非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

綦于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系，研究了渗流场与应力场的耦合效应，并针对一实际十坝建立了非线性耦合分析模型，探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明，在渗流作用下，坝休和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的，其作用结果将会使土坝、特别足防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高，表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。     

低渗透煤层气-水流固耦合数学模型及数值模拟

基于有效应力原理,结合弹塑性几何方程、本构方程及平衡方程建立了应力场控制方程。依据流体力学中的质量守恒原理建立了煤层气、水和煤岩体固体颗粒的渗流场方程;以上方程再配以辅助方程和定解条件构成了应力作用下煤层 气-水流固耦合的数学模型,并对简化模型进行了单相流流-固耦合数值模拟分析,得到了压力动态分布曲线,分析了耦合和非耦合情况对压力分布的影响,进一步为煤层气流-固耦合分析提供了一定的理论基础。     

声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型

从煤层气单相流动的吸附平衡质量守恒、声场作用下的热平衡及应力平衡等方面入手,建立了声场作用下煤层气流动的应力-温度-渗流压力场流固动态耦合数学模型。利用数值模拟,分析了声场促进煤层中甲烷解吸-扩散-渗流的机制。分析得出,声场作用可明显地提高煤-气系统的温度,提高煤层的孔隙度,增大煤层气流动的渗透率,降低煤层骨架的应力;超声在煤层中衰减形成热效应和超声振动,超声振动影响范围与超声衰减距离一致,超声热效应向煤层纵深传播,转化为煤-气层系统的热能,提高系统的温度。     

考虑基质收缩效应的煤层气应力场-渗流场耦合作用分析

在煤层气的初级生产过程中,为了获取较高的生产率,需要降低储层压力,储层压力下降对于煤层气的渗透率具有两个相反的效应：（1）储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;（2）煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高。Shi和Durucan、Palmer-Mansoori以及Gray等都建立了包含了基质收缩效应以及有效应力的影响的渗透率模型,其模型都基于以下两个关键假设：煤岩体处于单轴应变状态以及竖向应力恒定。为了检验上述两个假设的合理性,建立了一个考虑基质收缩效应以及渗流场-应力场耦合作用下的煤层气流动模型,对煤层气初级生产过程中渗透率的变化进行了耦合分析。分析结果表明：单轴应变的假设具有合理性,而竖向应力是随指向生产井的应变梯度的变化而变化的,其对于渗透率的变化具有重要影响,因此,竖向应力恒定的假设可能导致渗透率预测出现误差;上述渗透率模型都可能低估煤层气初级生产过程中渗透率的变化。     

裂隙岩体渗流应力耦合研究综述

系统综述了裂隙岩体渗流应力耦合的研究情况。阐明了单裂隙面的各种经验公式、间接公式及其适用条件,分析了裂隙岩体渗流应力耦合模型优缺点及目前工程应用情况。     

水位骤降下边坡渗流场与应力场耦合数值分析

引入非饱和-饱和的渗流分析方法,考虑渗透系数以及饱和度与基质吸力之间的非线性关系,分析渗流场-应力场耦合机理和相互影响关系,并采用渗流场-应力场耦合有限元法对水位骤降下堤坝边坡位移场、孔隙水压力、超孔隙水压力进行具体分析。分析结果表明,利用渗流场-应力场耦合有限元法,比不考虑基质吸力和双场耦合作用分析,更加真实可靠。     

非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22 %,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

填埋气体运移渗流场-应力场耦合模型及数值仿真

基于流固耦合机制和多孔介质流体动力学理论,根据Landgem产气方程、气体状态方程,结合达西定律、有效应力原理,建立了渗流场-应力场耦合填埋气体运移模型。利用伽辽金方法对模型进行了离散,通过有限元方法对耦合作用下填埋气体压力分布规律进行了数值仿真分析,同时对垃圾填埋变形介质参数以及垃圾降解系数对填埋气体产气量影响进行了定量评价,表明耦合作用下抽气时孔隙结构发生改变,阻滞气体的运移,导致耦合作用较未考虑耦合作用的气体压力低。垃圾填埋气体的产气量小,对变形介质参数和降解系数的定量评价结果表明,垃圾填埋气体的产气量随着渗透系数和降解系数的增大而增加,因此耦合作用不能忽略。这不仅为准确控制气体的挥发与扩散以及气体资源的再利用提供可靠的理论依据,而且对于生态环境的保护和垃圾资源化利用具有重要的理论意义和实际应用价值。     

