不同含水饱和度低渗透岩石气体滑脱效应研究

低渗透岩石气体滑脱效应的研究是油气开采与存储领域十分重要的内容,但目前关于低渗透岩石气体滑脱效应的研究大多是在气体单相流下进行的,对于气–液两相流时,液体对气体滑脱效应的影响,所做的研究不足。因此,利用研发的低渗透岩石惰性气体渗透性测试系统,对含水饱和度为0~70%的低渗透砂岩,进行了不同含水饱和度的低渗透岩石气体滑脱效应及有效渗透率变化规律的研究,试验结果表明:(1)二次公式k_g=k_∞(1+b/q-a/p~2)可以较为准确的解释低渗透岩石的气体滑脱效应,准确性明显高于Klinkenberg公式。(2)含水饱和度对低渗透岩石的气体滑脱效应有明显影响,气体滑脱效应随着含水饱和度增大而减少,在含水饱和度超过50%时,气体滑脱效应几乎完全被限制。(3)由于水的作用,含水的低渗透岩石随着围压增大,气体滑脱效应减少,这与克氏理论的结论相反。(4)含水饱和度对低渗透岩石的有效渗透率影响显著,随含水饱和度的增大有效渗透率减少,且围压越大,低渗透岩石的有效渗透率对含水饱和度变化越敏感。(5)低渗透岩石的有效渗透率与含水饱和度符合幂函数关系,即k_∞=k_0(1-S_w)~c。     

随机风荷载作用下超大型冷却塔结构屈曲分析

利用屈曲本征方程的形式解推导出随机屈曲本征值满足的概率密度演化方程.以对数风剖面中的10 m高平均风速和地面粗糙度为随机变量,分析了超大型冷却塔的随机屈曲承载力.进而,计算出其均值及标准差.结果表明,随机屈曲承载力的概率密度函数具有一般形式,不易采用常见的概率分布模型拟合.随机屈曲承载力均值与按照均值参数计算的屈曲承载...     

地应力渗流共同作用下洞室围岩加锚稳定的可靠度计算

考虑初始地应力、渗流荷载、岩体和锚杆 (索 )参数随机性影响 ,模拟施工开挖步序 ,提出了地下洞室围岩稳定的非线性随机有限元法和可靠度计算方法 ,在计算出可靠度的同时还可得出围岩和加锚元件变形、应力的均值和标准差 ,文末对某一实际工程进行了计算和分析 ,得出了若干有益的结论。     

随机场对比奥固结沉降的影响

采用随机场的局部平均理论分析邓肯–张本构模型中对比奥固结沉降影响最显著的参数k,探讨岩土参数随机场对固结沉降的影响规律。用均值、标准差和自相关距离描述参数的随机特性,将随机计算结果进行统计分析并与传统的有限元解对比分析。发现参数的变异性和相关距离对固结沉降的均值影响不大,而对标准差的影响较大,随着变异性和自相关距离的增大,固结沉降的标准差增大,当自相关距离趋于无穷大即为随机变量时所引起的固结沉降标准差最大。     

砂岩渗透参数随渗透水压力变化的CT试验

运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行固定应力变渗透水压力试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石空隙率计算公式,从CT尺度上分析了岩石空隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随渗透水压力的变化规律,结果表明:岩石的渗透参数(空隙率、微管径、渗透率)随渗透水压力的增加而增大,渗透参数随渗透水压力的变化呈对数关系,这是由于渗透水压力使岩石内部空隙发生变形,从宏观应力-应变关系看,岩石并未出现宏观破坏,还处于弹性变形阶段;而渗流速度与渗透水压力呈线性关系,符合宏观尺度渗流的达西定律。     

非稳态相渗实验数据的处理方法

通过公式推导与转换对比了JBN方法和Jones的图解法,得出二者本质的区别是选取的岩芯基准渗透率不同。同时认为,在相对渗透率曲线的计算中,束缚水下的油相渗透率对于两相的渗流能力更具有参照性,更适合作为岩芯的基准渗透率。在对平均含水饱和度和注入倍数的拟合中,对比了多项式、对数和指数函数。结果表明:对数函数和指数函数通过分段拟合后可以达到高拟合精度,并且计算出的含油率更为合理。同时提出了针对驱替数据特点的两段式分段拟合法。对于1/Qi～1/(IQi)拟合,不同的拟合函数计算出的油相相对渗透率较为接近,但水相相对渗透率差别很大。对比线性、多项式和乘幂函数拟合,乘幂函数拟合的计算结果最为合理。     

