油井开采过程中油层变形的流固耦合分析

在油气开采过程中,随着油气的不断采出,必然造成孔隙流体压力的逐渐降低,由此导致储层岩石骨架的有效应力增大,使得油层产生变形或压实。当油层产生变莆或压实时,对油气生产将造成不利影响。比如：使得油藏的渗透率降低,继而使油井的产能降低,同时,油层的变形直接影响着油井和套管的变形与破坏等等。敢开采过程中油层的变形可以描述为三维变形与三维流体流动场的耦合问题,利用可变形多孔介质中流体渗流的流固耦合有限元数值     

双圆盾构穿越下立交结构的流-固耦合数值模拟

依托上海轨道交通M10线双圆盾构区间隧道工程,对自由场下双圆盾构隧道施工力学行为进行三维有限差分数值模拟,分析了盾构施工地表沉降及超孔隙水压力的特征、量值与范围,并与监测结果进行对比,以得到能够反映施工技术水平的模拟施工参数。将该模拟施工参数应用于下立交下双圆盾构的推进,用以预测盾构掘进对下立交底板的影响。研究结果表明,在三面封闭的条件下,盾构施工引起的正超孔压很难向外界消散、负超孔压也很难得到外界水位的补给;在开挖面前方,底板受到挤压力,且挤压力主要由超孔隙水压力组成;沿横向方向,作用在下立交底板下的超孔隙水压力分布较均匀,而土体颗粒的挤压力则主要分布在其中线附近;下立交结构的刚性位移是引起底板沉降的主要原因,底板变形引起的沉降较小,变形最大值在盾尾脱离时取得。     

裂隙岩体流固耦合双重介质模型的有限元计算

基于孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质流固耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出的相应有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应力状态相关的渗透系数计算公式。编制了相应的有限元程序并给出了应用算例,将计算结果与相关文献作了比较,得出相关结论。     

隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟

隧道工程中的地下水问题是富水地层中普遍存在的重要问题,地下水流动对隧道围岩稳定性有重要影响。给出了描述隧道开挖过程中力学与水力特征及表征方法,根据岩体的基本结构特征及代表性单元体（REV）是否存在提出了流固耦合模型的建立方法;提出了隧道水力耦合数值分析中的耦合计算模型的建立方法;利用数值法研究了隧道开挖渗流与应力耦合问题,得到变形和渗流场的变化规律。结果表明,隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界,由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计时是应该考虑渗流效应的。     

水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究

以临界应力作为裂纹扩展准则并采用流固耦合模型模拟了水力压裂扩展问题,推导出裂缝面内的压降方程表达式,并编写出用户子程序嵌入到ABAQUS中。建立的计算模型能够模拟地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论,采用有限元软件ABAQUS求解可渗透油藏水力压裂扩展过程问题是可行的;提出了临界宽度的概念,它可以作为判断裂缝是作为起渗透作用的孔隙通道还是作为起导流作用的裂缝的依据;其结论对于压裂作业优化具有参考价值。     

渗流-水平井流耦合数学模型和数值模拟

在有侧向流入(流出)的水平井流运动和连续性方程的基础上,建立了渗流与水平井流耦合数学模型,主要针对混合水头损失问题,进行了渗流与水平井流耦合数值计算,分析了常用的摩擦系数修正方法对计算结果的影响。数值模拟计算表明:层流或者光滑紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较小;粗糙紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较大。当水平井流是层流-光滑紊流流态时,使用了一种新的流态分界点识别方法对水平井流态进行判断,计算结果证实了方法的可靠性、合理性。     

土质边坡非饱和渗流场与应力场耦合数值分析

阐述了坡面径流-非饱和渗流分析与应力场耦合分析的重要意义和作用;介绍了在非饱和渗流分析中具有重要作用的土-水特征曲线,包括考虑固结压力条件下的土-水特征曲线,并介绍了部分试验成果以及坡面径流-非饱和渗流耦合分析的计算方法;提出坡面径流-非饱和渗流分析与应力场的耦合计算方法,并编制相应的有限元程序;通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、渗流场的差异,说明耦合分析更符合实际,且所提出的方法是切实可行的。     