考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟

根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律,以及弹塑性力学理论,建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型,借助Comsol模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。研究结果表明：在原岩开挖时,隧道围岩变形及地面沉降大,不利于周围建筑的安全,隧道内积水,施工无法进行;进行灌浆处理后,围岩变形小,地面沉降得到控制,有利于施工及周围建筑的安全。     

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明：顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。     

煤层气分馏效应研究进展及其应用

煤层气自生成以来发生的组分分馏和同位素分馏,指示了煤层气成藏过程,这使得煤层气富集区预测成为可能。基于近年来国内外文献,将煤层气分馏划分为成因分馏和运移分馏两大类,并对各种分馏效应的研究进展情况进行了系统述评。同时论述了煤层气分馏效应的地质及工程应用现状,认为进一步探讨矿物在煤层气热解—裂解分馏中的作用和效应,培育能适应较高温度和压力且能高效利用CO2生成生物CH4的优良菌种,建立多种分馏效应共存的煤层气分馏综合效应模型,是近期本领域研究应努力的方向。     

煤层气井钻井液特点的探讨

煤层气参数井一般要求采用清水钻取煤心，生产井则主要采用无粘土钻井液、优质钻井液或清水施工。应用清水或无粘土钻井液钻井时，孔内产生的岩屑或岩粉进入煤储层后，会堵塞煤层裂隙或孔隙，降低煤层气产能。而应用优质钻井液钻进时，由于泥皮的过滤作用，能更好地保护煤层不受伤害，同时能降低钻井施工风险，确保井内安全。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

本文从流体扩散能量迭加原理,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式,综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压裂裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与与损伤场耦合模型。     

塔里木盆地大北气田构造应力场解析与数值模拟

构造应力场研究对于塔里木盆地大北气田的开发具有重要理论与现实意义。通过区域断裂与背斜长轴走向、钻井诱导缝走向与井壁坍塌方位分别确定了古、今构造应力场的方向,采用测井资料计算了古、今构造应力场的大小。在此基础上,利用ANSYS有限元分析软件建立了大北气田主体气藏区大北102区块和大北201区块的地质模型,并通过测井资料计算及动静态转换确定岩石力学参数,利用构造应力场解析结果确定边界条件,进行了大北气田古今构造应力场的数值模拟,分析了构造应力场的分布规律以及构造应力场与构造裂缝和产能的关系。结果表明:大北气田古、今水平最大主应力方向分别约NNW336°和NWW305°,应力大小分别具有σHσhσv和σHσvσh的特征,分别属于Ⅱ类和Ⅲ类地应力;主应力和主差应力在平面上表现为背斜高部位为低值、翼部为高值,纵向上随深度增加而增大;构造裂缝的走向受控于水平最大古构造应力方向,与现今水平最大主应力方向近似平行或呈小角度相交,构造裂缝可沿走向继续延伸,开度也不会因构造挤压作用大幅降低,有效性可得到很好的保存,气藏区构造裂缝发育程度与主差应力的大小呈正相关关系;背斜高点是构造应力的低值区,油气在应力势差和浮力的共同驱动下聚集成藏,其中主差应力较大的井点构造裂缝较发育,无阻流量较高,因此在背斜高点主差应力较大的区域部署井位,有较大概率获得天然气的高产。     

