Influences of strain softening and seepage on elastic and plastic solutions of circular openings in nonlinear rock masses

Considering the influence of strain softening, the solutions of stress, displacement, plastic softening region radius and plastic residual region radius were derived for circular openings in nonlinear rock masses subjected to seepage. The radial stress distribution curve, ground reaction curve, and relation curve between plastic softening region radius and supporting force in three different conditions were drawn respectively. From the comparisons among these results for different conditions, it is found that when the supporting force is the same, the displacement of tunnel wall considering both seepage and strain softening is 85.71% greater than that only considering seepage. The increase values of radial displacement at 0.95 m and plastic softening region radius at 6.6 m show that the seepage and strain softening have the most unfavorable effects on circular opening stability in strain softening rock masses.

基于Pasternak海床模型的椭圆余弦波浪荷载作用下埋置管线动力响应解析解

通过两阶段分析方法,针对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应进行了探究。基于椭圆余弦波理论,采用Biot固结方程推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管线所受的周期波浪压力;将管线考虑为动力Pasternak海床模型上的Euler-Bernoulli梁,将波浪动荷载施加到管线上获得无限长管线的动力响应偏微分控制方程;利用Fourier变换和Laplace变换并借助卷积定理得到管线挠度、速度、加速度、转角、弯矩和剪力的动力响应解。通过与三维有限元数值算例及既有试验结果对比验证了解析解的正确性与适用性。对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应特性进行了敏感参数分析,结果表明:波浪高度H显著影响了波面形状与海床内波浪力大小,不同浪高下管线转角、弯矩和剪力的变化更明显,而挠度、速度和加速度响应敏感性则较低。

考虑流体相变效应的粗糙裂隙非线性渗流换热机理

三维粗糙裂隙渗流换热机理的研究,对提升地下热储层的热提取率意义重大。当前,热开采过程中的多场耦合问题已取得了丰富的成果,但热开采过程中流体的相变作用对裂隙渗流特性及传热变化的影响却鲜有涉及。为剖析流体相变作用下的非线性渗流换热机理,以三维粗糙裂隙为研究对象,基于Fluent软件建立单相与多相流-热耦合模型,对比是否考虑相变作用的不同入口流速、入口温度和壁面温度时的局部换热系数分布特征。结果表明未考虑相变作用时,壁面局部粗糙程度控制局部换热系数的分布特征;基于Forchheimer公式,得知流体传热过程中非线性渗流特性显著。考虑相变作用后,流体呈现类似剪切稀释流体的特征,而气相体积分数则对系统换热过程起主导作用。因此,考虑流体的相变效应可以更准确地揭示热开采过程中的渗流特征和热提取效率的演化机理。

稠油油藏体相流体非线性渗流理论模型

根据稠油油藏体相流体渗流特点,建立基于稠油吸附边界层和屈服特性影响下的稠油体相流体非线性渗流理论模型及启动压力梯度理论公式,并利用岩心渗流与启动压力梯度试验结果对理论模型计算结果进行验证。结果表明:理论计算结果与试验结果拟合较好,启动压力梯度理论公式计算结果平均偏差为7.77%,稠油油藏体相流体非线性渗流理论模型计算结果平均偏差为7.50%,均在可接受偏差范围内,并且该模型针对不同流变类型的流体渗流都具有较好的普适性。

泥石浆型复杂破碎岩体非线性渗流数学模型与实验研究

断层、陷落柱是影响承压水上煤层开采的主要隐患之一,由于其具有碎石块和泥质充填物(泥石浆)构成的复杂结构,其渗透性的确定通常以定性分析为主,缺少量化模型。为了研究泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的量化计算方法,开展了渗流实验研究破碎岩体非线性渗流规律,并基于多孔介质分形理论、非线性渗流理论,建立了考虑黏土成分及泥化充填作用的破碎岩体非线性渗流数学模型,最后与实验结果对比验证数学模型的准确性。结果表明:①陷落柱破碎带样品的粒度分布具有一定的分形规律,含有黏土颗粒的破碎带岩体遇水泥化后,分形维数增大,黏土充填封堵了大颗粒岩石碎块内部的大孔隙,降低了破碎岩体的渗透性;②随着破碎带岩体渗透率的降低,非线性开始发生时的临界压力梯度也增大,表明非线性临界压力梯度可以用来量化破碎岩体的阻隔水能力;③非线性开始发生时的临界压力梯度的实验结果与数学模型计算结果吻合,验证了模型的准确性。建立的破碎岩体非线性渗流数学模型首次尝试考虑了黏土成分及泥化充填作用对渗透性的影响,为泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的定量计算及水体下、承压水上等特殊开采条件下地质构造的阻隔水性能研究提供了一种新的研究思路。