基于流固耦合作用的某尾矿坝渗流稳定性分析

尾矿坝是矿山重要设施之一,其内部含有大量的水和尾矿,一旦失稳造成的损失不可估量。尾矿坝失稳有众多因素影响,但是坝内浸润线是最活跃的影响因素。本文基于流固耦合理论,建立某尾矿坝有限元计算模型,考虑坝内排水井的存在。模拟坝内不同工况下浸润线分布,对其静力稳定性及流固耦合作用下尾矿坝应力应变场进行分析,并将浸润线模拟位置与实际监测结果进行对比。揭示库内不同工况下浸润线变化规律以及与坝体稳定性之间的关系,并分析评价不同工况下尾矿坝的稳定性。最后,将渗流场与应力场进行流固耦合,模拟出365 d坝内应力位移分布,为尾矿坝施工及安全运行提供可靠的依据及技术支持。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合数值模拟

根据低渗裂缝性砂岩油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型;通过实验得出有效压力改变对储层孔隙度、渗透率影响的规律;考虑低渗透油藏渗流时启动压力梯度和低渗储层的流-固耦合特性,将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立起适合低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.在黑油模型和弹塑性有限元程序的基础上,编制了计算低渗透油藏流-固耦合渗流的计算软件.通过数值模拟和不考虑流-固耦合时的计算结果相比,可以看出低渗油藏中流-固耦合效应十分明显.     

深基坑工程渗流—应力耦合分析数值模拟研究

为了研究深开挖过程中渗流场与应力场的变化规律及其导致的基坑稳定问题，基于比奥固结理论，并将其扩展应用于弹塑性分析领域，将渗流场水力作用与应力场淹合，并通过有限单元法模型，力求得到深基坑开挖及降水过程中，开挖范围及邻近区域地面沉降等环境效应的基本规律的认识，为深基坑开挖设计与信息化施工提供借鉴。     

A FORMULATION OF FULLY COUPLED THERMAL–HYDRAULIC–MECHANICAL BEHAVIOUR OF SATURATED POROUS MEDIA—NUMERICAL APPROACH

The theoretical aspects of fully coupled thermohydromechanical behaviour of saturated porous media are presented. The non-linear behaviour of soil skeleton is assumed. A new concept called ‘thermal void ratio state surface’ is introduced to include thermal effects, and the stress state level influence on volume changes. The fluid phase flows according to Darcy's law and energy transport is assumed to follow Fourier's law classically. Variation of water permeability, water and solid unit weight due to thermal effects and pore pressure changes are included. A finite element package is developed based on final matrix form obtained from discretization of integral form of field equations by finite element method and integration in time. A very good agreement between the theoretical predictions and the experimental results was obtained for the several simple problems proposed by other authors. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

流固耦合问题及研究进展

传统的渗流理论一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙流体压力变化过程中,固体骨架不产生任何弹性或塑性变形,这时可将渗流作为非耦合问题来研究。这种简化虽然可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切合生产实际。比如:在油田开采过程中,孔隙流体压力会逐渐降低,将导致储层内有效应力的变化,使储层产生变形。近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。该文介绍了有关工程涉及到的流固耦合问题,重点针对油、气开采问题,介绍了储层流固耦合渗流的特点及研究方法和理论进展,包括单相、多相流体渗流的流固耦合数学模型及有限元数值模型。      

望儿山金矿床剪切带控矿作用的数学模型与模拟

采用有限单元法对成矿期的应力场状态进行模拟,结果表明：构造应力场不仅控制了矿体的形成,而且也控制了矿化类型．高应变能高变化梯度的扩容区,利于石英脉型矿体的形成;而高应变能低变化梯度的扩容区,利于蚀变岩型矿体的形成．高应变能的收缩区类似于“泵”,在泵吸作用的影响下使矿液从“泵”体流向高应变能的扩容区．矿液的流向最终是受渗流势控制,由高值区向低值区流动．     

