鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO₂到深部咸水层(CO₂地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO₂向大气排放的途径。CO₂地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO₂在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO₂捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO₂注入后地层中的温度、压力、CO₂饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万 t/a的CO₂注入量;压力上升的范围远远大于CO₂运移和温度降低的范围,注入20 a后,其最大距离分别达到接近边界10 km、620 m和100 m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14 m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO₂注入能力。     

考虑热-水-力耦合效应多孔弹性地基的动力响应

通过对Biot波动方程的修正,得到考虑热-水-力学耦合效应的多孔弹性介质动力响应的控制方程,研究了简谐均布荷载作用下地基土体的热-水-力耦合动力响应问题。利用Fourier变换技术,得到地基中的应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Fourier逆变换得到数值结果,分析了热-水-力学耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布,并讨论了热源输入的影响, 结果表明：应力、位移和孔隙水压力随 的增大而有一定的减小。     

TOUGHREACT搭接FLAC3D算法

多孔介质THM多场耦合分析在诸如核废料地质储存、干热岩和CO2地质埋藏等地质科学领域广泛应用,鉴于其计算的复杂性往往需要借助数值手段。基于角点-中心点网格转换以及三维三点拉格朗日插值方法,通过编制程序将TOUGHREACT和FLAC3D搭接,实现了多相多组分流体-温度-岩石力学的耦合计算分析。为了验证程序的效率及适用性,构建了Salah场地深部咸水层CO2储存数值模型,模拟CO2连续注入3a的地下流体运移和储、盖层的岩石力学变化,并将地表位移与inSAR实测值进行了对比分析。以此为基础进一步模拟了中国西部某盆地CO2地质储存三维筒注模型。结果表明:搭接程序能平滑连接TOUGHREACT和FLAC3D,其考虑岩石力学影响下的注入压力和地表位移等成果符合理论及实际监测规律,同时得到岩石孔隙率、渗透率随CO2注入时间增加而变大的结论。     

增强型地热系统热-水动力-力学(THM)耦合模拟——以河北马头营凸起区为例

增强型地热系统(EGS)的裂隙热储层在长期开采过程中,由于不断地提取高温干热岩体的热量,致使高温花岗岩岩体温度下降,进而诱发岩体产生二次破裂,甚至出现流体短路,降低地热系统开采效率。为了保证EGS热能的稳定提取,需要建立试验场地的热-水动力-力学(THM)耦合模型,分析水动力和热效应对该储层裂隙发育规律的影响。本文基于河北马头营凸起区EGS开发场地的循环注水试验数据,建立场地热-水动力-力学耦合模型,通过模型模拟结果与现场观测结果进行比较,先验证了THM耦合模型的准确性,然后利用校正后的模型预测了不同注入方案下,EGS储层渗透率的提高和增产带的空间范围,揭示了储层裂隙增产带的范围受温度、压力、注入速率的影响情况。结果表明：经过63 d的增产处理,该模型预测的增产层体积约为10万m³;提高注水压力能刺激现有的裂隙发生剪切性破裂,拓宽增产带的区域;减小注水的温度有助于提升流体的穿透能力,扩大储层的增产带;在水力压裂的开始阶段,适当利用冷水注入有利于提高储层渗透率,且提高注入速率会使储层增产带的范围扩大。     

稠油油藏热-流体-力学耦合模型研究及应用

在稠油油藏开发中,由于原油黏度高一般采用注蒸汽开采。基于连续介质力学理论,考虑了热对流的影响,建立了蒸汽注入条件下对地层压力、变形和有效应力定量评价的改进的热-流体-力学耦合数学模型;应用全隐式顺序Galerkin有限元数值解方案对注蒸汽井热-流体-力学耦合过程进行了数值模拟。计算结果表明,由于地层流体高温膨胀引起的高压力,会导致位移、变形,甚至地层结构破裂;温度对地层破裂形态的影响显著。研究表明,这个改进模型比传统模型更加准确、实用,可以用于蒸汽注入速率优化和油藏、地质、热-流动力反应、地应力水平等综合作用效应研究。     

