（流体力学专业论文）热流固耦合渗流及其应用的研究.pdf

主里型兰技术大学博士学位论文热流固耦合渗流及其应用的研究摘要 摘要 本文是从理论、试验、计算方法等三方面对热一流一固耦合渗流及其应用进 行了较全面的研究，取得如下研究成果： 1 、理论研究 本文从研究流一固耦合渗流入手，基于饱和多孔材料小变形情形的线性热 弹性理论，推导出热一流一圃耦合渗流的方程组，包括渗流方程、本构方程和 能量方程，并讨论了求解方法。同时针对不同的工程实际，给出了方程的解( 数 值或解析解) 。对其他较为复杂情形的方程求解，也作了简要的讨论。 针对煤层气、浅层气等具体工程问题，本文对气水两相流与砂岩体耦合渗 流情况也进行研究。建立砂岩弹塑性储层的浅层气水两相流阐耦合渗流数学模 型。 2 、实验研究 1 ) 在实验室方面，开展了单裂隙流固耦合渗流试验研究。通过对较大尺寸 的单裂隙岩体试块进行不同侧面加载的渗流试验，分析了裂隙岩体渗流与应力的 耦合机理，获得了几种典型情况下的试验数据，并拟合出不同应力条件下单裂隙 岩体应力与渗流量间的关系：q = 8 6 1 - 1 5 4 ( 2 3 0 r a y ) + o 3 ( 1 4 1 0 r o y ) 2 - 0 0 2 ( 1 3 d r 仃。从而说明并非任一方向的应力增加都能使渗流量减小，缝隙开度虽 然随着法向应力的增加而逐渐减小，但最终不可能完全闭合，所以，此时流量不 可能为零。同时，在试验过程中还通过闭环控制来实现被加载面的均匀受力，这 为大尺寸岩体试验提供了一种很好的加载方法。 2 ) 针对杭州湾跨海大桥桩基处浅层气的处理，使用工程勘探单位提供人工 试样，进行在不同基质吸力与净应力水平的非饱和剪切试验，获砂样的抗剪强度 和基质吸力及净应力的定量关系，综合分析三轴试验所得的内摩擦角与直剪试验 所得的内摩擦角，最后建立了桥址区含浅层气一水两相流- 固耦合体的抗剪强度统 一公式：t 产c7 + ( o 。一u ) t a n o + t 。为杭州湾跨海大桥桩基建设提供实验 依据。 进一步分析计算表明：在桥址区储层中浅层气缓慢释放会引起储气砂层的 沉降，且其沉降量随砂层厚度与初始气压水平的增大而增大，随初始密度的增 - 三蔓塑翌| 苎羹蕊盔兰 攫圭兰垡熊塞一苎：鎏：曼塑鱼鲎垫墨薹垒璺鳖堡查：塑墨 大霹露躐，l 、。攫翘始麓矮吸力为2 i o m p a 蕊爨内，浅瀑气释鼓号l 怒鼹砂屋总淀降 量墩大值为总层厚的1 1 0 0 0 至5 1 0 0 0 。 逶过实验分辑，挺出了懿下浅瑟气工纛灾害防治接藏：程棱基设计与熬工中， 采用分区对待与分隆处理的工程灾害防治描旌，即在浅屡气气压离相对寓集区 段，尽可麓采翅打入茬圈涎浅层气熬不秘影畹：采蠲链魏援区驳，宣锋蹲撬蛙 区近缘的浅层气分布规律，在桩舔施工之前，在距桥址一定距离的上游和下游 处采取有控耐的预先放气措施。 3 、计算方法的研究 1 ) 针对钻井过程中的热- 流一圆耦合，考虑非牛顿流体在圆管中流动并与地 菇不断交换热量，溺时考虑錾 遮缮岩石变形小，臻去了老磊变形部分，建立了 热* 流耦会方程，使用有限靛分得到地层及井筒的濑度分布，对安垒钻井肖着重 要指导作爝。 2 ) 醚罄煤层气豹生产，逮屡聪力下降茅珏孔黻滚镕压力熬变化萼；起煤屡气藏 骨架有效戍力的改变和煤体骨架的变形，煤体质点鞭发生位移，从而影响威力场 翻变形场；蠹予这释窳、气秀槎瀚蘧藕合现象豹复杂毪，在韪薪还没有大璜究。 丽凰这种作用是与煤层气井底瞬时压力有潜密切的关系。本文采用日e 平衡态吸附 摸鬻，研究荜撩媒瀑气在媒体纛裁瑾串酶滚动魏簿。在羧穗态溅秘不稳态滚憝 数学模型假设下，用气体标准压力代替l a n g m u i r 吸附公式中的聪力，得到煤层 气中标准鹾力所满足的方程。考虑无蔽太遗层或有界器形射怒帮定压继藤，最 终褥弱劳藤恶量纲准压力及其导数的解。 3 ) 针对目前砾石充填完并压力评价方法中没有考虑溺体骨架的变形的不合 理性，提斑了全薪酶算法：缀搭多蓑繇鑫突填完并翁渗瀛特点，将每个产擦在经 向上分成3 个区域，即砾石充填醚、射孔区、地层径向流区，每个区域有秣自的 渗流方程，瓣r l 露演藏毒3 n 夸渗滤方程，将每个嚣域的方程矮g r e e n 亟觳来表 示，由各鼹的g r e e n 函数得到井筒混合压力、分层压力及分层产量在l a p l a c e 空间上前解，最簸得到每藤各区域的莲力镄失、表皮系效以及并底歪杰帮分屡 产囊与时阁的变化关系。 狂 一 生里型堂苎查查兰苎主兰垡堡壅垫：垫：璺塑全查鎏墨苎生璺塑竺垄：塑墨 a b s t r a c t at h o r o u g hs t u d yo nh y d r o t h e r m o - m e c h a n i c a l c o u p l e dp r o c e s s e s ( t h m ) i n p o r o u sm e d i aw a sc o n d u c t e db yt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l a n dc o m p u t a t i o n a l m e t h o d s t h ea c h i e v e m e n t sa r e b r i e f l yp r e s e n t e d a sb e l o w ： 1 t h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h i s p a p e ri ss t a r t i n gw i t h t h er e s e a r c h o fc o u p l i n g h y d r o m e c h a n i c a l p r o c e s s e s ( h m ) i np o r o u sm e d i a ，w h i c h i s b a s e do nt h el i n e a r i s e d t h e r m o e l a s t i e i t yt h e o r ya p p l i e dt ot h es a t u r a t e dp o r o u sm a t e r i a lw i t hs m a l l s c a l e d e f o r m a t i o n t h e nt h ef u l ls e to fe q u a t i o n so ft h ec o u p l i n gt h m p r o c e s s e si n p o r o u s m e d i ai s d e