黄土丘陵山区坝前淤积土固结渗透试验及其预测模型

为研究宁夏南部山区坝前淤积土非线性渗透特性,以宁夏南部黄土丘陵山区小型水库除险加固中“坝前淤积面加坝”技术为工程背景,通过固结渗透试验获得了50、100、150 cm深度原状淤积土施加25、50、100、200、400、800 kPa压力下的竖向变形量及渗透系数。针对宁夏南部山区水库坝前淤积土的特性,在分析常见非线性渗透模型基础上,利用皮尔逊相关性和灰色关联度分析方法,计算渗透系数与不同形式孔隙比之间的相关性,给出符合本地区坝前淤积土的双对数非线性渗透模型。结果表明:渗透系数与400 kPa固结压力下孔隙比的皮尔逊相关系数和灰色关联系数分别为0.968、0.893,二者相关性显著性较高,而且均高于其他形式孔隙比的相关系数;拟合的双对数非线性渗透模型的决定系数R~2在0.93以上,较好反映了宁夏南部山区坝前淤积土渗透特性,弥补了单指数渗透模型预测精度不足和参数复杂的缺陷;建立的固结-渗透系数表达式,为坝前淤积土大变形非线性排水固结研究奠定了基础。

深层页岩气非线性渗流的温度效应

为了研究温度变化对高温高压的深层页岩气藏产能的影响,建立了考虑变温吸附和随温度变化的压缩因子和黏度的页岩气非线性渗流模型,推导了考虑弹性变形和吸附应变的非均匀孔隙度和渗透率演化模型,发展了具有显式迭代格式的高效的半解析算法,将数值模拟结果与现场生产数据进行对比,验证了所建立模型和算法的正确性,分析了温度变化对深层页岩游离气、吸附气和总产量的影响.结果表明,压力越高,游离气产量受温度影响越小.当地层温度上升40°C时,浅层页岩游离气的产量降低14.5%,而深层页岩游离气产量增加1.4%.相反,压力越高,温度变化对吸附气产量的影响越大.当温度上升时,浅层和深层页岩吸附气的产量分别降低19.3%和31%.浅层页岩气因温度变化总产量相差约15%,而深层页岩气总产量受温度影响不大.在其他条件相同的情况下,高温高压的深层页岩气前5 a的累计产气量是浅层的1.76倍.所建立的模型和算法可以为深层页岩气的高效开发和优化设计提供参考.

煤层裂隙粗糙度与瓦斯开采效率耦合数值模型

在CO_(2)驱替增强开采过程中,煤层裂隙行为对封存/采收有显著影响。为了解决多物理场耦合效应下裂隙粗糙度演化对工程效率影响尚不明确的难题,建立了一种创新的跨学科数学模型,提出定量描述煤层裂隙粗糙度的参数,并将其与煤层多场效应下的气体流动控制方程耦合,研究了煤层瓦斯开采过程中的热-流-固耦合效应及裂隙网络特性。结果表明:数学模型与实地数据吻合良好,能够表征煤层裂隙粗糙度;裂隙粗糙度对煤层瓦斯剩余压力及注入CO_(2)气压有显著影响;当粗糙度参数由0.24降至0.18时,煤层瓦斯含量最大降低32.5%,CO_(2)压力最大增加26.7%,煤层瓦斯吸附量最大降低31.7%,CO_(2)吸附量最大升高12.1%。

裂缝-孔隙性致密砂岩液相侵入机制研究

由于部分致密砂岩气藏具有裂缝-孔隙性双重介质特征,且致密砂岩基质孔道极其细小并具有强水润湿性,在钻完井过程中极易受到水相侵入损害。本文结合致密砂岩气藏水相侵入问题的研究现状,开展不同静水压力和不同裂缝宽度条件下的液相侵入可视化实验,从微观角度对致密砂岩裂缝内的水相侵入规律进行研究。结果表明:液相在侵入过程中主要受毛细管力、流体自身重力、毛细管壁面对流体产生的黏滞阻力以及惯性力共同作用;由于致密砂岩孔隙的空间尺度小,分子间力(主要是指流体分子与固体表面间的作用力)作用显著,黏滞阻力作用加剧,流体在流动过程中表现出非线性渗流特征。

