气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与单轴压缩力学行为研究

为了研究初始孔隙对气孔杏仁状玄武岩力学行为的影响规律,提出了一种考虑计算孔隙率、体积参数、形状参数、角度参数和构造参数的气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建方法,基于建立的随机模型开展了五因素五水平的单轴压缩正交数值模拟,分析不同模型的应力-应变曲线、破坏模式和破坏特征。结果表明：计算孔隙率、角度参数和构造参数对于岩石的单轴抗压强度和弹性模量有较大影响,岩石的单轴抗压强度和弹性模量均与计算孔隙率、角度参数呈负相关,与构造参数呈正相关,与其余因素相关性较弱;随着模型孔隙率的增加,气孔杏仁状玄武岩应力-应变曲线中塑性应变占比随之增加,破坏模式由单剪切破坏面、多剪切破坏面转为局部粉碎状破坏,岩石由脆性破坏逐渐转为延性破坏,5%和12.5%可近似作为强脆性―脆性―延性转换的临界孔隙率;建立的损伤统计本构方程能够根据初始孔隙特征较好地预测气孔杏仁状玄武岩的力学行为,对于玄武岩地层中多孔岩石力学性质的确定具有重要意义。     

用积分法求取岩石孔隙结构特征值

针对图解法求取孔隙结构特征值使用条件严格,同时误差较大,而矩法饱和度范围又受限于试验。采用积分法求取特征值,即对孔隙半径进行积分求取特征值。积分法必须先获取孔隙半径数学表达式,即毛管压力数学模型。对毛管压力数学模型进行了探究,在双对数坐标系下推导并建立了毛管压力幂函数模型,采用最小二乘法求取模型参数,并通过对比Sami论文数据验证了推导的模型。深入分析矩法与积分法的联系可知,代入孔隙半径数学表达式即可用积分法求取岩石孔隙结构特征值。最后,对3种方法求取结果进行分析讨论,得出积分法算法严谨,更加接近真实值。这一研究加深了对岩石微观孔隙结构认识。     

分形渗透模型在饱和冻土中的应用

冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。     

利用毛管压力曲线分形分维方法研究流动单元

利用取心井铸体薄片获得的图像资料和毛管压力曲线,通过图像分形几何学方法以分维数的形式定量地表征出了复杂的微观孔隙喉道结构特征,发现能够很好地划分和评价孔隙岩石中油、气、水的渗流差异,可以用于储层微观流动单元表征。文中阐述了岩石微观孔隙喉道结构分形的理论基础、计算方法和应用于表征流动单元的依据。建立了中国西部砾岩低渗透油藏微观孔隙喉道分维数与孔隙度、渗透率之间计算图版,据此在油藏中利用常规测井资料获得的孔隙度、渗透率参数计算微观孔隙喉道分维数,开展全油藏流动单元划分与评价,取得了良好的效果。研究结果表明,利用毛管压力曲线分形分维方法研究储层微观流动单元是一种很有效的途径。     

植被发育斜坡土体大孔隙三维重构模型渗流场的LBM数值模拟

以云南昭通头寨植被发育斜坡土体为研究对象,结合CT扫描试验与数字图像处理技术实现了其三维大孔隙空间结构模型的重构。然后基于格子Boltzmann方法（LBM）的D3Q19模型,将固体土骨架视为渗流场边界,并设置反弹格式的边界条件模拟土骨架与水分间的相互作用,从细观角度研究了水在植被发育斜坡土体大孔隙中的渗流特性。研究结果表明：土体渗流过程中,在大孔隙纵向连通的通道内形成了优先流,且通道中的流速远超其他部位;而在封闭或者连通性差的大孔隙中导水率极小,流速几乎为0。土体中大孔隙通道内的流速由孔壁至通道中心逐渐增大,且流速与至通道中心的距离近似呈二次抛物线的分布特征。沿深度方向土体切片大孔隙率大的截面平均渗流流速Uz也较大,从整体变化趋势来看,截面大孔隙率与平均渗流流速有相似的变化规律,这充分说明植被发育斜坡土体内的大孔隙分布对土壤沿深度方向的渗流特性有重要影响。     

连续排水边界下考虑变荷载的软土一维非线性固结分析

土体往往具有非线性压缩特性,不同压缩特性下土体的固结规律存在差异。综合考虑土体非线性特性、变荷载作用以及连续排水边界条件建立了一维固结方程。采用无条件稳定的有限差分法和半解析法对固结方程进行了求解,两种解答方法的可靠性通过连续排水边界条件退化以及两种解答结果对比得到验证。在有限差分法解答的基础上,详细分析了界面参数、荷载参数以及非线性参数对土体固结的影响。结果表明：连续排水边界的界面参数取值越大,则超静孔隙水消散速率及土体沉降速率越大,但界面参数取值对最终沉降量没有影响;超静孔隙水压力在加载阶段逐渐增大,在恒载阶段逐渐消散;加载速率越大,则超静孔隙水压力峰值越大,并且土体固结速率越快,说明延长施工周期有利于降低超静孔隙水压力的影响;工程中要准确预测土体固结速率绝非易事,采用固结理论预测时需保证土体模型、边界条件以及土体计算参数等因素的准确性。     

