近井地带高速非达西动边界对产能预测的影响

针对高速非达西动边界对产能影响的问题,开展了考虑高速非达西动边界影响的产能方程的建立。研究中采用渗流理论和惯性理论推导了高速非达西动边界公式和对应的产能方程。并基于对动边界的认识不仅提出了高速非达西出现的临界渗透率、临界产量和临界压差的概念,而且提出了高速非达西边界表皮因子。研究表明,只有储层渗透率、产量或者压差大于临界值时,储层中才可能出现高速非达西渗流;而且高速非达西边界表皮是渗透率、孔隙度、临界雷诺数以及β的函数反映了地层性质对高速非达西区域的影响,表皮越大则高速非达西区域越小,动边界的影响越不能忽略。最后与常规产能方程比较发现,渗透率在1～10 m D时,本文产能方程的IPR曲线与其有明显的差异。提出了高速非达西动边界对产能预测的影响,提高了产能预测的精度。     

光滑裂隙高流速非达西渗流运动规律的试验研究

 采用光滑平行板模拟岩体裂隙,研制可变裂隙开度、高水力梯度、自循环水流的单裂隙室内渗流模型试验装置。试验研究宽裂隙高水力梯度下的非达西渗流运动规律,建立流速与水力梯度的非线性关系曲线。将试验结果与Lomize紊流公式、速宝玉紊流半经验公式进行对比分析,发现三者在低水力梯度情况下结果较为一致,对于高水力梯度情况会出现较大的差异。最后探讨单裂隙高流速非达西渗流运动特点及判别准则等问题,建立非达西渗流流速与裂隙开度的关系曲线,以便于工程应用。     

岩石渗透试验瞬态法的水动力学分析

压力脉冲瞬态法是一种专门进行岩石渗透率测试的新方法。对多孔介质渗流的水动力学分析表明,在岩石渗透试验的瞬态法中,水流动量方程可以不考虑流速的变化率。对于致密岩石,出现高速非Darcy流的特征不显著,在一般条件下Darcy定律仍然有效。给出压力脉冲瞬态法的物理模型和数学模型,采用等梯度假设简化连续性方程,针对上下游压力容器的不同控制条件,推导各种情况下压力测试曲线的解译公式。这些解译公式为分析不同控制方式下的试验过程和计算岩石渗透率提供了方便。实例表明,基于等梯度假设的解译公式对压力脉冲瞬态法所产生的渗透率测试曲线基本适用。     

石灰岩应力–应变全过程的非Darcy流渗透特性

利用瞬态渗透法测定了石灰岩在应力-应变全过程的非Darcy流渗透特性，发现一种新的试验现象，即在峰后大应变状态下非Darcy流β因子为负。这一试验现象使得人们可以立足于实验室试验来验证、预测和分析岩石渗流失稳现象和规律。建市了一种瞬态法测定岩石渗透特性的试验系统的动力学模型，介绍了由孔隙压力差单一时间序列提取非Darcy流渗透特性参数（渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数）的方法，并对石灰岩标准试样进行了应力-应变全过程的渗透试验。研究表明，无论在峰前还是峰后，石灰岩的渗流都不服从Darcy定律；当非Darcy流β因子为正时，非Darcy流的渗透率小于Darcy流的渗透率；当Darcy流β因子为负时，由于裂隙的贯通，孔隙压力迅速衰减，石灰岩中渗流可能失稳。提出的非Darcy流渗透特性的测定方法，继承了以往实验室试验的成熟技术，只是在数据处理方面进行了尝试，既不增加试验成本，又不加大试验的技术难度，便于被用户接受。     

石油非达西渗流新的运动模式理论及应用研究

油气田开发工业已进入特殊阶段,其典型标志是地下渗流规律越来越复杂。本文适应现代石油工业的发展需要,为解决基本渗流理论面临的问题而进行了探索性研究——提出了石油非达西渗流新的运动模式,并对该理论在油田开发中的应用作了详细研究。本文运用无因次分析法对岩芯渗流实验数据进行了研究与分析,发现石油渗流除了人们熟知的线性达西流和高速紊流外,还有3种新的运动形态(亚高速、低速及超低速流动),在无因次关系曲线上确定了各种流态相互转化的临界判据系数。从物理和力学角度进一步研究了这些特殊运动形态,结果与渗流实验完全一致。通过对5种渗流形态的分析,建立了描述石油渗流规律的统一数学模型——指数式非达西运动方程。建立的新非达西渗流模型不仅适用于常规油藏的开发,而且,可以解决低渗及裂隙等特殊油藏的开发问题。在以上理论研究的基础上,运用新的非达西渗流方程,分别建立了单相和多相流体以及复杂多孔介质(具有分形特征)中的稳定和不稳定渗流模型,形成了相对完整的新非达西渗流力学研究体系。最后,应用本文研究成果对2个油田4口生产井的矿藏资料进行了计算与分析,结果与实际符合较好。因此,本文提出的新的非达西渗流理论可以用来指导油田开发。本文通过新的非达西渗流理论及应用研究,取得     