渤海湾盆地歧口凹陷古近系沙三段页岩油储层非线性渗流特征

通过高压压汞与低温气体吸附实验,结合核磁共振在线检测系统和驱替实验,对渤海湾盆地歧口凹陷古近系沙三段页岩油储层的渗流特征进行了研究。研究结果表明:①歧口凹陷古近系沙三段3种岩相页岩的微孔数量占比最大。与块状泥岩相比,纹层状及层状页岩储层的孔径大于100 nm的中大孔喉更为发育,储集性及渗流能力更优。②赋存在页岩储层大孔喉中的可流动油能有效产出,但由于渗流阻力较大,微小孔喉(小于100 nm)中的油即使在很大压差下也难以产出。③页岩储层中的石油渗流具有启动压力梯度和非线性渗流的特征,但不同岩相的渗透特征差异较大,其中纹层状页岩拟启动压力梯度最小,渗流能力最强,层状页岩储层具有一定的渗流能力,块状页岩储层渗流能力最差。在相同压力梯度下,块状页岩中的流量仅为纹层状页岩中流量的10%左右,基本无自然产能。

深厚覆盖层上的面板堆石坝防渗布置最优方式

深厚覆盖层上修建面板堆石坝通常采用混凝土防渗墙-连接板-趾板-面板形成完整的防渗系统,防渗墙用于基础防渗,连接板用于协调防渗墙和趾板间不均匀变形。防渗布置可采用单防渗墙、双防渗墙、单连接板、双连接板等多种组合方式,何种防渗布置方式更为高效难以采用理论分析,为揭示防渗布置方式对面板堆石坝工作性态的影响规律,结合某深厚覆盖层上的面板堆石坝,采用三维非线性有限单元法对其进行施工和蓄水过程仿真模拟,研究不同防渗布置方式对坝体、坝基、防渗体系应力变形的影响,结果表明增设防渗墙、连接板并不能实质性地改善防渗体系的应力和变形,反而增加了防渗体系的复杂度、施工难度和工程造价。

考虑时空相关性的大坝渗压组合深度学习预测模型

针对现有大坝渗压组合预测研究大多仅基于单一测点进行建模,忽略了大坝渗压多测点测值的时空相关性,且大多采用线性组合策略,存在难以捕捉子模型间的非线性特征等问题,提出一种考虑时空相关性的大坝渗压组合深度学习预测模型。首先,采用K近邻(KNN)优化密度峰值聚类(DPC)算法的局部密度函数,以实现渗压时序时空相关特征的提取与自适应聚类;其次,在采用小波分解(WD)对渗压时序进行多尺度细化的基础上,利用小波神经网络(WNN)捕获渗压时序数据的高频细节特征,并基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)建立渗压时序数据的低频趋势特征与时空特征、外界环境影响因子之间的高度非线性映射模型;进一步,基于长短期记忆网络(LSTM)对高、低频特征序列的预测结果进行非线性组合,以捕捉子模型之间的非线性特征。工程案例分析结果表明,相比于未考虑时空相关性的单点预测模型和采用线性组合策略的时空预测模型,所提模型的预测精度分别提高了75.7%和41.4%,验证了所提模型的有效性,为大坝渗流安全监控提供了新思路。

超重力下CuAg合金熔体在石墨多孔介质中的非线性渗流

合金熔体的超重力浸渗是制备金属基复合材料最重要的工艺之一。高温熔体在超重力浸渗过程中极易发生坩埚渗漏,严重影响合金凝固过程的传热和形核,进而影响材料的凝固组织。本文借助超重力凝固工艺,研究超重力下Cu-8%Ag合金熔体在石墨坩埚多孔介质中的渗流过程,分析超重力下Cu-8%Ag合金熔体在石墨坩埚多孔介质中渗流的影响因素,揭示超重力下CuAg合金熔体在石墨多孔介质中的非线性渗流机理,提出抑制超重力下高温熔体在多孔介质中渗流的预防措施。

雅口航运枢纽围堰过流面局部破坏成因分析

汉江雅口航运枢纽工程二期围堰是以粉细砂为主要填筑材料,并辅以土工复合材料和素混凝土板抵抗水流冲刷的过水围堰。围堰经2021年洪水过流后,过流面混凝土板出现了局部脱空、板间连接钢筋断裂等局部破坏现象,采用非线性有限元方法对过水围堰的应力-变形情况进行数值模拟,进而分析围堰局部破坏原因,提出预防措施。结果表明,在重力及水荷载共同作用下,围堰过流坝坡面不均匀沉降变形过大,致使抗冲刷混凝土板与堰体填筑料间存在不同程度的脱空,板间连接钢筋受力状态由受拉转变为受剪,局部因强度不足发生剪断破坏,最终导致混凝土板的整体性降低,抗水流冲刷能力不足。减小不均匀沉降是预防此类破坏的关键所在,为此可加强填筑碾压,提高材料的密实度,进而增强坝体的抗沉降变形能力;在混凝土板下方设置土工膜反滤,提高材料的抗渗透变形和抗水力冲刷的能力。