CO2注入岩体的热-气-应力耦合二维弹塑性有限元分析

目前国内关于CO2地质埋存课题的研究已经起步,其中与岩石力学有关的工作急需加强。为此,考虑到向含气地层中注入CO2时岩石、气体和温度的相互作用,将CO2视为理想气体,使用Drucker-Prager屈服准则和‘无拉应力’判据,建立了一个热-气-应力耦合模型并研制了相应的二维有限元程序。假定了一个由下部注入层和上覆冠石层组成的CO2埋存地质系统,以此为数值模拟的对象,分析了CO2在不同的注入速率和注入时间条件下岩体的中的位移、应力、受拉与塑性破坏区的变化和分布情况,结果显示,为保证CO2注入岩体的稳定,应优择最佳的注入速率和注入时间。     

岩石损伤过程中的热-流-力耦合模型及其应用初探

岩石损伤过程热-流-力（THM）耦合问题的研究对于深部采矿等许多工程领域都具有重要的理论意义。以岩石的损伤为主线,在多场耦合分析方程中引入损伤变量,基于质量守恒和能量守恒原理,提出岩体损伤过程中的THM耦合模型。通过把均匀弹性介质THM耦合响应的模拟结果与理论分析结果进行对比,验证了程序及有限元实施的正确性。然后,用该耦合模型进行了不同地应力条件下流固耦合过程的数值模拟,探讨了水压力对于岩石损伤过程的作用机制。数值模拟表明,水压力导致了拉伸损伤范围的扩大和损伤程度的加剧,同时亦对剪切损伤具有抑制作用。     

尾矿连续沉积过程中超孔隙水压力演化的温度-渗流-力学-化学耦合模型

尾矿胶结充填技术可避免矿渣的地表堆存、改善采场围岩稳定性、提高矿石回采率,因此在国内外的矿山开采中得到了广泛应用。充填系统的稳定性取决于尾矿连续充填过程中多场耦合作用造成的孔隙水压力演化。本研究基于经典Biot孔隙弹性理论建立尾矿的温度-渗流-力学-化学耦合模型框架,进而提出连续沉积过程中尾矿热-化学固结的一维超压模型,并推导化学反应造成水压变化的临界温度闭合公式。通过分析不同沉积速率、不同初始和边界温度条件下的充填过程,揭示了多场耦合作用对尾矿超孔隙水压力的影响机理。     

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

CO2地质封存力学问题的数值模拟方法综述

随着社会的发展,人类对化石能源的依赖导致大量的CO2排入大气层,从而引起全球变暖、海平面上升等一系列全球性气候问题。CO2地质封存是当前CO2减排最有前景的技术,但大量的CO2注入地层易诱发相应的力学问题：地表隆起变形、盖层完整性受损、断层活化等。因此,为了降低CO2地质封存带来的安全风险,理论分析、数值模拟和响应面方法等手段被应用于此类力学问题的分析中。由于数值模拟方法能够解决大尺度范围内复杂几何模型的多场耦合问题,数值模拟成为当前在CO2地质封存力学领域中应用最广泛的方法。因此,对CO2地质封存若干力学问题的数值模拟方法进行了全面的综述。首先,简要介绍了多孔介质的温度-渗流-力学-化学（THMC）多场耦合原理,并对数值模拟解决多场耦合问题的方法进行了归类。然后,详细总结了数值模拟在解决CO2地质封存力学问题方面的国内研究进展。最后,讨论了数值模拟方法在此类力学问题方面的应用缺陷,并提出了若干建议。     

盐岩储气库温度-渗流-应力-损伤耦合模型研究

推导了含夹层盐岩储气库在地应力、注-采气压力和温度联合作用下的温度-渗流-应力（THM）-损伤耦合数学模型,该模型不仅包含了盐岩的热损伤效应,还考虑了气体渗透的Klinkenberg效应以及气体沿夹层层面流动对渗透规律的影响。在此基础上,结合金坛储气库建设,采用数值仿真技术,对储气库在注-采气过程中考虑THM耦合与不耦合情况下的气体渗透、温度分布以及应力分布规律进行了详细的对比分析和探讨,研究结果表明：含夹层盐岩储气库应力-渗透-温度耦合效应十分明显。该问题的研究,为全面深入分析盐岩储气库的安全性和实用性提供了思路及前提,具有重要的理论及实践意义。     

