考虑非达西效应的酸蚀裂缝流场数值模拟

酸压改造后的酸蚀裂缝是储层流体的主要流动通道,研究流体在酸蚀裂缝中的流动规律是十分必要的。本文介绍了目前裂隙流动研究中的4种常用控制方程及各自的适用条件,确定了Navier-Stokes方程为酸蚀裂缝流场数值模拟的控制方程。为了分析酸蚀裂缝流场分布规律以及非达西效应对裂缝导流能力的影响,利用逆向工程技术对两种不同刻蚀形态的酸蚀岩样壁面进行了实体重构,并采用有限元数值模拟方法进行了不同流量下的酸蚀裂缝流动试验。结果表明：酸刻蚀形态和裂缝接触关系对流场分布的影响较大。隙宽分布平滑的均匀刻蚀裂缝,其流态稳定、曲折度低,但由于裂缝开度较窄且比表面较高,边界层效应明显,流体流动时产生的黏滞阻力较高;沟槽裂缝曲面粗糙,隙宽分布复杂,流体流动时流态不稳定,曲折度高,在高流量下会产生明显的涡流流动,增大惯性阻力。裂缝通道存在缩颈现象会引起流体绕流和多次加减速,产生额外的压力损耗。随着模拟流量的增大,压降与流量会逐渐偏离线性关系而呈现出非达西流动现象。酸蚀裂缝壁面越粗糙,产生非达西效应时的临界流量和临界雷诺数就越小,在相同流量下非达西效应就越强烈,导流能力下降速率更快。     

基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法的岩体裂隙网络渗流特性研究

岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应是影响岩体裂隙网络等效渗透性的重要因素。首先回顾了单裂隙中裂隙粗糙度和流体惯性效应对其过流能力的影响;然后基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法求解控制裂隙内流体流动的非线性方程组,研究岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络(DFN)等效渗透性的影响;最后,基于两种不同边界条件,对离散裂隙网络模型内流体的流动特性进行了探讨。结果表明,当水力梯度较小(0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响很小;当水力梯度较大(0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响随水力梯度的变化而显著变化;在两种边界条件下,当水力梯度在0.1~10.0之间时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络过流能力的最大影响分别为18.1%和27.5%。所以,当水力梯度较大时,需要在离散裂隙网络模型的渗流计算中考虑裂隙粗糙度和流体惯性效应的影响。     

蜂窝状,振荡性自生甲烷的运移

在多孔介质中,由于流体密度取决于甲烷的浓度,所以来自成熟干酪根的甲烷能产生千米范围的流动。在溶解状态中,由于流体密度随甲烷含量的增加而降低,致使水体失稳,并开始对流性倒转。有利于这些浮力驱动的流动条件包括狭义的生成甲烷的热浮度窗口和丰富的初始有机质含量。通过反应—运移方程式的数值模拟来探索由甲烷形成而引起的流动的自组织过程。蜂窝状对流已得到征实,而且在一定条件下,流动速度随时间振荡。对于初始随机干酪根分布体系来说,对流圈组织成一组离散的有序对流圈模型,尽管最初是无序的。初始非均质孔隙度渗透率的模拟显示出不同的对流体大小及其型式,同时反应了内在形成自组织的能力与水力学性质的不均匀性之间的相互关系。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

碳酸盐岩破裂过程中管道—裂隙水非线性流动特性试验研究

本文聚焦碳酸盐岩微观渗流特性与破裂机制的研究,开展了岩石破裂过程中管道-裂隙水流动可视化试验,基于岩石块体尺度试验结果定量分析管道流体向裂隙流体过渡的流态演化过程,研究多级荷载对管道-裂隙水流动特性的影响。试验结果表明:碳酸盐岩流态稳定性与破裂状态相关,管壁破坏初期管道流主要以层流为主,局部管壁劈裂造成管道流体时域性流态交替,管道流体向裂隙流体转变的前兆特征主要表现为过渡流态临界转换点。碳酸盐岩破裂过程中管道流体向裂隙流体过渡过程具有分数演化特征,分数指数能够定量刻画管流和裂隙流的临界过渡过程。      

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

模拟水压致裂的另一种二维FDEM-flow方法

可考虑岩石本身渗透性的FDEM-flow方法充分利用原FEMDEM中节理单元和三角形单元独特的拓扑连接关系,将节理单元作为流体流动的天然通道,基于立方定律来表征流体在岩石本身及裂隙中的流动,而岩石本身渗透性则通过标定合适节理单元张开度来表征。用一个含解析解自由面稳态渗流算例初步验证了本文渗流算法及标定岩石本身渗透率方法的正确性。最后计算了一个水力压裂算例,验证了该FDEM-flow方法可同时考虑岩石本身的渗透性和裂隙的渗透性,用简单的纯裂隙渗流完成了对复杂问题的处理。研究结果表明:修改后的FDEM-flow方法能够很好地再现压裂过程中流体压力的分布及裂隙的扩展,可简洁地求解水力压裂这一复杂力学的问题,适用范围更广。为模拟页岩气开采、干热岩地热获取中的水力压裂问题提供新的求解工具。     

