储层流固耦合的数学模型和非线性有限元方程

根据饱和多孔介质固体骨架的平衡方程和多孔介质中流体的连续性方程,建立了储层流固耦合数学模型。模型中引入了Jaumann应力速率公式描述多孔介质固体骨架的大变形效应,并考虑了地应力、初始孔隙压力、初始流体密度和初始孔隙度对耦合模型的影响。基于与微分方程等价的加权余量公式,在空间域采用有限元离散,对时间域进行隐式差分格式离散,导出了以单元节点位移和单元节点孔隙压力为未知量的储层流固耦合的非线性有限元增量方程。该模型在石油工程中有广泛的应用,为储层流固耦合的数值模拟奠定了理论基础。     

岛状多年冻土管道周围热-水-应力耦合数值模拟

考虑大气温度以及管内流动介质温度的影响,建立由多个土层构成的岛状冻土物理模型,研究塔河地区埋地输油管道周围热-水-应力（T-H-M）耦合作用,分析水-热-应力耦合作用下管道的受力情况并进行管道强度验算。采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,计算在T-H-M三场耦合及非耦合两种工况下岛状多年冻土管道周围应力和沉降曲线等。分析比较表明,岛状多年冻土区的温度,冰水相变以及水分迁移对应力场存在较大的影响;水分场、温度场以及应力场三者之间耦合作用明显;岛状冻土随季节呈周期性冻融,管道周围出现较大应力集中和沉降现象,会对管道安全产生一定影响。     

Numerical simulation of fully saturated porous materials

Fully coupled, porous solid–fluid formulation, implementation and related modeling and simulation issues are presented in this work. To this end, coupled dynamic field equations with u?p?U formulation are used to simulate pore fluid and soil skeleton (elastic–plastic porous solid) responses. Present formulation allows, among other features, for water accelerations to be taken into account. This proves to be useful in modeling dynamic interaction of media of different stiffnesses (as in soil–foundation–structure interaction). Fluid compressibility is also explicitly taken into account, thus allowing excursions into modeling of limited cases of non‐saturated porous media. In addition to these features, present formulation and implementation models in a realistic way the physical damping, which dissipates energy. In particular, the velocity proportional damping is appropriately modeled and simulated by taking into account the interaction of pore fluid and solid skeleton. Similarly, the displacement proportional damping is physically modeled through elastic–plastic processes in soil skeleton. An advanced material model for sand is used in present work and is discussed at some length. Also explored in this paper are the verification and validation issues related to fully coupled modeling and simulations of porous media. Illustrative examples describing the dynamical behavior of porous media (saturated soils) are presented. The verified and validated methods and material models are used to predict the behavior of level and sloping grounds subjected to seismic shaking. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

A finite element method for localized erosion in porous media with applications to backward piping in levees

This paper presents a computational method able to effectively model both the simultaneous processes typically observed in backward erosion piping, ie, the pipe tip propagation and the conduit cross-section enlargement. The numerical method is based on the novel formulation of a problem of localized erosion along a line propagating in a multidimensional porous medium. In this line, a conduit with evolving transverse size is embedded, which conveys a multiphase flow. The two systems, porous medium and pipe, are bridged by exchange terms of multiphase fluid mass and by a shared fluid pressure field. On the contrary, different fields are considered to describe flows, which are assumed as Darcian in the porous medium and turbulent in the conduit. These two flows drive pipe propagation and enlargement, respectively, as modeled by means of proper erosion kinetic laws. The corresponding numerical formulation is based on the combination between one- and multidimensional finite elements, to model the erosion conduit and the porous medium, respectively. Several simulations are proposed to demonstrate the ability of the proposed approach in reproducing available experimental data of real-scale tests on levees. Our results point out the crucial role played by the combined influence of pipe propagation and enlargement, as well as of three-dimensional (3D) effects. We also assess the mesh independence of the proposed numerical solution, particularly as concerns the calculated pipe propagation history.     