非达西渗流的机理与本构方程述评

为全面认识非达西渗流问题特性,对非达西渗流的产生机理和本构方程进行了比较系统的总结和评述。非达西渗流的主要机理,除试验误差外,主要是源于流体与孔隙介质之间的物理化学作用和机械性相互作用。各种非达西渗流本构方程可分为低渗透速度的达西渗流下限方程和高雷诺数的达西渗流上限方程两类。提出了非达西渗流研究需要探讨的若干主要问题,展望了其研究发展趋势。     

一维软土地基非达西流固结分析

水在土体中的渗流规律以及边界的排水情况对土体中孔压消散的快慢有较大影响。采用Hansbo提出的可同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的非达西流公式模拟土中水的渗透规律,利用Galerkin加权残值方法推导了半透水边界一维非达西流固结问题的有限元方程表达式,并将其编制为应用程序。利用已有的基于达西流的双面半透水边界一维固结解析解答验证了求解方法的合理性和程序编制的正确性。在此基础上对半透水边界一维非达西流的固结特性进行了分析。分析表明, R _t =200时,半透水边界相当于完全透水边界,达西流情况孔压消散快于非达西流情况。同一时刻,半透水边界条件下达西流与非达西流固结存在一个深度分界点。分界点以上,非达西流情况孔压消散快于达西流情况;分界点以下,达西流情况孔压消散快于非达西流情况。且分界点随着 m 的增加而变深,但随着 i ₁ 的增加而变浅。     

矿山岩体破坏突水非达西流模型及数值求解

 为模拟突水流体瞬态流动全过程并揭示突水流体流动机制,针对矿山岩体破坏突水过程中流体的高速非达西流特征和流场动力学统一性特征,基于流体质量守恒和压力平衡原理建立耦合Darcy方程、Forchheimer方程和Navier-Stokes方程的矿山岩体破坏突水非达西流模型,将含水层水源、破碎岩体突水通道和采场巷道出口整个水流路径有机联系在统一流动场中;并基于有限元弱形式和有限体积法耦合积分方程,提出有限元和有限体积法相结合的数值计算方法,应用FEPG有限元软件编译FORTRAN源程序,模拟突水瞬态流动全过程。通过算例对比达西和非达西流结果表明,对于矿山岩体破坏突水问题采用非达西流模型计算十分必要,破碎岩体作为导水通道沟通含水层和巷道的水力联系,导水通道内高速水流的惯性作用是含水层充足的补给水量沿破碎带进入巷道形成突水的主要原因。     

考虑非达西渗流的比奥固结有限元分析

在经典Biot固结理论基础上,建立了考虑非达西渗流影响的固结方程,并用有限元法进行了求解.首先,引入目前广泛应用的Hansbo非达西渗流定律,简要分析了该模型及其参数情况.通过对孔压梯度进行一定简化,结合流量连续条件和力的平衡条件,获得了考虑非达西渗流的Biot固结理论控制方程.在此基础上,基于加权残数法和空间八结点单元,推导了相应的有限元方程.通过在已有程序基础上编制非达西渗流模块,实现了对上述有限元方程组的求解.最后通过与解析理论对比,验证了数值方法的可靠性.结果发现相比于考虑非达西渗流的解析理论,有限元解法误差随非达西渗流控制参数的增大而增大,但总体误差在10%以内;非达西渗流会延缓固结速率,且该影响随着非达西渗流参数的增大而变得明显.     

