裂隙网络分维及其与渗透率的关系

在前人裂隙网络水实验室试验的基础上,依据分形理论对裂隙网络复杂系统进行简单的统计分析,获得定量描述这一复杂体系的特征值——分维,并查明它与裂隙网络渗透率之间的关系。从计算结果可以看出,裂隙网络(指有效裂隙网络)的分维值与渗透率之间存在明显的正相关关系,这有可能为裂隙网络渗透率的定量评价提供一个简单而又实用的方法。      

裂隙剪胀效应对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为了探讨在法向应力和剪应力的共同作用下裂隙开度的变化对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,引入裂隙的渗透系数与开度关系的“立方定律”,建立了裂隙渗透系数演化式。应用开发的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合二维有限元程序,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,分别在2组裂隙斜交和正交的条件下,针对与裂隙开度3种计算方式对应的6种工况进行了数值分析,考察了围岩中的温度、孔隙和裂隙水压力、裂隙开度、裂隙的渗透系数、地下水流速、应力的变化、分布状态。结果显示,当裂隙开度仅取决于法向应力时,裂隙开度受压应力作用产生的闭合量最大,从而裂隙水压力最高;而当裂隙开度是法向应力和剪切位移的函数时,由于“剪胀”效应,裂隙开度闭合量较前述情况为小,裂隙水压力居中;而当裂隙开度是常数时,裂隙水压力最低     

裂隙岩体非线性渗流特性分析

开展了不同围压下的裂隙岩体渗流试验,提出了一种简单的裂隙隙宽测量方法,并研究了渗流过程裂隙的变形特征;基于Forchheimer非线性渗流方程,计算了非线性系数及渗透率,分析了围压与非线性系数及渗透率的关系。研究结果表明,随着围压增大,岩样的渗透率减小,非线性渗流系数增大;裂隙粗糙度越大,越容易引起非线性渗流;裂隙水力开度与力学开度随围压变化趋势一致,水力开度约为力学开度的5%。     

页岩储层裂隙渗透率模型和试验研究

页岩储层的裂隙渗透率是评价页岩气开采的重要参数,基于裂隙法向刚度的概念,考虑页岩储层变形过程中裂隙系统和基质系统之间的相互作用以及页岩气解吸引起的体应变,提出了与有效应力相关的页岩储层的渗透率模型。然后分别分析了页岩气藏在单轴应变和常体积条件下的渗透率模型,分析表明,单轴应变和常体积条件下（3个方向的总应变都为0）的裂隙渗透率模型完全一致。采用脉冲衰减渗透率仪测试了煤系页岩的裂隙渗透率,当有效应力从0.7 MPa增加到14.5 MPa时,渗透率从41.81×10-17 m2降到5.43×10-17 m2。为了阐述渗透率模型的有效性,利用煤系页岩的渗透率数据对有效应力-渗透率模型进行拟合。结果表明,当裂隙的法向刚度、张开度和煤系页岩的初始渗透率分别为57 922.5 MPa/m、0.000 17 m和50.15×10-17 m2时,有效应力-渗透率模型和煤系页岩的渗透率拟合程度较好。然后利用现场渗透率数据对该模型进行拟合,结果表明,当裂隙的法向刚度和张开度的关系符合反比例函数时,拟合程度非常好。该渗透率模型适合于单轴应变、常体积和常围压条件,可用于描述页岩气开采过程中页岩储层裂隙渗透率随孔隙压力的变化规律。同时,该渗透率模型和P&M模型以及S&D模型进行了比较,结果表明,该渗透率模型的拟合结果与S&D模型基本一致,但与P&M模型存在一定的差别。     

裂隙概化模型的非饱和渗流试验研究

借鉴多孔介质非饱和渗流试验的研究成果,研制出一套可同时测定单裂隙毛细压力-饱和度以及非饱和渗透系数-毛细压力关系的试验装置.为检验试验装置的可信度和试验原理的正确性,并初步探讨单裂隙非饱和渗流的机理,特制作了一阶梯开度的裂隙概化模型(本文称之为“S-H”裂隙模型),并在上述试验装置上进行了“S-H”裂隙模型的非饱和渗流试验,初步阐明了单裂隙非饱和渗流的一些基本水力特性,同时试验结果也表明本文试验装置和试验原理合理可靠.     