近井储层改造对天然气水合物藏降压开采特性影响的数值模拟研究

本文基于我国第一轮海域天然气水合物试采地质模型,利用Tough+Hydrate对近井储层改造后的水合物藏进行降压开采模拟研究。探究了多孔骨架渗流通道对气/水输送、压降传播、水合物分解等的影响机制,评估了近井储层改造在不同开采层位和整个开采过程中对产能提高的贡献大小。模拟结果表明：多孔骨架渗流通道内气/水流速高,可以起到导流、防砂的作用;近井储层改造可促进压降传播,加快水合物分解,但骨架通道的增产作用随开采时间增加逐渐减弱;近井储层改造在不同开采层位起到的增产效果不同,三相层中的增产效果最明显,但由于模拟改造范围较小、形成的多孔骨架渗流通道渗透性较低,增产效果不明显,多孔骨架渗流通道高度为50 cm时,2年产气量仅提高11.7%。     

多孔材料等效导热系数与分形维数关系的数值模拟研究

采用有限元方法模拟了多孔材料的导热系数与孔隙率和分形维数之间的非线性关系。有限元模型中的固体骨架和孔隙根据孔隙率的大小随机生成,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的热流密度分布和稳态热传导傅立叶定律,计算在不同孔隙率条件下的等效导热系数。研究表明,多孔材料模型等效导热系数随着孔隙的增加而线性减小。在孔隙率为常数的条件下,模型等效导热系数随着模型比例因子的增加而呈指数增加。等效导热系数随着孔隙分形维数的增加而减小,随着固体颗粒分形维数的增加而增加。     

渗流场中岩石流变特性的数值模拟

渗流对岩石的流变特性有显著的影响,但限于试验条件,相关的试验成果较少。而数值计算技术已成为进行岩石力学研究的重要方法,因此,采用数值模拟方法对渗流场中岩石的流变特性进行了研究。对已有的岩石室内流变试验进行模拟来验证数值方法的有效性,在压缩流变试验的数值模拟中对试件分别施加单向、三向渗流场来模拟不同渗流条件对岩石流变特性的影响。模拟结果表明,在渗流方向上渗流产生的动水压力会导致试件的流变变形增大。此外,不同渗流场对流变的影响也有所差异,三向渗流场中试件受到的轴向渗透力小于单向渗流场,而侧向渗透力则大于单向渗流情况,这也导致三向渗流场中试件的轴向应变小于单向渗流场,而侧向应变大于单向渗流场。     

三维油藏中应力与渗流的摄动-有限元分析

提出了一个较为实际的石油油藏的三维力学模型。以已有的三维介质中应力与渗流耦合问题的变分原理为基础,用摄动法证明了光油藏厚度变化为小量时,三维问题或简化为平面应变问题,并可采用不同厚度的平面应变单元进行有限元分析,所得到的解即是该三维问题的零阶摄动解。给出了摄动法的推导和有限元格式,计算了一个水驱法进行油田二次开发的算例并给出了计算结果。     

新疆火山岩双重介质气藏供排气机理数值模拟研究

根据火山岩气藏特点建立了反映气藏渗流特征的双重介质数学模型,应用数值模拟的方法研究基质孔隙-裂缝-井筒之间的供排气机制,定量分析了不同产量的气井定产条件下,窜流系数? 对火山岩气藏稳产的影响程度。数值模拟结果表明,双重介质气藏气体窜流过程包括过渡段和稳定段,过渡段基质窜流量小于井底产出量,井底压降快,稳定段窜流量与井底产量相当,井底压降变缓,气体窜流进入稳定段所需时间决定于窜流系数。当窜流系数大于10-7时,窜流对气井生产影响较小;但当窜流系数小于10-8时,气井稳产受窜流影响严重,此时根据气井窜流系数的大小合理配产显得十分重要。结合新疆某口井的实例进行计算,验证了数值模拟结果的可靠性,证明供排气机理数值模拟对气藏高效稳产开采有一定的指导意义。     

石梁河水库消力池强紊动水流的数值模拟

采用半隐式的控制体积法离散紊流控制方程,考虑曲率修正的双方程紊流模型封闭雷诺应力,引入通度和体积函数的概念,数值模拟了石梁河水库工程改建后两级消力池的泄流过程.计算结果给出了自由表面的演变过程及其相互碰撞、重叠的消力池水流特征,断面流速、压力分布及自由水面位置与物理模型试验结果吻合良好.     

Finite element evaluation of diffusion and dispersion tensors in periodic porous media with advection

This paper presents three-dimensional finite element simulations to evaluate diffusion and dispersion tensors in periodic porous media in the presence of an advective velocity field. These tensors are evaluated in the framework of the double-scale expansion technique. Two problems, a Newtonian flow and a vector-valued advection–diffusion equation, have to be sequentially solved at the pore scale. Finite element techniques to approximate these problems are proposed and analyzed. Numerical results in three-dimensional networks of spheres are presented to quantitatively assess the impact of the pore morphology and of the advection velocity on the diffusion and dispersion tensors.     