断层带中超压流体及其在地震和成矿中的作用

地震断层带中的局部存在对其力学和化学过程有着重要影响的超压流体，对这种超压流本的证据。超压机制及其在地震活动和成矿中的作用等进行了探讨。流体超压是在断层带中渗透性的构造发生强烈时空变化的前提下产生的，其主要原因是构造加压及深源高压流体的注入，当流体压力升至一临界值时，断层发生灾难性破裂，即地震，增加断层的渗透性，超压流体快速向低压带（室或域）流动，同时因减压流体所携载水溶物各（包括成矿物质）大量沉淀析出，降低断层带的渗透性，地震泵吸和流体超压机制的交替作用使得这一过程得以周期性地进行。     

三维裂隙网络溶质运移粒子追踪法

本文讨论了利用粒子追踪方法模拟岩体三维裂隙网络中溶质迁移的问题。在本研究中裂隙为圆盘形,具有一定的张开宽度;其中流体的流动为面状流,发生在整个裂隙圆盘范围内。粒子追踪时考虑了对流、纵向弥散和横向弥散。利用提出的方法模拟了一个野外实际钻孔示踪试验。对模拟得到的示踪剂恢复曲线与实测的回收曲线进行了对比,二者的结果基本一致。     

新安江右坝裂隙岩体渗流同位素示踪研究

应用同位素示踪方法对新安江右坝的裂隙岩体渗流场进行了研究。在单孔中应用同位素示踪技术可得到流速、流向、垂向流等水力学参数,结合相关的地下水井流理论,就可计算出裂隙等效水力隙宽、渗透系数等反映裂隙渗透性的参数,对其进行分析,就确定了渗流场的分布以及集中渗漏通道的位置。     

新安江右坝裂隙岩体渗流同位素示踪研究

应用同位素示踪方法对新安江右坝的裂隙岩体渗流场进行了研究.在单孔中应用同位素示踪技术可得到流速、流向、垂向流等水力学参数,结合相关的地下水井流理论,就可计算出裂隙等效水力隙宽、渗透系数等反映裂隙渗透性的参数,对其进行分析,就确定了渗流场的分布以及集中渗漏通道的位置.     

关中盆地地热流体空间分布特征分析

关中盆地地热流体的分布具有地域性和带状分布特点,根据地热流体空间分布特征,可将盆地地热流体分为渭北渭北古生界岩溶溶隙裂隙型、秦岭山前构造裂隙型和盆地中部新生界孔隙裂隙型。分别对三种地热流体特征及分布规律进行分析,同时重点对中部新生界孔隙裂隙型地热流体的分布特征进行详细介绍。结果发现:前两种类型地热流体分布不均匀,水量偏小,而中部新生界孔隙裂隙型地热流体分布均匀,范围广,埋藏条件良好,是整个关中盆地的集中开采区域。     

花岗质岩浆侵位对围岩裂隙发育和热结构影响的数值模拟

岩浆侵位会引起围岩的接触变质作用和变形，虽然围岩中的破裂提供了流体活动和元素迁移的重要通道，但是大多数岩浆侵位模型忽略了围岩中热对流的影响。本文总结了岩浆侵位的数值模拟原理和常用模拟方法，然后使用离散元软件MatDEM建立了二维的双层围岩模型和均质围岩模型，用孔隙密度流法模拟花岗质岩浆侵位和冷却过程中岩浆与围岩之间的流- 固- 热- 力耦合过程。结果表明岩浆侵位过程中围岩的裂隙发育和热对流对接触变质晕具有重要影响，围岩的裂隙发育和热传输模式可分为三个阶段：① 岩浆侵位初期的挤压力使围岩中产生广泛分布的、呈径向展布的剪裂隙，围岩以热传导和孔隙渗流为主导；② 在持续的孔隙流体压下，径向裂隙连通形成主干张性断裂并向上扩展，成为熔/流体迁移的重要通道以及伟晶岩型和热液型矿床的成矿空间，通道流和局部热对流控制了围岩的热传输；③ 在岩浆侵位后期，岩浆房附近围岩中的孔隙流体压增大，在侵入体与围岩的接触带形成大量张裂，加强了变质晕内的热对流，有助于矽卡岩型矿床的形成。与只有热传导的模型对比，热对流使围岩中变质晕的宽度减小。接触变质晕的几何形态受侵入体的形态控制，但是变质晕宽度在空间上有显著差异。本研究为重建岩浆侵位过程中的变质- 变形- 成矿作用提供了新方法。     