考虑峰值后区应力跌落速率的脆岩损伤本构模型研究

为了研究和分析脆岩峰值后区变形破坏力学性质,引入统计细观损伤理论,针对以破坏微元体数目与总数目之比定义的损伤变量存在的局限性与不足,在分析非均匀性岩石峰后变形破坏特征基础上探讨脆岩细观损伤演化机制,建立了考虑破坏微元体引起岩石材料非均匀性的修正损伤模型,并提出模型修正系数的函数假设;然后,在此基础上推导建立了岩石修正统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法;最后,将模型理论曲线与试验曲线进行了比较分析,并对模型参数的变化规律进行了讨论。研究表明:该模型能够反映脆岩峰值后区不同应力跌落速率的现象,模型理论曲线及模型参数的变化规律与试验结果较为吻合,表明提出的模型和方法具有一定的合理性与可行性。     

基于Gudehus-Bauer模型的砂土中灌注桩护壁套管高频振动贯入速率

随着全套管护壁振动取土灌注桩施工工艺的发展,灌注桩在工程中的应用越来越广泛,但是关于灌注桩护壁套管高频振动贯入速率的研究较少。通过假定套管为刚体,将套管周围土体划分为同心轴的圆环柱体,利用Gudehus-Bauer亚塑性本构模型计算套管外侧各土体单元接触面间的剪应力和套管端部土体竖向应力,并考虑套管振动贯入过程中土塞效应,建立灌注桩套管高频振动贯入砂土中贯入速率的计算模型。将所提出的贯入速率计算结果和物理模型试验结果与有限元结果进行对比分析,验证了计算模型的合理性。通过参数分析,得到地基土体孔隙比、振动频率和套管直径对贯入速率的影响规律,为实际工程中快速、准确地预测套管振动贯入速率提供了可靠方法。     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。     

基于岩石颗粒排列方式的低渗透储层应力敏感性分析

以颗粒堆积模型为基础,考虑了低渗透岩心颗粒不同排列方式和不同变形方式,建立了毛管束模型,并通过颗粒Hertz接触变形原理对毛管变形量进行计算,研究毛管和多孔介质应力敏感性定量表征关系,通过有效毛管分数和毛管变形规律探讨了低渗透储层应力敏感性的作用机制。研究表明,低渗透储层的应力敏感性主要表现为渗透率的应力敏感性,相比于渗透率应力敏感性,孔隙度应力敏感性较弱;低渗透储层应力敏感性与岩石颗粒排列方式、颗粒变形方式、岩石微观孔隙结构、固液界面作用力和启动压力梯度效应等密切相关;考虑有效毛管分数和毛管变形量的多孔介质应力敏感性量化模型可从应力敏感性微观作用机制角度解释低渗透储层应力敏感性。     

中低渗高阶煤煤岩毛管压力数学表征

毛管压力对煤层气开发具有重要意义。为定量表征中、低渗高阶煤煤岩毛管压力曲线,开展了中、低渗高煤阶煤岩高压压汞实验,利用得到的毛管压力数据回归建立了新的毛管压力曲线双参数和单参数数学模型,并研究了参数a、b间关系,以及参数a、b对毛管压力的影响及其影响因素。结果表明,本研究拟合建立的新毛管压力模型能够很好地拟合中、低高阶煤样的高压压汞实验测试得到的毛管压力数据,拟合程度达到98%以上,为定量表征高阶煤储层毛管压力提供了经验公式。根据本文建立的新毛管压力经验公式,在以SHg为横坐标,以lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)为纵坐标的在直角坐标系中,SHg与lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)成幂指数关系lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)=aSHgb,因此可通过最小二乘法拟合计算参数a和b值,进而可以得到相应煤样的毛管压力数学模型。参数a和b呈负幂函数关系,其关系式为,基于该关系式,可进一步得到单一参数毛管压力数学模型为,则lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)和在双自然对数坐标中成线性关系,通过最小二乘法进行线性回归得到直线斜率即为b值,进一步简化了毛管压力模型。利用新数学模型开展数值模拟,发现煤样毛管压力随参数a和b增加而增加;参数a和b与孔渗的关系表明,参数a随渗透率、孔隙度增加而降低,成线性关系,而参数b则随渗透率、孔隙度增加而增加,均成指数关系。     

层状非均质多孔介质中LNAPLs污染物运移与分布的锋面扩展模型

通过建立二维物理模型,研究非饱和层状非均质多孔介质中轻非水相液体LNAPLs(Light Non-a-queous Phase Liquids)的入渗机制与变化特征,建立LNAPLs运移与分布的锋面扩展模型,探讨入渗阶段油流锋面扩展速率的变化规律。结果发现:模型中砂土的渗透系数、孔隙度及油的相对渗透系数对LNAPLs运移的锋面扩展速率影响较大,而油的饱和度与压头变化对其影响较小。当LNAPLs由中砂进入细砂与细砂倾斜透镜体时,砂的渗透系数、孔隙度及油的相对渗透系数减小,这种介质结构面的突变改变了LNAPLs锋面扩展速率,其在中砂中锋面扩展速率快而在细砂与细砂倾斜透镜体中锋面扩展速率慢。此外,当LNAPLs进入干湿界面后,由于毛细作用的增强与含水量的加大,其横向比垂向运移的平均锋面扩展速率大。     