r i v e d ，w h i c hi n c l u d et h es e e p a g ee q u a t i o n s ，t h eb a l a n c e e q u a t i o n sa n dt h ee n e r g ye q u a t l o n s m e a n t i m e , t h es o l u t i o n st ot h ee q u a t i o n sa le p r e s e n t e d ，a n dt h ea n a l y r t i e a la n dn u m e r i c a ls o l u t i o n sa r cd i s c u s s e dw i t ht h e i n d i v i d u a l a p p l i c a t i o n s t o e n g i n e e r i n g c o n s i d e r e di nt h i s p a p e r b r i e f l y , t h e s o l u t i o n st ot h em o r es i t u a t i o n sa r ea l s od i s c u s s e d a d d i t i o n a l l y , t h er e s e a r c ho nt w o - p h a s e o f g a s - l i q u i df l o w sa n d t h ec o u p l i n g p r o c e s s e si ng r a v e la r et a k e nt os o l v et h ep r a c t i c a lp r o b l e m si nt h ee n g i n e e r i n go f c o a lb e dg a sa n dt h es h a l l o wl a y e rg a s am o d e lh a sb e e nd e r i v e da b o u tt h eh m c o u p l e dp r o c e s s e so fg a s l i q u i df l o w si ns h a l l o wl a y e ro fe l a s t i ca n dp l a s t i cg r a v e l f o r m a t i o n s 2 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 1 ) i nt h e1 a bw e r k ，a l le x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc o n d u c t e dw i t hal a r g er o c k c o n t a i n i n go n e f r a c n l r eu n d e rd i f f e r e n tc o n f i n e ds t r e s s e so nd i f f e r e n te d g e s i nt h i s e x p e r i m e n to i lh mc o u p l e dp r o c e s s e sw i t l lo n ef r a c t u r e t y p i c a ld a t aw e r ed e r i v e dt o a n a l y z et h em e c h a n i s mo fc o u p l i n g ，a n dt h er e l a t i o no fs t r e s sa n dt h es e e p a g ef l u x u n d e rd i 虢r e n ts t r e s sf i e l dw a s y i e l d e d ：q _ 8 6 1 - 1 5 4 ( 2 3 仃x - n y ) + o 3 ( 1 4 1 e x - n y ) 2 - 0 0 2 ( 1 3 c y x - a v ) 。i t s h o w st h a tn o ta 1 1t h ei n c r e a s eo fs t r e s si no n ec e r t a i nd i r e c t i o n w o u l dc a u s et 1 1 ed e c r e a s eo ft h ef l o w t h ef r a c t u r ew o u l dn o tb et h o r o u g h l yc l o s e d t h o u g ht h en o r m a l s t r e s si s i n c r e a s i n g t h ef l u xw o u l dn o tb ez e r o a n di nt h i s e x p e r i m e n t ，ag o o ds o l u t i o no fc l o s e d c i r c l ec o n t r o lw a sp r o v i d e dt o m a k et h e p r e s s u r ee q u i l i b r a t e do ne a c hf a c eo ft h ei a r g er o e k 2 1c o n s i d e r i n gt h ep r o c e s s e so f s h a l l o wl a y e rg a sn e a rt h eb a s es t a k e so f o v e r s e a b r i d g e ，h a n g z h o ug u l f , t h es a m p l e so fs a n dw i t hd i f f e r e n td e s i t i e sp r o v i d e db yt h e p r o s p e c tg r o u pa r eu s e dt od oe x p e r i m e n t so f s h e a rs t r e s s e si nu n s a t u r a t e dm a t r i xw i t h d i 行e r e n ts u c t i o na n dp u r es t r e s s e st of i n do u tt h ea n t i s h e a r s t r e