成都粘土裂隙成因研究

根据成都粘土中裂隙特征与地质环境条件的分析，提出成都粘土中途中眩要裂隙类型的成因模式，上升剥蚀引起的垂向卸荷作用产生波状水平裂隙，冲沟切割引起的侧向卸荷作用，产生平行斜列隙裂。     

成矿多过程耦合模型数值模拟研究态势

成矿作用是构造变形-热量传递-流体流动-质量转移等四种性质完全不同过程的耦合。数值模拟是通过建立多过程耦合模型来刻画其物理和化学规律。由于这些耦合模型过于复杂而难以得到其解析解，因而数值模拟被用来讨论这些复杂动力学过程。针对成矿预测领域主要的耦合模型：形变-流动模型、形变-热-流动模型、热-流动，质模型、变形-热-流动-质模型，通过这些耦合模型应用实例分析得出，印证了高差和温度变化是流体对流、矿物沉淀发生的重要机制；详释了构造控制流体输运的方式及过程，高渗透率断裂是流体汇聚的有利场所，从而渗透率等控制成矿的关键参数成为成矿预测的主要指标。     

三段压水试验

详细介绍了三段压水试验的理论，方法和技术设备，并通过一个应用实例说明了裂隙渗透性和等效水力隙宽的计算方法。     

莺歌海盆地超压流体活动与断裂系统的相互关系

莺歌海盆地内超压流体活动十分强烈，主要活动形式有侧向对流型和垂向对流型，将超压流体的演化与区域构造演化结合起来，对断裂与超压流体的成因关系提出了新见解，揭示出断裂对超压流体的输导及超压流体对断裂的开启的相互作用。张裂隙作为超压流体活动的诱导，超压的幕式突破就主要起因于上覆负载层中的断裂、破碎带，发生压力释放；而普遍发生的幕式流体释放又进一步开启垂直裂隙，造成上下地层间的连通，从而作为超压突破的诱因。     

米尺度裂隙岩体模型水流-传热试验的数值模拟分析

为了研究高放射性核废物地下处置库近场的水流-传热耦合问题,采用国内高放废物地下处置库预选场址--甘肃北山地区的花岗岩石块体,加工组合成米尺度的规则裂隙岩体模型,设置边界热源和裂隙水流,试验模拟裂隙水水流与传热之间的相互作用。作为该室内模型试验的前期理论研究,采用等效孔隙介质数值模型,着重分析了裂隙开度、裂隙流量和热源功率对流场和温度场的影响。在设定条件下,计算分析表明：热传导和裂隙水水流由热源作用初期的不耦合很快转化为耦合;不流动的裂隙水主要表现为热存储和热传导,而流动的裂隙水还引起流动传热和水与岩石之间的对流换热,使岩体温度场明显不同于单纯热传导的情况;如果保持裂隙水流量不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响不大;如果保持裂隙水流速不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响显著;热源功率越大,通过裂隙水的热流量越大,裂隙水压强越大,而当温度超过100 ℃时,裂隙水会因汽化而压强显著增大;加热7 d时,热量的输入和输出几乎相等,裂隙水流带走的热量接近热源供给的热量,模型系统基本达到了热平衡。     

采用复合单元法模拟裂隙多孔介质变饱和流动

采用复合单元法建立了模拟裂隙多孔介质变饱和流动的数值模型。该模型具有以下特点：裂隙不需要离散成特定单元，而是根据几何位置插入到孔隙基质单元中形成复合单元；在复合单元中，分别建立裂隙流和孔隙基质流的计算方程，二者通过裂隙?基质界面产生联系并整合成复合单元方程；复合单元方程具有和常规有限单元方程相同的格式，因此，可以使用常规有限单元方程的求解技术。采用欠松弛迭代、集中质量矩阵以及自适应时步调节等技术，开发了裂隙多孔介质变饱和流动计算程序。通过模拟一维干土入渗和复杂裂隙含水层内的流动问题，验证了该模型的合理性和适用性。模拟结果为进一步认识非饱和裂隙含水层地下水流动特性提供了理论依据。     

层状裂隙岩体中等效渗透性分析

通过解析法和数值方法对层状裂隙的渗透等效性进行了研究,分析了两种方法对等效性计算结果的差异,得到不同分析方法的适用条件;分析了层状裂隙岩体中不同种类裂隙隙宽的变化对等效渗透性的影响,得到了层状裂隙岩体等效渗透性的一般规律.