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。      

模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法

描述了一种计算裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法。这种方法忽略裂隙的毛细作用,设定一个与某孔隙饱和度相对应的综合饱和度极限值,并假定：（1）如果裂隙多孔介质的综合饱和度小于该极限值,水只在孔隙中存在并流动,而裂隙中则没有水的流动;（2）如果综合饱和度等于或大于该极限值,水将进入裂隙,并在裂隙内运动。分析比较了等效连续体模型的不同计算方法,并给出了一个模拟裂隙岩体中变饱和渗流与传热耦合问题的应用算例。结果表明,所述方法具有一般性,可以有效地模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的基本特征。     

离散裂隙渗流方法与裂隙化渗透介质建模

流体渗流模拟的连续介质方法通常适用于多孔地质体，并不一定适用于裂隙岩体，由于裂隙分布及其特征与孔隙差异较大。若流体渗流主要受裂隙的控制，对于一定尺寸的裂隙岩体，多孔介质假设则较难刻划裂隙岩体的渗流特征。离散裂隙渗流方法不但可直接用于模拟裂隙岩体非均质性和各向异性等渗流特征，而且可用其确定所研究的裂隙岩体典型单元体及其水力传导（渗透）张量大小。主要讨论了以下问题：（1）饱和裂隙介质中一般的离散流体渗流模拟；（2）裂隙岩体中的REV（典型单元体）及其水力传导（渗透）张量的确定；（3）利用离散裂隙网络流体渗流模型研究裂隙方向几何参数对水力传导系数和REV的影响；（4）在二维和三维离散裂隙流体渗流模型中对区域大裂隙和局部小裂隙的处理方法。调查结果显示离散裂隙流体渗流数学模型可用来评价不同尺度上的裂隙岩体的水力特征，以及裂隙方向对裂隙化岩体的水力特征有着不可忽视的影响。同时，局部小裂隙、区域大裂隙应当区别对待，以便据其所起的作用及水力特征，建立裂隙化岩体相应的流体渗流模型。     

焦作矿区双重介质裂隙网络渗流与渗流模型研究

焦作矿区矿井水害严重,位于煤层底板下的石炭系薄层灰岩中的第八、第二层,以及奥系灰岩岩溶含水层是矿井主要充水水源。裂隙是矿区岩溶水渗流的主要通道,裂隙介质的不均匀性、各向异性、不连续性等特征非常明显,且不同规模的裂隙对岩溶水渗流的贡献不同。根据裂隙介质对岩溶水渗流所起的作用,对那些控制矿区岩溶水渗流分布且起主导渗透作用的巨型和大型裂隙建立非连续介质裂隙网络三维渗流模型;对大型和巨型裂隙之间的裂隙岩块建立连续介质渗透张量模型,两模型耦合在一起组成双重介质裂隙网络三维渗流模型。该模型能较好地刻画矿区岩溶水渗流和突水特征      

基于分布式光纤温度示踪探测裂隙岩体地下水渗流特征

认识深部裂隙岩体中的地下水渗流特征(流速、渗流路径等),是深部地质工程开发建设的重要前提。近年来,分布式光纤测温技术作为识别深部裂隙岩体地下水渗流特征的有效方法,在国外开展了大量的研究,但在国内鲜少见在实际场地开展的相关工作。本研究以我国首个地下实验室场址甘肃北山新场花岗岩岩体中的两个钻孔(BSQ02及BSQ03)为试验对象,开展基于分布式光纤测温(Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing,FO-DTS)的现场温度-水力试验,实现了对钻孔地下水温度的高精度、连续性观测。通过分析现场试验获取的钻孔温度-深度剖面随时间的变化,推断BSQ02在试验过程中存在外源地下水的流入,然后结合钻孔柱状图对钻孔中的入流导水裂隙进行了定位;基于现场观测数据建立了钻孔的渗流-传热耦合数值模型,反演估算出钻孔中地下水平均流速为0.01 m·s-1,通过裂隙流入地下水温度小于钻孔中原地下水温度,两者之间的温度差为0.7 ℃,通过裂隙流入的地下水流速为1×10-5 m·s-1,获取了地下水的渗流特征。该项工作可为基于分布式光纤测温技术的裂隙介质地下水渗流规律研究提供借鉴与指导。     

裂隙参数对P波的影响及裂隙检测可行性数值研究

在油气勘探、工程探测等领域中，各向同性介质的背景上，因存在裂隙导致各向异性，描述裂隙的两个主要参数是裂隙密度和裂隙方位。这里以Hudson理论为基础，通过数值计算，分析了描述裂隙介质的两个主要参数对P波速度和衰减的影响，同时，分析了利用P波属性检测裂隙发育带的可行性。     