考虑土体强度非线性的富水盾构隧道开挖面三维稳定性研究

为了计算高水压条件下开挖面有效支护力,评估盾构掘进的安全性,在极限分析上限理论框架下,构建开挖面三维曲线圆锥主动破坏机构。首先,采用切线法将非线性强度准则线性化,并引入经验水头公式描述开挖面附近水头分布;其次,提出一种水平分层积分法来计算渗透力功率,建立考虑渗流效应的功率平衡方程;第三,求解盾构土仓内有效应力目标函数,采用序列二次优化算法优化目标函数,求得支护力的最优上限解;最后,通过对比,验证本文计算结果的合理性和正确性,分析非线性系数和水位高度对有效支护力的影响。研究结果表明:在渗流条件下,非线性系数和单轴抗拉强度对开挖面稳定性的影响不利,增大初始黏聚力有利于开挖面的稳定,水头差对支护力具有显著的影响。

页岩油岩心微纳米尺度非线性渗流实验研究

针对页岩油储层储集空间以纳米级为主、毛管现象显著、渗流规律复杂等问题,利用自主设计的显微观察与毛管测量相结合的微流量计量方式,实现了对页岩油岩心低压力微流量的精确计量,建立了页岩油岩心微纳米尺度非线性渗流的实验方法,并对不同岩性的页岩油岩心进行了渗流特征测试。研究表明:泥质粉砂岩岩心的渗流曲线在低压力梯度段呈现“下凹”型渗流特征,而纹层状页岩岩心的渗流曲线则呈现“上凸”型渗流特征,但达到一定的压力梯度后,渗流曲线都呈现拟线性渗流特征。纹层状页岩岩心的真实启动压力梯度小于泥质粉砂岩,且真实启动压力梯度和拟启动压力梯度相差更大。

煤层中瓦斯渗流规律的技术研究

针对目前煤炭开采逐步转化为深部开采,瓦斯问题也日趋严重的现状,以预制裂隙煤体为研究对象,进行了三轴加载压缩试验和三轴渗流试验,研究了不同裂隙面积煤体在应力作用下的力学特性与渗流规律。试验结果表明:不同裂隙面积煤体在应力加载下的应力变化曲线基本趋于一致,试样在加载压缩阶段、压密阶段与弹性阶段几乎密不可分,在围压加载阶段已经完成试样的压密;根据测得的压力梯度与流速拟合结果发现,裂隙渗流有明显的非线性特征;随着有效围压的增大,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β增大;随着裂隙面积的增加,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β也逐渐减小。

润湿性对模拟原油微尺度流动和渗流的影响

考察了流体在不同润湿性条件下在低渗透多孔介质微米量级孔喉中流动的渗流特性,实验研究了模拟原油(航空煤油与胜利油田原油以5∶1的体积比配制)在内径为14.9μm、5.03μm、2.05μm的亲水和憎水微圆管中的流动特性。结果表明,模拟原油在5.03μm和2.05μm亲水和憎水微管中的流动均出现了明显的微尺度效应,流动规律均偏离经典理论,且模拟原油在亲水微管中的流量高于其在憎水微管中的值。根据微管实验数据,利用毛管束模型分析了润湿性对模拟原油在多孔介质中渗流特性的影响。在考虑微尺度效应的条件下,模拟原油在低渗透多孔介质中的流动为非线性渗流,润湿性显著影响。在其他条件相同时,模拟原油在亲水模型中的视渗透率大于其在憎水模型中的值。

渗流力学进展与前沿

基于1856年法国工程师H.Darcy的著名Darcy渗流理论,回顾了渗流力学由达西渗流朝向非达西渗流、牛顿流体渗流朝向非牛顿渗流、连续介质渗流朝向非连续介质渗流方向的发展进程。总结归纳了渗流力学在石油工业中的应用发展历程:渗流力学在油气运移、聚集和形成油藏的油气勘探中的应用;渗流力学在认识、开发及改造油气藏的油气田开发的应用;渗流力学在油气库的地质结构、水污染、盐碱化以及三次采油的油气储运中的应用。展望了借助于先进的物理、数学方法,将传统的渗流力学理论与新兴科学技术融合发展起来的多场耦合渗流、宏微渗流和多尺度渗流理论的研究前沿与挑战。随着科学技术的飞速发展,更多现代方法和技术将会推动着渗流力学理论进一步发展。