我国煤层气生储层间的关系类型及特征

分析、总结了我国煤层气生储气层间的关系类型，指出煤层气生成后，由于受各种因素的影响，均发生过运移，并将运移途径分为五种形式。同时根据煤的热模拟试验，从煤层气生成量与现测含气量大小的关系，将含气量分为两个类型，又以储气量大小分为七个级别。由此提出，今后对煤层(成)气的勘查与研究，应着重于大中型含煤盆地，把构造简单、煤层厚度和煤层气含量稳定的、埋深为800～l500m的区带作为地面垂直勘探和开发的首选区。     

煤层气多煤层扩散逸失地质历史模型及数值模拟

通过建模分析和实际模拟,研究了多煤层条件下煤层气在成藏史中扩散逸失的地质历史。提出了将煤系中多煤层按照上下边界煤层、主煤层和中间煤层进行合并的煤层气扩散逸失体系简化原则。给出了煤层合并后根据岩性变化和组合特征对扩散系数的校正公式。讨论了将相邻煤层作为内部煤层边界的边界条件设置方法。探讨了模拟煤系上、下部存在烃源岩或其他煤系时顶底边界条件的设置方法。在此基础上,建立了多煤层煤层气扩散逸失的地质模型和数学模型,进而就沁水盆地进行了实例研究。     

煤层气储层钻井过程中的地层损害及保护

钻井施工是造成煤层气储层损害的一个重要环节,针对煤层气储层的特点,分析了煤层损害的机理及特殊性,并简要介绍了保护煤层免受损害的钻井技术。     

New Approaches and Markers for Identifying Secondary Biogenic Coalbed Gas

According to the adsorption-desorption characteristics of coalbed gas and analysis of various experimental data, this paper proposes that the generation of secondary biogenic gas (SBG) and its mixing of with the residual thermogenic gas at an early stage inevitably lead to secondary changes of the thermogenic gas and various geochemical additive effects. Experimental results also show that the fractionation of the carbon isotope of methane of coal core desorption gas changes very little; the δ13C1 value of the mixed gas of biogenic and thermogenic gases is between the δ13C1 values of the two “original” gases, and the value is determined by the carbon isotopic compositions and mixing proportions of the two “original” methanes. Therefore this paper proposes that the study on the secondary changes of the thermogenic gas and various additive effects is a new effective way to study and identify SBG. Herein, a systematic example of research on the coalbed gas (Huainan coalbed gas) is further conducted, revealing a series of secondary changes and additive effects, the main characteristics and markers of which are: (1) the contents of CO2 and heavy-hydrocarbons decrease significantly; (2) the content of CH4 increases and the gas becomes drier; (3) the δ13C and δD values of methane decrease significantly and tend to have biogenetic characteristics; and (4) the values of δ13C2 and δ13CCO2 grow higher. These isotopic values also change with the degradation degrees by microbes and mixing proportions of the two kinds of gases in different locations. There exists a negative correlation between the δ13C1 vs δ13CCO2 values. The △δ13CC2–C1 values obviously become higher. The distributions of the △δ13CCO2–C1 values are within certain limits and show regularity. There exist a positive correlation between the N2 versus Ar contents, and a negative correlation between the N2 versus CH4 contents, indicating the down forward infiltration of the surface water containing air. These are important markers of the generation and existence of SBG.     

充气截排水渗流与变形耦合数值模拟

为了探究坡体充气时土体渗流与变形之间的变化规律,利用有限元软件建立厚12m、长100m的二维边坡模型,进行渗流-变形的非完全耦合数值模拟,得到对坡体采取充气截排水方法降低地下水位时坡体内充气非饱和区的形成过程,以及坡体表面土体竖向位移的变化过程。结果表明:一个完整稳定的非饱和区形成过程可分为充气初始阶段、非饱和区扩大水位抬升阶段、不稳定两相流阶段和非饱和区稳定阶段,充气压力过大或过小都无法形成稳定完整的非饱和区;当充气压力为100kPa时,坡体表面土体的竖向位移均随时间呈现先增大后减小的规律,与土体中非饱和区的发展具有一定的协同性;不同充气压力下,偏向充气点上游的坡体表面土体竖向位移随充气压力的增大而增大,偏向充气点下游的坡体表面土体竖向位移的变化具有不确定性。