Investigation of thermal-hydro-mechanical coupled fracture propagation considering rock damage

Thermal-hydro-mechanical (THM) coupled fracture propagation is common in underground engineering. Rock damage, as an inherent property of rock, significantly affects fracture propagation, but how it influences the THM coupled fracturing remains stubbornly unclear. A pore-scale THM coupling model is developed to study this problem, which combines the lattice Boltzmann method (LBM), the discrete element method (DEM), and rock damage development theory together for the first time. This model can more accurately calculate the exchanged THM information at the fluid-solid boundary and fluid conductivity dependent on fracture and rock damage. Based on the developed model, the synergistic effect of injected temperature difference (fluid temperature below rock temperature) and rock damage (characterized by the parameter “critical fracture energy”, abbreviated as “CFE”) on fracture propagation of shale are investigated particularly. It is found that: (1) the generation of branched cracks is closely related to the temperature response frontier, and the fracture process zone of single bond failure increases in higher CFE. (2) through the analysis of micro failure events, hydraulic fracturing is more pronounced in the low CFE, while thermal fracturing displays the opposite trend. The fluid conductivity of fractured rock increases with a higher injected temperature difference due to the more penetrated cracks and wider fracture aperture. However, this enhancement weakens when rock damage is significant. (3) in the multiple-layered rock with various CFEs, branched cracks propagating to adjacent layers are more difficult to form when the injection hole stays in the layer with significant rock damage than without rock damage.

     

热应力影响下干热岩水压致裂数值模拟

干热岩水压致裂过程中低温诱导热应力与注入水压共同影响裂缝的萌生与扩展。首先通过THM耦合分析了低温压裂液注入过程中注入水压与热应力的相互作用及其对裂缝萌生的影响,随后建立描述岩石细观结构的THMD耦合模型对热应力影响下高温岩石水压致裂过程进行初探。结果表明：低温压裂液注入高温岩石产生的热应力包括岩石自身温度梯度形成的热应力与岩石颗粒非均匀膨胀导致的热应力,并在井筒周围呈现为拉应力。高注入压力将抑制热应力导致的多裂缝萌生,井筒附近热应力的存在对注入压力也具有削弱作用。基岩温度升高,裂缝萌生阶段更多裂缝在井筒附近起裂,缝网沿最大地应力方向的扩展速度减慢,但改造规模增加,同时多裂缝的存在也使得裂缝延伸压力增加。     

Capturing the two‐way hydromechanical coupling effect on fluid‐driven fracture in a dual‐graph lattice beam model

Fluid‐driven fractures of brittle rock is simulated via a dual‐graph lattice model. The new discrete hydromechanical model incorporates a two‐way coupling mechanism between the discrete element model and the flow network. By adopting an operator‐split algorithm, the coupling model is able to replicate the transient poroelasticity coupling mechanism and the resultant Mandel‐Cryer hydromechanical coupling effect in a discrete mechanics framework. As crack propagation, coalescence and branching are all path‐dependent and irreversible processes, capturing this transient coupling effect is important for capturing the essence of the fluid‐driven fracture in simulations. Injection simulations indicate that the onset and propagation of fractures is highly sensitive to the ratio between the injection rate and the effective permeability. Furthermore, we show that in a permeable rock, the borehole breakdown pressure, the pressure at which fractures start to grow from the borehole, depends on both the given ratio between injection rate and permeability and the Biot coefficient.     