双尺度渐进展开计算黏土渗透率影响因素研究

在岩土工程中,可采用双尺度渐进展开法反演计算土体渗透率,其表征单元体(REV)的选取直接影响计算的准确度。以海洋黏土渗透率为例,对REV颗粒形状、排列方式、建模维度以及对土体实际性状代表性等因素进行对比分析。通过4种正多边形模型对比、圆形颗粒正对排布与交错排布对比、3D与2D模型对比,计算结果均与实测值存在较大偏差,而各对比模型彼此间差别不大,说明颗粒形状、排列方式与模型维度对计算准确度影响甚微。而在考虑黏土颗粒多呈扁平状,以及颗粒表面存在强结合水膜的情况下,采用椭圆颗粒结合水膜单元模型(E-W模型),其计算准确度大大提高,并且能够在孔隙比较小时减小结合水膜带来的计算误差,说明REV能否充分表示土体实际几何和物理特性是计算准确度的主要影响因素。E-W模型对高岭土与伊利土渗透率的计算同样有较高的准确度,因此可将其用作双尺度渐进展开法对黏土渗透率的计算REV模型。     

多孔介质气体渗透率测试理论、方法、装置及应用

在深部能源开采及废物存储等领域,渗透率是一个重要指标。测试方法、流体介质和温度波动都会对渗透率的精确测试带来干扰。首先推导和归纳了基于入口端压力/流量和出口端压力/流量的稳态法渗透率计算公式,结果表明,基于入/出口端压力计算结果差异较大,而基于入/出口端流量法计算结果较为接近,并探讨差异背后的原因。进一步对比分析基于压力衰减的稳态法和瞬态法的测试结果,给出4种稳态法和瞬态法的选择参考建议。针对不同流体介质对渗透测试的影响,选取水、酒精和气体进行系统分析,探讨不同介质对渗透率测试结果影响的机制;对于低渗介质气体渗透测试温度波动敏感性大的现象,提出一种基于温度波动消除理论的计算方法,该方法对于低渗介质测试温度消除效果较好;最后,给出不同领域的应用,探讨和分析围压、轴压、饱和度和温度对渗透演化的影响,验证测试理论、方法及装置的适应性,为后续相关渗透测试方法及流体介质的选取提供了借鉴和参考。     

基于CT图像及孔隙网格的岩芯孔渗参数研究

岩石孔隙结构特征是影响储层流体(油、气、水)的储集能力和油气资源开采的主要因素。明确岩石的孔隙结构特征是充分发挥油气产能和提高油气采收率的关键。岩石微观孔隙结构模型重建基于真实岩石微观图像,可以有效再现天然岩石的复杂孔隙结构特征。基于岩芯三维CT图像与图像分割技术,采用Matlab编程求解了岩芯的孔隙度及孔径分布数据。通过编程构建了能够真实反映原始岩样孔隙形态的结构化网格模型,并基于该模型求解了岩样的渗透率数据。计算得到的孔隙度及渗透率数据均与实验结果较好吻合。     

基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究

材料的宏观力学特征与细观参数密切相关,基于颗粒流原理探究两者间的定量相关性,结合大理岩室内加、卸荷试验确定适用于岩石类材料(如大理岩)的细观参数,为细观分析岩石类材料卸荷破坏机理提供依据。结果表明:1平行黏结弹性模量是宏观弹性模量的主要控制因素,两者之间呈线性关系;泊松比与黏结弹性模量间呈多项式关系。材料弹性模量与泊松比的调试应以颗粒黏结弹性模量与平行黏结弹性模量作为主要对象。2平行黏结切向强度均值与平行黏结法向强度均值共同作用改变材料的应力–应变曲线,平行黏结法向强度均值与峰值应力间呈多项式关系;平行黏结切向强度均值与峰值应力间呈对数关系。3颗粒法向强度与切向强度之间的相对关系是裂纹分布多样化的本质原因:平行黏结法向(切向)强度均值与其标准差的比值在1附近时,岩样共轭破坏,比值增大或减小均会引起模型破坏面向剪切转变,同时平行黏结切向强度均值或其标准差增大会改变贯通性主破坏面的方向。4摩擦因数增加,岩样次生破坏面减少,但不会改变破坏面的方向。5大理岩室内试验的宏观力学特征表明通过正交设计试验可以得到基本合理的细观参数。     