基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟

模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明：裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10^-4～10^-6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。     

采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究

根据采动过程中裂隙岩体的应力变化,用法向载荷、剪切载荷和渗透水压分别模拟开采过程中采场的水平应力、垂向应力和水头压力,应用JAM-600型剪切-渗流耦合试验系统对裂隙岩体进行压剪-渗流藕合试验,探讨在恒定法向荷载(CNL)和法向刚度(CNS)条件下,裂隙岩体的法向载荷、裂隙粗糙度与渗透水压对试样的位移、应力和渗流性的影响规律,分析剪切位移大小和岩体裂隙的剪胀特性对裂隙岩体的剪切应力、法向位移、节理水力开度及渗透率影响规律。研究表明:剪切应力和水头压力对裂隙水力开度起促进作用,水平地应力对水力开度变化起抑制作用。随着剪切位移变化,水力开度可分为变小或持平、增大、稳定3个阶段。裂隙表面粗糙度越大,裂隙岩体的刚度越小,则水力开度最终稳定值越大。由于裂隙岩体的剪胀作用渗透率先变小后增大,剪切位移增大,渗透率增大;法向荷载增大,试件的渗透率越小;裂隙表面越粗糙,其渗透率越大,其研究结果可为岩体透水通道形成时的孕育、萌生和爆发的导渗灾变演化过程提供理论基础。     

热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力（化学）溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔（裂）隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示：3种工况的计算域中温度场基本相同;孔（裂）隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力（化学）溶解的共同作用下闭合量最大,负孔（裂）隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。     

采用Monte-Carlo模拟技术计算裂隙岩体的分维数

采用结构面现场测量及统计分析建立岩体结构的概率模型,进而采用Monte-Carlo模拟技术生成岩体裂隙网络模型,由生成的岩体裂隙网络模型计算岩体裂隙分布的分维数;并给出了工程应用实例。     

岩体单裂隙非饱和渗流毛管压力-饱和度关系研究

在进行裂隙岩体非饱和渗流研究中,选用合理的裂隙岩体毛管压力-饱和度关系曲线非常关键。基于裂隙岩体非饱和渗流特点,简述当前国内外非饱和裂隙岩体毛管压力-饱和度关系曲线模型的研究状况。总结出非饱和裂隙渗透具有毛细管流、薄膜流、优先流、裂隙-基质相互作用和沟槽流特点;分析了建立单裂隙岩体非饱和渗流毛管压力-饱和度关系曲线模型的主要方法,包括物模试验法、数值计算法和数学推导法,并归纳这些方法的计算结果;最后,结合渗流特点,对各种曲线模型结果进行比较,进一步分析得出：(1) 目前的曲线关系均建立在毛管理论基础之上,几乎没有反映渗流其他特点的关系曲线;(2) 运用数值计算法和数学推导建立曲线模型较为简便;(2) 在排水曲线初始时段,Brooks-Corey(BC)模型模拟得到的结果比van Genuchten(VG)模型要好些,而在末尾时段VG模型要好些。     

不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形特征及其对渗透性的影响

煤的孔隙-裂隙结构特征是研究储层渗透性的关键问题。为了定量描述孔隙-裂隙结构的复杂程度,以黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田原生结构煤和碎裂结构煤为研究对象,基于压汞实验数据和扫描电镜（SEM）图像,采用Menger分形模型和计盒维数方法,分别计算不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形维数;同时采用不同孔径段的孔隙体积比作为权重值,计算得到孔隙综合分形维数,探讨孔隙-裂隙结构分形维数和渗透率之间的关系。研究结果表明,脆性构造变形作用对孔隙整体复杂性,裂隙孔、渗流孔复杂性以及微观裂隙复杂程度均具有积极改造作用,对吸附孔结构复杂性具有均一化作用;微观裂隙分形维数与渗透率具有较高非线性关系,脆性构造作用改造下形成的碎裂煤,其具有的孔隙-裂隙结构优势配比是决定储层高渗透性的关键。因此,建议优先考虑弱脆性变形的碎裂结构煤为主体的断层、向斜和背斜区域进行煤层气抽采。      

单裂隙岩体非饱和临界状态渗流特性初步研究

探讨了裂隙非饱和渗流机制,认为裂隙尺度上的非饱和渗流实际上是由许多局部开度尺度上的饱和渗流构成的。用重正化理论的方法,对裂隙发生逾渗相变时的临界特性进行了研究,指出裂隙非饱和渗流存在一临界饱和度值,当饱和度小于该值时,裂隙中无渗流存在。对裂隙非饱和水力传导度进行了讨论。     