An Approach for Modeling Rock Discontinuous Mechanical Behavior Under Multiphase Fluid Flow Conditions

In this paper, the two computer codes TOUGH2 and RDCA (for “rock discontinuous cellular automaton”) are integrated for coupled hydromechanical analysis of multiphase fluid flow and discontinuous mechanical behavior in heterogeneous rock. TOUGH2 is a well-established code for geohydrological analysis involving multiphase, multicomponent fluid flow and heat transport; RDCA is a numerical model developed for simulating the nonlinear and discontinuous geomechanical behavior of rock. The RDCA incorporates the discontinuity of a fracture independently of the mesh, such that the fracture can be arbitrarily located within an element, while the fluid pressure calculated by TOUGH2 can be conveniently applied to fracture surfaces. We verify and demonstrate the coupled TOUGH–RDCA simulator by modeling a number of simulation examples related to coupled multiphase flow and geomechanical processes associated with the deep geological storage of carbon dioxide—including modeling of ground surface uplift, stress-dependent permeability, and the coupled multiphase flow and geomechanical behavior of fractures intersecting the caprock.     

Analytical model for screening potential CO<Subscript>2</Subscript> repositories

Assessing potential repositories for geologic sequestration of carbon dioxide using numerical models can be complicated, costly, and time-consuming, especially when faced with the challenge of selecting a repository from a multitude of potential repositories. This paper presents a set of simple analytical equations (model), based on the work of previous researchers, that could be used to evaluate the suitability of candidate repositories for subsurface sequestration of carbon dioxide. We considered the injection of carbon dioxide at a constant rate into a confined saline aquifer via a fully perforated vertical injection well. The validity of the analytical model was assessed via comparison with the TOUGH2 numerical model. The metrics used in comparing the two models include (1) spatial variations in formation pressure and (2) vertically integrated brine saturation profile. The analytical model and TOUGH2 show excellent agreement in their results when similar input conditions and assumptions are applied in both. The analytical model neglects capillary pressure and the pressure dependence of fluid properties. However, simulations in TOUGH2 indicate that little error is introduced by these simplifications. Sensitivity studies indicate that the agreement between the analytical model and TOUGH2 depends strongly on (1) the residual brine saturation, (2) the difference in density between carbon dioxide and resident brine (buoyancy), and (3) the relationship between relative permeability and brine saturation. The results achieved suggest that the analytical model is valid when the relationship between relative permeability and brine saturation is linear or quasi-linear and when the irreducible saturation of brine is zero or very small.     

CO_2注入下岩层变形和流体运移分析(I):两相流-岩层耦合模型

目前国内关于CO2咸水层封存尚处于先导性和试验性研究阶段,对超临界CO2注入过程中岩层力学响应和流体运移的理论与技术方面的认识还不完善。为研究CO2注入下岩层变形和流体运移,基于两相流动数学模型,给出了超临界CO2和咸水质量守恒方程;采用毛细压力和有效饱和度的关系式,将质量守恒方程变换成以毛细压力为变量的表达式,以便于考虑流体压力对岩层的影响。提出了无流体压力影响下的岩层力学本构模型,该模型能够同时考虑岩层的塑性变形和损伤。分析了两相流体-岩层相互作用机制:一方面,采用有效应力原理,考虑流体压力对岩层的力学影响;另一方面,通过岩层固有渗透率变化考虑岩层变形对流体运移的影响。     

考虑温度耦合效应的竖井地基固结有限元分析

针对塑料排水板(PVD)安装热源能提升PVD性能、加速竖井地基固结这一工程现象,基于热-水-应力 (T-H-M) 三场全耦合的有限元方法来模拟利用热源进行地基处理新技术(PVTD)。首先,以微分形式与等效弱形式分别给出T-H-M耦合控制方程,并推导出其有限元方程组。然后在多场耦合有限元软件中建立饱和土的T-H-M全耦合模型,并通过与已有解析解比较,验证了模型正确性。最后,对一个经典有涂抹区的竖井地基算例,分不耦合温度(UT)、耦合温度但不考虑其对饱和土物性影响(CT)、耦合温度考虑温度对饱和土渗透性影响(CTP) 3种情况进行固结计算分析。研究结果表明,相对于无热源竖井地基,CT情况下由于热源产生的附加孔隙水压力,固结速度略有下降;CTP情况下,由于热源有效改善涂抹区的渗透性能,竖井地基固结速率明显加快。上述研究结论从理论上较好地阐明了PVTD的作用机制。