粗糙裂隙技术的结合,成功模拟了粗糙裂隙内部的流场分布,并分析了粗糙裂隙内部的渗流路径与水力等效隙宽的变化.结果表明,不均匀的隙宽分布对裂隙的流场分布影响较大;尽管两组裂隙内部的Re一致,但其最大流速有一定差异.

粗糙裂隙气驱液特性研究

裂隙岩体气液渗流会导致岩体失稳形成灾害,也会促进地下水、油、气运移。文章采用激光扫描获取天然粗糙裂隙面三维数据,使用3D打印技术生成可视化裂隙模型,基于高速相机获得气驱液过程瞬态影响数据,研究粗糙裂隙气驱液受流量、液体物性与裂隙面展布方向的影响特征。结果表明,气体流量显著影响气液驱替时间,流量越大驱替完成越快。液体物性不同,驱替效果差别不显著。裂隙倾角对驱替行为影响显著,低角度下驱替效果较好。此结果可为裂隙气液两相流研究提供实验基础。

基于LBM模拟的自仿射粗糙裂隙中溶质输运研究

自然界中裂隙的发育具有各向异性,其几何结构往往具有自仿射性质,这将对溶质的输运过程产生重大影响。为此,本文采用格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟并分析了自仿射属性对溶质输运规律的影响。数值结果表明:裂隙的自仿射曲面的变化会影响到穿透曲线的缓和程度,导致明显的“拖尾”现象;溶质运输过程中弥散系数的变化同自仿射属性呈正相关,但与穿透曲线缓和程度呈负相关。

时变性水泥浆液在粗糙裂隙岩体中的扩散规律研究

水泥浆液在裂隙的扩散距离对矿山围岩的加固效果的影响十分显著。本文基于水泥浆液的时变性与单一裂隙岩体的局部弯曲和粗糙度,建立了时变性水泥浆液在粗糙裂隙岩体中的压力分布机理公式;依托COMSOL Multiphysics数值模拟软件,模拟得到不考虑与考虑粗糙裂隙的时变性水泥浆液在单个裂隙内的扩散形态与压力分布,并通过数值计算,得到考虑时变性水泥浆液在粗糙裂隙内的扩散距离小于考虑时变性水泥浆液在平直裂隙内的扩散距离;且随着水泥浆液在裂隙内的实际扩散路径与其直线路径的比值T越大,浆液在裂隙内的扩散距离逐渐减小。该研究成果可为矿山围岩加固设计及施工提供一定的理论支撑。

考虑流体热物理性质动态演化的高温岩石粗糙裂隙渗流传热效应研究

为了研究高温岩体粗糙裂隙渗流-传热耦合作用机制,提高地热能的开采效率,基于格子Boltzmann方法采用双分布函数分别模拟渗流速度场及传热温度场的演化过程,考虑流体温度对其运动黏度及热扩散系数的影响,建立模拟粗糙岩石裂隙渗流-传热过程的数值计算模型,并结合经典算例验证计算模型的准确性。最后,基于该模型研究裂隙壁面粗糙程度、流体热物理参数动态演化等因素对其渗流-传热耦合作用机制的影响,并讨论裂隙壁面粗糙程度与地热提取性能指标之间的联系。研究表明:粗糙裂隙壁面的阻碍作用会增大惯性压降,降低渗流流速,使得流体与岩石基质间的传热更充分,出口处的流体温度更高。忽略流体温度对其运动黏度的影响,将会严重高估裂隙内的渗流流速,并低估其热突破时间。随着裂隙壁面粗糙程度的加剧,其热突破时间逐渐增加,而采热速率则呈减小的趋势。当裂隙壁面分形维数为1.0798时,其热突破时间比光滑裂隙增加了191.49%;而采热速率则仅为44.36%。此外,在裂隙两端压降相同的情况下,其壁面越光滑,在相同时间内获得的热回收率越高,但由于其热突破时间较短,使得在热突破时刻的热回收率显著降低。

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。

不同粗糙裂隙表面几何特性与渗流研究

为研究裂隙形貌特征及对渗流特性的影响,采用四目高精度三维扫描仪,测量劈裂破坏后的岩石裂隙三维形貌,通过Geomagic Studio软件选取基准面进行点云处理,基于地理信息技术(GIS)获取裂隙表面形貌参数,导入Comsol数值分析软件,分析了恒定水头下,裂隙粗糙度对水头变化、流速和水力传导率的影响。结果表明:(1)裂隙面粗糙高度基本符合正态分布,随着粗糙度系数J_(JRC)的增大,裂隙面粗糙高度频率分布直方图由标准型逐渐演变为陡壁型、偏峰型、锯齿型,坡向分布趋于集中,平均坡度逐渐增大;(2)流体在裂隙内流动存在绕流现象,并且粗糙度不同的区域流速大小存在显著差异,粗糙度系数J_(JRC)大的区域水头减小速率较慢;(3)流速和水力传导率(K_(s))与J_(JRC)呈指数函数关系,水力传导率随着裂隙面粗糙度系数J_(JRC)的增大而减小,减小趋势在J_(JRC)大于10以后而逐渐变缓。