碳酸盐岩缝洞型储层类型识别与分类预测

在碳酸盐岩储层评价中,储层类型的识别与分类是其关键,而储集空间决定了储层类型。储集空间主要以沉积以后的成岩后生及表生阶段改造的次生孔隙为主。由于次生改造作用的千差万别,再加上不同期次的改造作用的叠加,使得碳酸盐岩储层的次生孔隙结构异常复杂,储集空间的复杂性也造成了储层类型的多样性。文章根据研究区块常规、成像测井资料,结合取芯、地质以及测试资料对储层类型进行识别,并应用聚类分析方法对储层进行分类。研究结果表明,储层类型主要分为孔隙型、孔洞型、裂缝型储层,并将其分为四类储层,为研究区碳酸盐岩储层评价奠定了基础。      

龚家方4号斜坡涌浪数值模拟分析

对于库区滑坡来说,不能只考虑滑坡体本身造成的灾害,还要考虑滑坡体引起的涌浪灾害,为了研究滑坡涌浪的传播、衰减规律,在Geo-wave软件的技术上,二次开发形成FAST软件。以三峡库区龚家方4号斜坡为研究对象,分别在175、156、145 m的库水位条件下,在长约23 km、宽约10.4 km的区域内进行涌浪数值模拟,获得涌浪传播模拟数据。经过模拟软件数据处理模块的计算分析,形成了分析涌浪传播规律的一系列图件。对不同水位下涌浪模拟的计算结果进行对比分析发现,随着库水位的下降,滑坡产生的最大涌浪值和在对岸的爬高值都有增长的趋势,但其对航道存在威胁的时间逐渐变短。模拟区各位置的最大波高空间分布形态具有中间内凹、两翼沿岸坡延伸的特征。涌浪传播的急剧衰减区基本分布在涌浪源附近1 km的范围内,涌浪源处的波高越大,单位距离内的涌浪下降高度也越大。由于涌浪在岸边有叠加、壅高现象,建议航道内船只经过地质灾害点附近时应沿江中心快速通行。     

水库滑坡涌浪传播有限元数值模拟

库岸滑坡涌浪危害巨大,正确预测库区可能的滑坡涌浪非常重要,是工程可行性论证的重要内容之一。将浅水控制方程应用于滑坡涌浪数值模拟,控制方程采用简便且具有较高精度的两步Taylor-Galerkin方法进行求解。通过算例对数值模型的应用进行验证,结果表明,涌浪产生后将以入水点为源点迅速向四周推进并不断衰减,且随传播距离的增加浪高降幅逐渐减小。计算的涌浪高度及水位变化规律与实测资料吻合得很好,并将滑坡涌浪的沿程传播过程可视化。研究结果表明,文中方法模拟滑坡涌浪传播是有效可行的,可用于滑坡涌浪灾害的预测和防治。     

蒙古国苏赫巴托尔-乌兰巴托-达兰扎达嘎德剖面岩石物性基本特征

为了深入认识与理解南北地震带北段和蒙古中部大陆强震孕育与发生的深部构造环境,在南北纵贯蒙古国全境的苏赫巴托尔-乌兰巴托-达兰扎达嘎德剖面上开展了大规模重磁测量及岩石样品采集。笔者系统地分析与总结了剖面上585块岩石样品的密度、磁化率和天然剩余磁化强度等物性参数。结果表明,整个剖面以火成岩为主,沉积岩为辅,仅有少量变质岩出露,且各岩石大类、类和亚类以及各年代地层之间,均存在着不同程度的密度与磁性差异。火成岩磁化率和天然剩余磁化强度分别具有3~5个数量级差异,密度变化范围较大;而沉积岩磁化率和天然剩余磁化强度相对较弱。一方面,物性差异为利用重磁测量开展剖面地壳结构的反演与研究奠定了基础;另一方面,这些物性参数为相关地球物理测量数据的反演与解释提供了重要约束。     