基于复数表达的随机渗流研究

以复数形式表示渗透系数,将其变异值设置为复数的虚部.利用有限单元法,通过求解复系数线性方程组计算随机渗流问题,并编制相应程序,计算结点水头和水头变异值.在应用蒙特卡罗法进行渗流计算时,仅考虑帷幕渗透系数的变异,并假设其服从均匀分布.选取水头均值与水头标准差为蒙特卡罗法渗流计算的统计特征值.从数值方面分析了基于复数表达的随机渗流计算所得的水头值及水头变异值与蒙特卡罗法计算的水头均值及标准差之间的关系,验证了所用方法在模拟随机渗流场方面的正确性和可行性.为大型复杂问题的大变异性求解提供了方便快捷的计算方法.     

饱和度对多孔介质中热–水–力耦合响应的影响

以湿-热弹性理论为基础,给出了非饱和多孔介质中热能传输、水分迁移和变形的耦合控制方程,并与已有试验结果进行了对比。模型计算结果与试验结果吻合较好。针对多孔介质中初始饱和度随深度呈不同分布的三维非对称热源问题进行了热–水–力耦合响应分析。分析表明:当初始饱和度沿竖向的梯度变化较小时,重力作用下孔隙水首先由多孔介质上部向下部流动,继而在温度荷载作用下产生回旋流动。当竖向梯度变化较大时,基质吸力作用下孔隙水先由饱和度较高的底部流向饱和度较低的顶部,然后产生回旋流动,且回旋中心位置随竖向梯度的减小逐渐向多孔介质中心位置靠近。     

Multi-scale modelling of gas flow in nanoscale pore space with fractures

In this work,a multi-scale pore network with fractures is developed against experimental data in a wide range of degrees of water saturation.The pore network is constructed based on the measured microstructure information at several length scales.The gas transport is predicted by different gas transport equations(e.g.Javadpour,dusty gas model(DGM),Civan and Klinkenberg),which can consider the fundamental physics mechanisms in tight porous media,such as Knudsen diffusion and viscous flow.Then,the model is applied to simulating the gas permeability of the Callovo-Oxfordian(COx) claystone.The predicted gas permeability is basically in good agreement with the experimental data under different degrees of water saturation.Then the effects of micro-fissures are studied.The results suggest that this model can predict the gas flow in other tight porous media as well and can be applied to other fields such as carbon capture and storage.     

描述饱和土热固结过程的一个非线性模型及数值分析

基于多孔介质热–水–力耦合过程理论模型,给出饱和土的热固结控制方程及状态方程。考虑温度和孔隙水压力对排水模量的影响,建立了弹性模量的非线性表达式。且与已有热固结试验结果进行了对比,计算结果与试验结论基本相符。分析表明:饱和土试样中孔隙水渗透率的变化,对水压力消散及体应变的演化过程有非常明显的影响;等温排水固结过程中固体基质被压缩且体应变的变化较大,而升温不排水过程中固体基质有发生膨胀的趋势;重力影响下,饱和土试样上部体应变较下部体应变大;温度荷载加载等级的增加,使得饱和土试样中不断产生较大的孔隙水压力,且随孔隙水的排出整体平均体应变逐渐增大。     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明：页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

三轴应力条件下原状黄土的渗气特性

用改装的三轴渗气仪,在三轴应力条件下对不同含水率原状黄土进行渗气试验,分析了平均应力、偏应力及含水率变化对渗气系数与饱和度关系的影响,提出了考虑三者影响的渗气函数。研究结果表明:偏应力、平均应力及含水率对渗气系数与饱和度关系皆有较大的影响。平均应力(应力比相同)或偏应力(平均应力相同)作用引起饱和度增大时,渗气系数线性减小,且减小程度与含水率的大小有关;含水率增大时渗气系数随饱和度增大而减小的速率比应力增大时的小。不同应力状态下,相对渗气系数与饱和度关系,渗气系数与修正气体饱和度关系皆可归一,且可分别用以总饱和度为参量的P-v G-M模型及本文提出的修正气体饱和度幂函数(MAPL)模型描述,但相比较而言,MAPL模型参数较少,更便于实际工程应用。MAPL模型对渗气系数的预测结果与试验结果吻合较好。     