温度-应力-渗流耦合条件下红砂岩渗流特性试验研究

为研究红砂岩在不同高温环境下的力学性质与渗流特性,基于Rock Top多场耦合试验仪,展开静水压力条件和三轴压缩条件下的渗流试验。研究结果表明:(1)不同温度下,渗流上、下游的压差、流量及其渗透率增减变化规律与损伤演化趋势整体上具有一致性,渗流状态分为3个阶段。(2)岩样在损伤应力之前,以压缩变形为主,流体反向溢出,渗流过程中断;进入非稳定破裂发展阶段初期,流量陡增,压力急剧降低,渗透率急增出现伪峰值,后又迅速降低,开始缓慢增长,在残余应力之前出现真峰值。(3)不同温度阈值内,热应力对红砂岩的作用不同,其初始、峰值、峰后渗透率和强度随温度的升高呈先增大后减小,在某一温度阈值(100℃～150℃范围)内,岩石内部裂纹发育状态主要受围压作用控制。(4)岩样在不同温度(100℃,50℃,25℃)、不同渗压梯度下的渗透率随围压的变化服从幂函数变化规律,瞬态法反映出渗透率随围压的变化趋势同稳态法一致。(5)相同渗压梯度下,瞬态法渗透率(10~(-19) m~2)比稳态法(10~(-21) m~2)高出2个量级,反映的岩石渗透率随温度与围压变化的规律是一致的。同一围压下,温度越高,两种方法所测渗透率结果相差越大;相同温度下,岩样在不同渗压梯度下的稳态法渗透率属于同一量级。(6)在高静水压力下,渗压梯度对渗透率影响并不明显,渗透率值趋于稳定,静水应力是影响渗透率的重要原因,温度和渗压梯度对渗透率的影响是有限的,2种方法均显示红砂岩属于典型低渗类岩石。     

岩石高压渗透试验装置的研制与开发

 为提高对低渗透岩的测试精度,缩短渗透性测试时间,研究岩石(体)高孔隙水压力条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,开发研制一套岩石高压渗透试验装置。该套装置可针对大尺寸,不同规格(圆柱体或方柱体)岩石(体)或碎石土还原在其原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗透压最大可加到30 MPa,轴向荷载最大可加到4 000 kN。试验通过精确度量渗出水体积的变化进行流量测定,大大提高了测试精度、缩短了测试时间。试样进水端水压以静态伺服阀为主要控制元件,可在脱离计算机控制条件下保持某一稳定水压值不变。在试样出水端采用管路过滤器、调速阀等组件对水流速度大小进行调控,当调节的流速与通过试样的渗透速度达到平衡时,即可在出水端产生某一稳定的水压值,进而在试样两端建立稳定的水压差。计算机调控灵活,具有可视化,可根据实际情况随时调整试验方案,而且操作命令语句可任意加长以满足试验要求。该试验装置解决了高孔隙水压、小水力梯度条件下的各种渗透性、高渗压下力学性质试验研究技术难关,这将为水电工程、石油、核电等领域相关试验研究提供新的测试手段,具有重要意义。     

Characterization of transient groundwater flow through a high arch dam foundation during reservoir impounding

Even though a large number of large-scale arch dams with height larger than 200 m have been built in the world, the transient groundwater flow behaviors and the seepage control effects in the dam foundations under difficult geological conditions are rarely reported. This paper presents a case study on the transient groundwater flow behaviors in the rock foundation of Jinping I double-curvature arch dam, the world’s highest dam of this type to date that has been completed. Taking into account the geological settings at the site, an inverse modeling technique utilizing the time series measurements of both hydraulic head and discharge was adopted to back-calculate the permeability of the foundation rocks,which effectively improves the uniqueness and reliability of the inverse modeling results. The transient seepage flow in the dam foundation during the reservoir impounding was then modeled with a parabolic variational inequality(PVI) method. The distribution of pore water pressure, the amount of leakage, and the performance of the seepage control system in the dam foundation during the entire impounding process were finally illustrated with the numerical results.     

破碎岩体中气体渗流的非线性动力学研究

在采矿和岩土工程中,破碎岩体中的渗流具有非线性、非稳态及参量时变等特点,外界扰动下渗流参量的渐变易引起渗流系统动力学响应的突变,引发突水及气体突出等动力学灾害.采用非线性分岔及突变理论研究破碎岩体中气体渗流失稳的动力学机制.建立气体一维非稳态、非达西渗流的非线性动力学模型,给出量纲一化后的速度平衡态解图,得到渗流平衡状态的孔隙压力、渗流速度的分布规律,即平衡时沿着渗流方向,各点的量纲一孔隙压力与渗流速度的乘积为一常量,且压力的平方呈线性下降.通过低松弛迭代法给出渗流系统相应于不同渗流参数时的动力学响应.研究结果表明,破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔,分岔点处破碎岩体的颗粒棱角破碎现象相当显著,渗流处于临界稳定状态,此时对应于任意小的扰动系统都会发生折叠突变,引发突出动力灾害.     