偏微分方程数值解法在地学应用中的对比分析

在地学中广泛应用的偏微分方程数值解法有两种:有限差分法及有限单元法。对于定常态问题两种方法完全等价,对于非定常态问题有限单元法形成的代数方程归根到底仍是有限差分方程,但在一定条件下会引起反常问题,原因是与代数组相容的不是原来的热传导方程,而是反热传导方程。     

NUMERICAL GEODYNAMIC MODELLING OF COUPLED MECHANO-THERMO-HYDROLOGICAL PROCESSES AND ITS APPLICATION IN PREDICTIVE EXPLORATION IN THE FENGHUANGSHAN ORE FIELD, TONGLING

Mineralisation is the result of the coupled multi-geodynamic processes in the crust. The coupled mechano-thermo-hydrological （MTH） processes are the basic physical processes that govern the location of the hydrothermal mineralization, which can be simulated in the computer by using of the numerical codes, such as FLAC. The numerical modeling results can be used not only to explain the features of existing ore deposits, but also to predict the fhvorable mineralization locations. This paper has summarized the basic equations describing coupled MHT processes in the water-saturated porous rocks, the principles of FLAC, and its application to the MHT processes related to copper mineralization in the Fenghuangshan ore field. We used the FLAC to simulate the syn-deformation cooling and fluid flowing evolution after the intrusion was emplaced and solidified. The modeling results suggest a most prospective exploration area where the subsequent exploration supported the prediction and the test bore hole disclosed the high quality copper ore bodies in the target, demonstrating a positive role of the numerical MTH modeling in facilitating predictive ore discovery.     

巷道围岩中瞬变电磁场三维数值模拟

为了进一步研究井中瞬变电磁法的问题,建立了巷道和异常体模型,用推导出的扩散方程的七点差分格式对磁偶极源激发的瞬变场进行了数值模拟.观察到"烟圈"场在低阻体处早期等值线发生明显畸变,随着时间的增加影响逐渐减弱;而巷道处的畸变较弱,持续时间长.根据多个测点计算得到的数据,绘制了磁场和和磁场对时间导数的等值线断面图,显示等值线向低阻体处聚集畸变;而磁场对时间导数等值线的畸变可持续较长时间.     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL SIMULATION OF SOLUTE TRANSPORT IN HETEROGENEOUS POROUS MEDIA

The effect of heterogeneity on solute transport in porous media is examined by means of physical experiments and controlled numerical simulations. The special cases of layered, clogged and aggregated porous media are particularly investigated. The breakthrough curves (BTCs) obtained from some sections of the physical models are extremely distorted with extended concentration tails. These tailings are caused by different trajectories of the tracer through fine (millimeter and centimeter) scale spatial heterogeneities. On the other hand, BTCs in sections of the physical models having no heterogeneous nature, showed classical ‘S’-shape. A computer simulation based on an improved capacitance model was used to match the experimental data. The BTCs can be represented adequately by the model. However, it seems necessary to determine the fitting parameters experimentally in order to relate them to actual physical phenomena.     

数值模拟软件FLAC及其在地学应用简介

拉格朗日元法是一种常见的数值计算方法,以有限差分程序FLAC软件为例,简单论述其原理,分析了它的优缺点并叙述其工作流程,表明其非常适合解决非线性、大变形问题.同时通过介绍了在国内外地学方面的一些应用实例,对数值模拟技术在国内地学方面的应用和研究提出一些建议.     

裂隙(EDA)介质P波地震记录数值模拟及波场特征分析

通过对潜山面和内幕EDA介质地面地震记录数值模拟及其波场特征分析,在了解地震波场的动力学特征对裂缝介质的敏感性基础上,确定主要以振幅,其次是频率的地震波动力学特征为裂缝检测被检参数,以均方振幅与中心频率作为检验检测结果正确与否的评价参数,为建立裂缝检测方法奠定了理论基础.