堆浸铀矿堆液体饱和渗流规律的研究

铀矿堆浸,溶浸液在铀矿堆中的渗流对浸出效果有非常重要的影响,研究堆浸铀矿堆的渗透特性,对改善铀矿堆浸效果具有重要的意义。采用取自我国南方某铀矿山的堆浸铀矿石,配制10组不同粒径分维数的试样,利用自制的饱和渗流试验装置,对其液体饱和渗流的规律进行试验研究,获得相应的渗透率和流态指数。利用试验结果,分析粒径分维数对渗透率的影响。采用支持向量机（SVM）模型,以粒径分维数和孔隙率作为输入量,建立渗透率和流态指数预测模型。结果表明,（1）在文中试验条件下,堆浸铀矿堆的液体饱和渗流遵循非Darcy指数定律,流态指数在1.1～1.5之间,且渗透率随着粒径分维数的增加而逐渐减小;（2）渗透率的SVM预测模型和流态指数的SVM 预测模型给出预测值的相对误差分别低于8%和7%,可以满足工程应用的要求。     

基于压汞分形的高变质石煤孔渗特征分析

研究石煤（腐泥煤）的孔渗特征,对于深入了解页岩气的吸附/解吸特征具有重要意义。基于分形几何原理,推导出煤岩不同类型孔隙和毛细管压力曲线的分形几何模型,并将孔隙分形维数分为渗透分维数和扩散分维数分别计算。根据压汞实验数据分析,利用双对数图计算了安康地区石煤孔隙结构的分形维数。研究结果表明:石煤渗透分维数D_s介于2.524~2.917,其与挥发分产率、水分含量、灰分产率和迂曲度呈正相关关系,与变质程度及平均孔径呈负相关关系;扩散分维数D_k介于2.488~2.931,其与变质程度、挥发分产率、水分含量和平均孔径呈正相关关系,与灰分产率和迂曲度呈负相关关系;在物性方面,渗透分维数随孔隙度增大而减小,渗透性的分形表征与扩散分维数呈负相关关系,这说明渗透孔越不均一,煤岩孔隙度就越大,而扩散孔的均一化程度可以为评价石煤储层物性提供重要依据。      

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。     

泥石流源区砾石土分形特征及其与渗透系数关系试验研究

以取自泥石流易发区的182个砾石土土样为基础,进行室内颗分试验,通过分形理论计算各土样的分维值,经计算发现,泥石流源区砾石土以一重分形为主,一重分形的土样占样本总数的88.46%,一重分形土样的分维值介于2.250～2.798之间;以此数据为基础配置土样,通过自制、可控的常水头试验装置进行渗透试验。试验结果表明,渗透系数k与分维值D之间有极显著的相关性,且在干密度为1.8 g/cm3时相关性最好。通过多元回归分析发现,不同密度条件下,k与D之间均有较好的幂函数关系;相同的分维值条件下土样的渗透系数随密度的增大呈减小的趋势,分维值在2.450～2.600之间时,样本的干密度 与渗透系数k之间的幂函数关系较为明显。试验结果可以为泥石流启动的临界雨量研究提供理论基础,提高已有预报模型的普适性及精度。     

考虑微观结构的非饱和渗透系数计算公式

分维理论是预测非饱和渗透系数的一种常用方法。在对有侧限条件下高庙子膨润土的非饱和渗透系数的试验结果分析后,发现分维理论并不适用,其缺陷在于不能够反映膨润土这种特殊粘土在水化过程中的微观结构变化。因为膨润土是一种纳米材料,其小孔隙和大孔隙分布在水化过程中都会发生变化,而一般性粘土和砂土没有这种特殊的物理化学特性。结合Kozeny—Carman关于多孔介质的半经验公式,提出了半经验一半理论的考虑微结构的膨润土的非饱和渗透系数计算公式。在对高庙子膨润土的扫描电镜试验和压汞试验资料分析的基础上,定性验证了所提出公式的正确性。     

煤中断裂分布的分形特征

运用分形理论对平顶山高庄矿戊8煤中断裂分布的分形特征进行了研究,结果表明,煤中断裂分布具有良好的统计自相似性,可以用分维描述。分维等值线图能有效地反映煤中断裂分布的复杂程度、分布范围和展布方向。分维是煤中断裂分布长度、条数和分布均匀程度等参数的综合指标,该指标随以上参数的变化而变化。