基于NSMC方法的某核工程场地裂隙地下水数值模拟不确定分析

裂隙介质渗透结构表现为高度的非均质性与各项异性。为了科学有效地预测某核工程场地裂隙地下水的流动规律,揭示裂隙岩体地下水的渗流特性,笔者等采用Pilot Point调参方法与null space Monte Carlo方法(NSMC),开展了裂隙岩体渗透结构的不确定性分析研究,构建了符合实际水文地质条件的多个渗流数值模型集合。结果表明：该方法获得的各个实现地下水位模拟结果能够与实际观测数据较好吻合,可反映工程场地裂隙地下水动力特征与流动趋势;各个实现的参数化渗透结构在空间上存在一定的差异性,但整体变化趋势是保持一致的,渗透参数的不确定性表现为在实测数据分布区域相对较低,钻孔空白区域相对较高;该方法可以弥补单一、确定性模拟结果在表征裂隙介质渗透结构方面的局限性,有效地降低模型参数的不确定性与随机性。此方法对进一步提升裂隙岩体渗流模拟精度与预测能力,深化裂隙地下水迁移规律的认识具有重要的意义。     

基于NSMC方法的某核工程场地裂隙地下水数值模拟不确定分析

裂隙介质渗透结构表现为高度的非均质性与各项异性。为了科学有效地预测某核工程场地裂隙地下水的流动规律,揭示裂隙岩体地下水的渗流特性,笔者等采用Pilot Point调参方法与null space Monte Carlo方法（NSMC）,开展了裂隙岩体渗透结构的不确定性分析研究,构建了符合实际水文地质条件的多个渗流数值模型集合。结果表明：该方法获得的各个实现地下水位模拟结果能够与实际观测数据较好吻合,可反映工程场地裂隙地下水动力特征与流动趋势;各个实现的参数化渗透结构在空间上存在一定的差异性,但整体变化趋势是保持一致的,渗透参数的不确定性表现为在实测数据分布区域相对较低,钻孔空白区域相对较高;该方法可以弥补单一、确定性模拟结果在表征裂隙介质渗透结构方面的局限性,有效地降低模型参数的不确定性与随机性。此方法对进一步提升裂隙岩体渗流模拟精度与预测能力,深化裂隙地下水迁移规律的认识具有重要的意义。     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

在裂隙含水层中水质运移的集中型模型

裂隙性含水层通常用双重介质来描述其渗流特性,即由裂隙系统和岩块系统组成双重介质来模拟地下水的运移。裂隙系统的孔隙度很小、渗透率很大,而岩块系统则反之,因     

岩石裂隙毛管压力-饱和度关系曲线的试验研究

介绍了三峡花岗岩体裂隙毛管压力-饱和度试验。试验采用互不溶混驱替法。试验结果表明,在渗流基本特征方面,裂隙非饱和渗流毛管压力-饱和度关系曲线与空隙介质水分特征曲线具有相似性,如毛管压力-饱和度关系曲线的滞后现象;湿润流体(水)的排泄曲线具有进气压和束缚水饱和度;非湿润流体的吸湿曲线具有残余饱和度。这种相似性表明,孔隙介质非饱和渗流的研究成果可用于裂隙非饱和渗流,孔隙介质水分特征曲线的解析模型,可用于研究裂隙毛管压力-饱和度关系曲线和拟合毛管压力-饱和度排泄曲线的试验数据。     

近直立煤储层裂隙系统及优势渗流通道特征研究

为系统研究近直立煤储层裂隙系统发育特征,利用新疆库拜煤田中部近直立煤储层地表出露良好和生产矿井煤储层裂隙便于观测的有利条件,采用地表高精度构造裂隙填图和矿井煤储层裂隙观测技术,结合实验室扫描电镜和偏光显微镜观测方法,研究了近直立煤储层宏观和微观裂隙系统的发育特征。研究发现该区层面裂隙和外生裂隙延伸长、宽度大,是煤层气运移的优势渗流通道。同时分析了不同埋深条件下地应力场状态,阐明了研究区3种优势渗流通道分布特征为:(1)670 m以浅,优势渗流方向为NNW、NNE向;(2)670 m左右,优势渗流方向为近EW、NNW和NNE向;(3)670 m以深,优势渗流方向为近EW向。解释了层面裂隙、外生裂隙、内生裂隙和微裂隙的形成原因,揭示了渗流通道的形成模式,为研究区煤层气的勘探开发提供了地质依据。     