储层岩石流动电位的电化学影响因素

利用储层岩石的流动电位特性描述油藏的流动特性已引起地球物理领域的关注。依据多孔介质中的双电层模型与毛管电化学理论,建立了渗流场、离子流场和电流场的耦合关系,数值模拟了泥质砂岩储渗特性和电化学因素对流动电位耦合系数的影响。结果表明:当考虑储层岩石中存在浓差极化效应时,流动电位耦合系数的绝对值随溶液浓度、阳离子交换量、孔隙度和渗透率的增大而增大;浓差极化效应对流动电位具有放大作用。     

Optimization of the Rock Physical Model in Tight Sandstone Reservoir

Krief model, Nur model and Pride-Lee model are usually used to calculate dry rock modulus of sandstone reservoirs, but they are not effective for tight sandstone reservoirs. Based on Krief model and Nur model, and minimizing the difference between predicted P-wave or S-wave velocities and measured velocities, we acquireed lithologic index m in Krief model and critical porosity ?_c in Nur model by Gassmann relationship. The empirical parameters used in the models are expressed as the values changing with depth, so the accuracy of Krief and Nur models to estimate the P-wave and S-wave velocities was improved, and these two models are called as the variable parameter Krief model and the variable parameter Nur model. In addition, comparing with prediction accuracy of P-wave and S-wave velocities under different constraints, we can see that the shear modulus formulas in the three models are more accurate and more suitable in the tight sandstone reservoir. Han’s relationship about K_dry and u_dry is not affected by porosity, lithology and other factors, and the paper established dry rock model by Han’s relationship and any one of the above three models. The new dry rock model was applied in the Gassmann relationship to predict S-wave velocity of H8 tight sandstone reservoir in Sulige Gas Filed, Ordos Basin, which improved the accuracy of predicting S-wave velocity. At the same time, lithology index m in Krief model, critical porosity ?_c in Nur model and consolidation parameters c in Pride-Lee model which are corresponding to each sample can be obtained. The values of these parameters can reflect lithology difference, pore structure, compaction degree and other characteristics, which indicate the geological characteristics of the reservoir.     

含碎石土壤水分入渗试验研究

采用一维积水垂直入渗法测定含碎石土壤的入渗过程,分析碎石含量和碎石组成对土壤水分运动影响。对试验数据采用Kostiakov入渗公式拟合,得出反映入渗速率的拟合参数比值与土石比成幂函数关系;采用简略的Philip垂直入渗方程幂级数解拟合湿润峰随时间的变化,拟合精度高,并发现拟合参数与土石比仍成幂函数关系。采用简单相关分析碎石粒径对入渗过程影响,得出粒径2~3 mm碎石与入渗过程成显著的负相关关系,而>25 mm碎石有利于入渗。研究结果可为含碎石土壤的水循环提供重要的基础。     

土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

为研究季节性冻土在冻融过程中水热盐的运移规律,在野外开展了一维及二维冻土水热盐运移试验,并通过Br离子示踪法及建立冻土水盐通量计算模型对土壤冻融过程中水盐的通量变化特性进行了计算分析。基于Hangen-Poiseuille孔隙通量方程,耦合孔隙冰柱体对水力传导度的影响机理,提出了冻土水流通量模型。结果表明,冻结过程中,液态水在水势和温度梯度作用下在冻结锋处聚集,形成通量峰值,冻融过程中自地表和最大冻深位置分别向下和向上的融化过程中,一维与二维试验水流通量变化对比表明,冻融过程中水流通量受到中间层冻土和地下水顶托的影响。冻土通量模型能够有效地描述冻土中不同温度条件下水流通量特性,从微观的角度很好地解释了土壤冻结过程中冰水共存状态下土壤中水流通量变化规律。     

基于核磁共振的地表积雪融化入渗试验模拟

自然条件下岩体的冻融损伤程度往往决定于岩体的含水状态。但以往研究更多的关注岩体冻融的温度条件,而对其湿度条件尤其是自然条件下的吸水过程则鲜有研究。通过自主设计的室内积雪融化入渗实验,模拟自然条件下地表积雪融化下渗的过程。通过核磁共振（NMR）分层含水率测试,对积雪入渗前后试样内部的含水状态进行了实测。实验结果表明：（1）积雪融化速度及融化后入渗速度受到样品孔隙结构的显著影响,开放的宏观节理是融雪融化入渗的理想通道,孔隙率越大积雪融化入渗速率越快,在孔隙率相近的情况下,孔隙的连通性越好积雪融化入渗速率越快;（2）融雪入渗过程中样品内部水分分布不均匀,融雪入渗后样品不同位置的饱和度差异明显;（3）融雪入渗后部分样品的饱和度并没有达到冻融损伤的门槛值。考虑到自然条件下积雪融化入渗条件更为苛刻,岩体的含水状态会成为制约冻融损伤过程的关键因素。