Stochastic analysis for the uncertain temperature field of tunnel in cold regions

In cold regions, the temperature is important to determine the stability of tunnel construction. However, the conventional finite element methods for stability analysis are always deterministic, rather than taking stochastic parameters and conditions into account. In this paper, the boundary conditions are considered as stochastic processes and the rock properties are considered as random fields. A stochastic analysis for the uncertain temperature characteristics of tunnel is presented. The stochastic finite element formulae are obtained by Neumann stochastic finite element method (NSFEM), and the stochastic finite element program is compiled by Matrix Laboratory (MATLAB) software. Using our program, the random temperature fields of a tunnel in a cold region are obtained and analyzed. The results show that the temperature of a large quantity of frozen surrounding rock is stochastic, and it is bad for the thermal stability of actual tunnel engineering in cold regions. The distributions of mean temperature are the same and the distributions of standard deviation are similar for the two cases in this paper. The average standard deviation increases with time, which implies that the results of conventional deterministic analysis may be far from the true value. These results can improve our understanding of the random temperature field of tunnel and provide a theoretical basis for actual engineering design in cold regions.     

岩体应力与渗流的耦合及其工程应用

岩体中应力与渗流的耦合对于工程应用十分重要。应用孔隙弹性力学理论，研究裂隙岩体与多孔介质岩体的应力变化引起的渗透性变化。推导出应力与渗透系数的关系式，得出由于多孔介质含水层疏水及应力变化造成的地表下沉计算公式。基于孔隙弹性理论，开发用于耦合应力与渗流的有限元计算软件。采用有限元方法耦合应力与渗流的关系，模拟不同采宽条件下采煤工作面的采动影响特征，得出工作面围岩渗透性变化、覆岩破坏高度、地表下沉与工作面几何参数的关系，这对于类似条件下的煤矿开采与设计有指导意义。     

煤岩体孔隙裂隙双重介质逾渗机理研究

介绍了孔隙裂隙双重介质逾渗概率的研究方法,在此基础上研究了煤岩体的逾渗概率与渗透系数的关系,分析了裂隙、孔隙及二者共同作用对煤岩体逾渗概率的影响。结果表明:煤岩体这类孔隙裂隙双重介质的逾渗概率与其渗透系数呈指数规律;煤岩体的裂纹孔隙率决定孔洞孔隙率对其渗透性的影响程度;同时,裂隙还决定了孔隙裂隙介质的逾渗规律,使其与多孔介质的逾渗规律具有完全不同的形式。     

Non-equilibrium partitioning tracer transport in porous media: 2-D physical modelling and imaging using a partitioning fluorescent dye

This paper describes an investigation into non-equilibrium partitioning tracer transport and interaction with non-aqueous-phase liquid (NAPL) contaminated water-saturated porous media using a two-dimensional (2-D) physical modelling methodology. A fluorescent partitioning tracer is employed within a transparent porous model which when imaged by a CCD digital camera can provide full spatial tracer concentrations and tracer breakthrough curves. Quasi one-dimensional (1-D) benchmarking tests in models packed with various combinations of clean quartz sand and NAPL are described. These modelled residual NAPL saturations, S_n, of 0–15%. Results demonstrated that the fluorescent partitioning tracer was able to detect and quantify the presence of NAPL at low flow rates. At larger flow rates and/or higher NAPL saturations, the tracer increasingly underpredicted the NAPL volume as expected and this is attributed primarily to non-equilibrium partitioning. Despite little change in permeability, change in NAPL saturations from 4% to 8% resulted in significant NAPL saturation underestimates at the same flow rates implying coalescence of NAPL into wider separated but larger ganglia. A 2-D investigation of an idealised heterogeneous residual NAPL contaminated flow field indicated little permeability change in the NAPL contaminated zone and thus little flow bypassing, leading to reduced underpredictions of NAPL saturations than for equivalent quasi 1-D cases. This was attributed to increased ‘sampling’ of the NAPL by the tracer. The process is clearly visually identifiable from the experimental images. This rapid and relatively inexpensive experimental method is of value in laboratory studies of partitioning tracer behaviour in porous media; in particular, the ability to observe full field concentrations makes it valuable for the study of complex heterogeneous systems.