含密实原岩充填物的宜昌砂岩裂隙渗流试验研究

 鉴于有无填充物条件下岩体裂隙渗流规律巨大差异,以及工程岩体中大量渗流裂隙为原岩破碎物填充的剪切滑移裂隙,研究加载路径、轴压、围压、裂隙深度、原岩充填物粒径等因素对渗流量的影响对岩质边坡渗流参数的选取及稳定性判别。针对带人工切割裂纹的宜昌地区砂岩裂隙渗流开展试验研究,得到如下结论：(1) 填充砂粒在没有冲紧密实之前,不但受到轴压的加载路径影响,还受到围压的加载路径影响,其渗流量测量数据是没有可重复性的。经过4次以上围压轴压加卸循环后,渗流数据趋于稳定,具有可重复性。(2) 裂隙深度小于2.5 cm时,含密实充填物的裂隙渗流量与轴压的关系大致呈线性;裂隙深度达到2.5 cm后,两者为非线性关系,这主要是裂隙深度增大导致砂粒位置和结构的改变可能性增大造成。(3) 对有充填裂隙岩体,围压影响显著,而对开度较大的无充填的裂隙,围压对渗流量的影响极小,这是因为围压造成的岩体形变量对于开度较大的裂隙过水断面而言量级过小造成。(4) 轴压小于0.03 MPa或围压小于1 MPa时,填充物粒度对渗流量影响呈无序性;轴压大于0.03 MPa且围压大于1 MPa时,砂粒度越大,对应的渗流量就越大,此时,轴压越大,填充物粒度对渗流量的影响越显著,随着围压的增长,3种不同粒度对应的流量保持的大小关系和相互比例趋于稳定。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特性试验研究

 利用AG–250kNI电子精密材料试验机,配合自制煤岩三轴蠕变瓦斯渗流装置,对煤岩全应力–应变过程中的瓦斯流动特性进行试验研究,得出煤岩在全应力–应变过程中瓦斯流动特性规律。试验结果表明：应变–瓦斯流动速度曲线与应力–应变曲线变化趋势具有相似性,且表现为少许滞后于应变的特点,这表明煤岩受载过程中的损伤演化决定着瓦斯在其内的流动特性,而瓦斯的吸附–解析过程及瓦斯在煤岩内流动需要时间是其表现出滞后性的主要原因。煤岩所受围压通过侧向压缩煤岩侧壁,导致其内部结构变化而对其所含瓦斯流动起到阻碍作用。进行2种不同粒径煤粉组成的煤岩比较试验,结果表明,其所含瓦斯流动特性差别较大,且颗粒组成较大的煤岩试件受外界条件影响较明显。     

坝基破碎岩体高压渗透变形原位试验

 为获取向家坝水电站坝基挤压破碎带岩体的渗透变形特性,针对坝基破碎岩体空间分布特点,研究适合于渗透变形试验的现场压水试验系统和压水试验方法,提出坝基岩体渗透变形的原位高压试验方法。本研究最大特点是采用对观测孔内的水质取样分析和钻孔电视录像进行对比分析方法来研究原位渗透变形特征,并提出确定临界水力坡降的基本判据。研究结果表明,所提出的原位渗透变形高压压水试验方法可以较好地反映破碎岩体实际环境状态,原位渗透变形试验获得的临界水力坡降较室内试验成果更真实合理。     

波动采油对饱和单相一维储层模型渗流的影响分析

 基于低频波动采油作用下的低渗储层开发背景,对渗流孔隙介质波动控制方程进行Laplace解析–Durbin离散求解,分析低频波动采油对饱和单相一维储层渗流的影响。通过对时间 进行Laplace变换,利用迭代消去和非齐次微分方程降解解法,结合开发储层边界与初始条件,推导得到Laplace变换域内单一波作用下一维储层定压或定流量开发时的流固位移解;利用延长油田物性拟合参数,Matlab编程计算饱和水相孔隙介质和不同振动频率下饱和油相孔隙介质两类算例的渗流变化。计算结果验证了波动采油技术在储层开发过程中的增渗能力,在一定储层物性条件下存在最佳振动参数(文中最佳振动频率为10～30 Hz),使得孔隙度和渗透率增幅最大,与实验规律相符。     

地电场对裂隙岩块中溶浸液渗流特性影响的研究

根据原地浸出过程中裂隙岩块中溶浸液渗流性质受地电场作用影响的特点，建立电场作用下裂隙岩块的电动渗流模型，并通过电动渗流实验研究地电场对裂隙岩块中溶浸液渗流特性的影响。研究结果表明，地电场对裂隙岩块中溶浸液渗流特性影响非常明显，裂隙岩块中溶浸液的电动渗流特性与地电场强度、岩块渗透率和溶浸液流体性质等因素密切相关。在同等压力梯度下，受地电场作用的裂隙岩块中溶浸液渗流速度随正向电场强度增加明显增大，随反向电场强度增加明显减小；地电场能够强化或者减弱裂隙岩块中溶浸液的渗流扩散能力和溶浸液对岩块的润湿作用。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。