基于LTNE的饱和多孔介质THMC耦合模型数值研究

为探究多孔材料中流体流动和温度变化,课题组对溶质和溶剂在孔隙内发生的多物理场耦合问题进行研究。首先,基于局部热非平衡理论(LTNE),分析发生的THMC耦合反应,推导出其控制方程组;其次,将其物理模型简化为内含圆孔无限大平面,通过COMSOL Multiphysics软件,选用一维轴对称坐标系模拟仿真,研究多孔介质应力、孔隙流体压力、溶质摩尔分数和流固体温度分布规律;最后,分析各物理场参数影响。结果表明:随时间增加,各因变量峰值和谷值逐渐沿径向伸展,各物理场之间相互影响愈加深远;反应过程中需衡量参数取值。该研究既可为相关实验和解析方法提供参考,也可直接应用于实际工程中,有助于深入了解饱和多孔介质热流固化完全耦合行为。

岩石THMC多因素耦合试验系统研制与应用

为研究复杂环境下(高应力、高水压、高温、水化学等)岩石渗透特性演化规律,研制了渗流-温度-应力-化学(THMC)多因素耦合作用下岩石渗透特性试验系统。该系统在应力加载系统、渗透压控制系统的基础上扩充了控温系统和化学溶液自配系统,轴向荷载最大可加到1 500 kN,可进行高应力(30 MPa)、高水压(30 MPa)、高温(150℃)和低温(-20℃)、化学(酸性或碱性环境)等条件下岩石试件的渗透特性测试研究,并可进行岩石变形和渗透、应力耦合的全过程试验研究,是在原有岩石应力-渗流耦合试验设备基础上进一步增加了可直接加载的温度场和与渗流场结合的化学环境对岩石渗流特性的影响而发展的一套全新设备。利用该系统进行了多场耦合条件下岩石的渗透特性试验研究,验证了该试验系统的可靠性,对研究在多物理场耦合作用下岩石介质渗流特性提供了重要研究手段。

水合物开采对深水锚板基础承载性能影响的THMC数值模拟研究

天然气水合物是极具潜力的未来清洁能源之一,海洋天然气水合物的大规模商业开采可能影响周边深水设施基础结构的承载性能,进而诱发工程事故和环境风险。本文采用数值模拟的方法研究水合物降压开采过程中典型深水锚板基础的抗拔承载性能的变化规律。基于Python语言开发了含水合物多孔介质的多相流分析程序TOUGH+HYDRATE和有限元商业软件ABAQUS的交互模块,实现了水合物开采过程中储层—锚板基础相互作用的热—流—力—化学(THMC)单向时序耦合分析。根据南海水合物富集区典型储层条件,建立了水合物储层—锚板基础数值模型,模拟经历不同开采时间后锚板拉拔承载试验。结果表明,锚板承载性能同时受控于两种机制:(1)孔压下降引起储层摩擦强度增加,提高锚板抗拔承载力;(2)水合物分解引起储层黏聚强度减小,降低锚板抗拔承载力。当锚板距离开采井较近时,两种机制交替起主导作用,锚板抗拔承载力先提高后降低;当距离较远时,降压的影响机制并不明显,锚板抗拔承载力随时间降低。当水合物停采后,孔压影响机制消失,锚板抗拔承载力降低至初始值的20%左右。

Thermo-hydro-mechanical-chemical(THMC)coupling fracture criterion of brittle rock

Based on analysis of thermo-hydro-mechanical-chemical(THMC)coupling mechanism for brittle rock,THMC coupling indicator in terms of rock porosity was introduced to represent the influencing degree of THMC coupling field on stress field in order to establish THMC coupling fracture criterion.A novel real-time measurement method of permeability(related to porosity)was proposed to determine the THMC coupling indicator,and self-designed THMC coupling tests and scanning electron microscope tests were conducted on pre-cracked red sandstone specimens to study the macroscopic and microscopic fracture mechanism.Research results show that the higher the hydraulic pressure is,the smaller the crack initiation load is and the easier the Mode I fracture occurs.Test results are in good agreement with prediction results(crack initiation load and angle,and fracture mode),which can verify the effectiveness of the newly established THMC coupling fracture criterion.This new fracture criterion can be also further extended to predict THMC coupling fracture of multi-crack problem.

超临界CO2压裂诱导裂缝机理研究综述

超临界二氧化碳(SC-CO2)压裂改造非常规储层具有提高油气产量、储层无污染、节约水资源、埋存CO2等优点,受到了工业界和学术界的广泛关注。本文综述了目前室内SC-CO2压裂实验方法、裂缝起裂扩展特征与机理,以及存在的问题并给出建议。SC-CO2与岩石的“热(T)—流(H)—力(M)—化(C)”多场耦合作用机理为诱导应力和弱化断裂性质两方面。诱导应力方面包括:SC-CO2低黏度和高扩散性导致的孔隙压力场和热应力场,共同降低有效应力并诱发天然裂缝的剪切破坏(TH-M);SC-CO2相变释放的能量以冲击载荷和热应力的形式促进裂缝动态扩展(TH-M)。弱化断裂性质方面包括:零表面张力的SC-CO2可进入微裂纹尖端,降低裂缝扩展所需的缝内净压力(H-M);SC-CO2吸附在微裂纹表面,降低裂缝失稳扩展所需的临界应力(C-M)。因此,SC-CO2压裂易于形成以Ⅰ-Ⅱ混合型破坏为主的多裂缝,适合改造裂缝性致密储层。未来应积极开展SC-CO2三维裂缝扩展实验模拟,进行裂缝特征重构和定量评价,利用理论模型和数值模拟研究方法,实现研究尺度的升级,加快SC-CO2压裂工业应用进程。

深层干热岩水力剪切压裂认识与实践

深层干热岩水力压裂形成的裂缝网络是地下"冷注、热采"循环系统的流体流动和换热通道。注采循环井的"注不进、采不出"实质是水力压裂未成功建立沟通注水井和采热井之间的导流裂缝网络系统,该过程由流固换热(T)-流体流动(H)-裂缝形变(M)-化学溶蚀(C)耦合作用决定。通过THMC耦合开展室内测试和数值模拟研究发现:干热岩体内天然裂缝的法向剪胀形变开度是压裂改造的前提和机理,水平滑移量达到5 mm时,粗糙度对裂缝开度的影响逐渐消失,即裂缝的总开度几乎全为有效导流开度;低排量、低温的长期注入并不能快速消耗储热岩体的热能,天然裂缝的热诱导开度影响范围在5 m以内,提高排量是进一步扩大天然裂缝导流能力改善范围的必要条件;近井地带热交换(TH)形成的热诱导开度对导流开度的贡献率最高达92%,大于9.4 m的远井区域主要依靠水力剪胀作用(M)提高导流能力,其对导流开度贡献率从50%逐渐上升至99%;注入冷流体的不断升温,加剧硅质矿物的溶解能力,其最大化学溶蚀诱导开度为0.48 mm,对总导流开度贡献率最大为16.3%。