温度变化对碳酸盐岩储层岩石热物性的影响

以苏北盆地某地热井碳酸盐岩储层岩石为研究对象,对处于20、50、100、150、200 ℃ 5个实时温度点的3组岩石样品进行热物性参数测试,分析导热系数、比热容和热扩散系数随温度变化的规律,拟合趋势曲线和经验公式,探讨影响机制。结果表明：在20～200 ℃的温度区间内,随温度的升高,岩石的导热系数拟合曲线以二次多项式关系呈下降趋势,50 ℃的温度点是岩石导热系数由急速下降到缓速下降的拐点,导热系数平均值减小约31.47%;比热容拟合曲线以二次多项式关系呈上升趋势,比热容平均值增大约23.27%;热扩散系数随温度的变化趋势与导热系数一致,且二者具线性相关,100 ℃温度点是热扩散系数由急速下降到缓速下降的拐点,热扩散系数平均值减小约44.48%。随着温度的升高,比热容增大造成的补偿作用是导热系数下降幅度小于热扩散系数的主要原因。     

基于改进型TSP观测装置的地震波场数值模拟

随着隧道技术的快速发展,工程上对地质超前预报的可行性和准确性也提出了更高的要求。首先分析了现有以及改进后的定向探测系统的优缺点;然后利用一阶速度—应力弹性波动方程和高阶交错网格法,导出用于改进后的TSP地震波场数值模拟的差分计算方程,并构建倾斜软弱夹层和空洞地质模型,对上述模型进行正演模拟,获得相应的波场快照和单炮记录,进而对地震波场进行分析。结果表明:改进后的TSP观测装置易于实现;有限差分法可有效地模拟改进后的TSP地震波场,其模拟结果清晰可靠地揭示了隧道地质中地震波的传播规律。     

多孔介质两相系统毛细压力与饱和度关系试验研究

两相系统毛细压力-饱和度(h~S)关系曲线的确定是多孔介质多相流动研究的基础。采用简易试验装置对理想和实际介质中水-气和油-水两相系统中的h~S关系曲线进行了测定。试验结果表明,对于相同两相系统,多孔介质孔隙度愈小,同一毛细压力对应的饱和度相应愈大;对于不同两相系统,理想介质的关系曲线在一定毛细压力以下平缓,较大毛细压力时陡直,实际介质关系曲线走势相对较陡。分析结果表明,水-气和油-水两相系统的实测数据符合Parker等提出的基于van Genuchten(1980)关系式的折算理论;应用折算理论,可以在同一多孔介质某一两相系统h~S关系已知的情况下较好地估计同一孔隙度条件下其它两相系统的h~S关系曲线。     

含弱透水层岸坡地下水渗流特征的数值分析

库岸滑坡同坡体内地下水渗流场的动态变化具有密切的关系。传统的饱和土渗流分析方法无法正确描述水位升降过程中岸坡内孔压场的动态变化规律。从饱和-非饱和非稳定渗流理论出发,选取典型的岩土体的渗流参数,对含有弱透水夹层的理想层状岸坡进行有限元数值分析,得到水位升降过程中岸坡内孔隙水的渗流规律。同时,也得到了坡体内基质吸力和体积含水率随库水位升降变化的历时曲线。分析表明,岩土体的饱和渗透系数、土水特征曲线以及坡体的结构特征等共同决定了水位升降过程中岸坡内孔隙水压力和浸润线的分布。模拟结果可为库岸尤其是含弱透水层边坡的稳定性评价及岸坡的排水加固提供参考依据。     

Transverse and longitudinal fluid flow modelling in fractured porous media with non‐matching meshes

A new discrete fracture model is introduced to simulate the steady‐state fluid flow in discontinuous porous media. The formulation uses a multi‐layered approach to capture the effect of both longitudinal and transverse permeability of the discontinuities in the pressure distribution. The formulation allows the independent discretisation of mesh and discontinuities, which do not need to conform. Given that the formulation is developed at the element level, no additional degrees of freedom or special integration procedures are required for coupling the non‐conforming meshes. The proposed model is shown to be reliable regardless of the permeability of the discontinuity being higher or lower than the surrounding domain. Four numerical examples of increasing complexity are solved to demonstrate the efficiency and accuracy of the new technique when compared with results available in the literature. Results show that the proposed method can simulate the fluid pressure distribution in fractured porous media. Furthermore, a sensitivity analysis demonstrated the stability regarding the condition number for wide range values of the coupling parameter.