奇异的波至现象

1997年，笔者在水力压裂后砂岩产油井中进行高分辨率VSP工作时，除观测到常规纵波及转换波,还观测到来自产油层的几种奇异的慢速波至。由于该慢速波至的性质不明，按视速度从高到低分别命名为W1，W2，W3，…（W为wave的第1个字母），在顺5井裂隙优势方向，1210m深度上观测到5种反射波；反射纵波，反射转换波，W1，W2，W3波，在裂隙非优势方向上，W2，W3波没有出现，在顺4井1532m深度上观测到4种反射波；反射纵波，反射转换波，还有2种慢速波至，为了区别于顺5井中观测到的慢速波至，将其命名为W4，W5波。结合该区钻井，测井，地面地震，井间地震等资料对观测到的慢速波至进行了详细分析，分析结果表明：该慢速波至既不属于不均匀介质产生的绕射波，侧界面产生的反射波，槽波，管波，斯通利波，也与Biot慢纵波动力学特征相悖，现有波动理论不能解释这种慢速波至现象，这意味着地球内部介质中存在人类还未认识的弹性波传播规律。     

交叉裂隙渗流无网格法初探

作为两相介质的裂隙岩体,裂隙渗流是岩体渗流的主体。由于岩体的网状裂隙用传统的方法难以模拟复杂裂隙系统的水流特征。为此,基于岩体随机裂隙三维网络数值模拟,提取裂隙二维网络,并试用基于移动最小二乘近似的最小二乘法之无网格法来模拟岩体中交叉裂隙的渗流规律,通过自行编制的程序进行了简单示例与工程实例的试算,获得了较好的模拟结果,证实了无网格法模拟岩体裂隙流的可行性。     

应用化学动力学求解裂隙-岩溶介质渗流参数

裂隙-岩溶介质渗流参数的确定问题是制约渗流计算精确度的重要因素,目前求解裂隙-岩溶介质渗透参数的方法如几何形态法、现场测试法和反馈分析法等都各有局限。笔者试图将化学动力学理论引入裂隙-岩溶介质渗流参数分析计算中,研究一种有效的适合岩溶地区裂隙岩体渗流运动特点的间接参数求解方法。工程实践证明：用水化学动力学方法求解碳酸盐岩裂隙渗流参数是可行的,它具有一定的实用价值。     

非饱和裂隙岩体渗流的统计模型研究方法

常规方法研究非饱和裂隙介质往往采用宏观连续体的概念,然而现场试验证明,非饱和裂隙岩体中的渗流具有相当的非均质性。天然裂隙岩体的非饱和渗流是发生在三维裂隙网络中的多场非等温流,要在不完整的信息基础上刻画和表现介质的不均匀性,通常借助随机模拟的手段。将三维裂隙系统近似为概化的二维非均匀多孔介质的二维平面裂隙。采用模拟退火法将取自各种来源的信息资料通过建立适当的目标函数汇集至模型之中,以此模拟裂隙的空间特征。     

岩体非连续裂隙网络水力学特征

介绍了非连续裂隙网络及其水流自动模拟系统。针对实测的非连续裂隙网络，就其等效多孔介质的存在性、非连续裂隙网络系统的的边界效应等水力学特征进行了分析。研究表明：即使一个非连续裂隙网络的渗透性征可以用一个对称的二阶张量描述，也无法保证等效多孔介质是存在的。     

裂隙岩体渗流概念模型研究

裂隙岩体中的渗流和传统的多孔介质渗流在机理上存在本质的差别,这种差别主要表现为裂隙岩体在各种尺度上存在的非均质性。模拟裂隙岩体渗流的主要困难在于描述这种非均质性。目前的概念模型,包括等效连续体模型、离散裂隙网络模型和混合模型使用了不同的技术来预测裂隙岩体中的渗流。这些模型基于不同的假设和概念框架,有着各自不同的优缺点。在实际应用时,应当根据研究域的具体特点和所要解决的问题的要求对其选择,此外,还讨论了单裂隙的概念模型。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

随机裂隙岩体渗流-应力耦合分析的块体单元法

视岩石裂隙为一种“充填介质”,进而将有填充物和无填充物的裂隙统一处理,推导了裂隙面的刚度系数、导水系数和法向应力之间的关系式。在此基础上,根据块体单元法的应力、渗流分析的基本原理,即认为岩块为刚体、变形集中发生于裂隙面,假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,并考虑了法向应力和裂隙面刚度、导水系数的关系式,运用两场交叉迭代法,提出了三维随机裂隙岩体渗流与应力耦合分析的块体单元模型。编写了相应的Fortran程序,该程序将块体元的应力、渗流两个分析模块整合在一起,计算效率较高。该模型的最大优势是能考虑大规模复杂的节理、裂隙,且前、后处理简单。通过沙沱重力坝的分析,验证了方法的准确性和有效性