n g t ha n dt h e q u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po f t h es u c t i o na n dp u r es t r e s s e s c o m b i n e dt h ei n n e r a n g l e s o ff r i c t i o nf r o mt h e3 - a x i s e sa n ds t r a i g h ts h e a r i n ge x p e r i m e n t s ，au n i t e df o r m u l ao f a n t i s h e a r i n gs t r e n g t h o fg a s - l i q u i ds a n di ns h a l l o wl a y e r so ft h ep i e rs i t ei s e s t a b l i s h e da s tr - c + ( o 。一u ) t a no 7 + t 。，w h i c hh a sb e e np r o v e db e l i e v a b l ei n p r a c t i c e i th a sb e e nt h ee x p e r i m e n t a lp r o o f f o rt h ep r o g r a mo ft h eb a s es t a k e so f o v e r s e ab r i d g e h a n g z h o ug u l f t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o no ft h ep a r a m e t e r s ，a c o n c l u s i o ni s d r a w nt h a tt h es a n di a y e rc o n t a i n i n gt h eg a gw o u l ds i n ki ft h es h a l l o w l a y e rg a s r e l e a s e s a n dt h es e t t l i n gv o l 姗e - o 堪l dr a i s ew h e n t h e 串辫辩学技术丈学鹋士学靛论文热* 液，霹耱奢渗流聂葵篮簿砖霹竞攘要 t h i c k n e s so ft h es a n dl a y e ra n dt h ei n i t i a lp r e s s u r er a i s e ，r e d u c ew h e n t h ei n i t i a ld e n s i t yd o w n ，i nt h ea r r a n g eo f2 l 瓣p 8o ft h e n i t i m s u c t i o no ft h em a t r i x ，t h er e l e a s eo fs h a ll o wl a y e rg a sw o u l dc a u s ea s e t t l ea tt h em a x i m u mo f1 1 0 0 0t o5 t 0 0 0o ft h ew h o l et h i c k n e s s ， as e r i e so fm e a s u r e m e n tt op r e v e n td i s a s t e r si nt h ee n g i n e e r i n go f s h a ll o wl a y e rg a sa r er a i s e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s d u r i n g d e s i g n i n ga n dc o n s t r u e t i o n ，m e a s u r e m e n ts h o u l da p p t l e dt oi n d i v i d u a l s u b a r e a s ，f o re x a m p l e ，t h es t a k e sa r ei n f i l t r a t e di n t ot h eg r o u n di nt h e h i g hp r e s s u r ea r e a s ：e r e l e a s et h eg a sf o r w a r da n db a c k w a r dt h eb r i d g e a c c o r d i 琊：t ot h ea l l o c a t i o no ft h eg a sb e f o r ec o n s t r u c t i o n 3 r e s e a r c ho i lc o m p u t a t i o n a l 搬e t h o d s l ，c o n s i d e r i n g t h e c o u p l i n g t h mp r o c e s s e s d u h n gt h ed r i l l i n g , t h e n o n n e w t o n i a nf l o wi nt h er o u n dd u c ta n dt h eh e a tt r a n s f e r r i n gw i t hf o r m a t i o n s ， a sw e l ld i s r e g a r d i n gt h es m a l ld e f o r m a t i o no f # o c k s , t h ee q u a t i o n so f 疆e t h e r m o h y d r a u l i cc o u p i e dp r o c e s s e s a r e b u i l t , w h i c hc a nb ee a l e u l a t et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f 也ef o r m a t i o n sa n dw e l l b o r e s t h es o l u t i o ni sv e r y i m p o r t a n t 协t h es e c u r i t yo f d r i l l i n g 2 ) w i t ht h ep r o d u c t i o no ft h ec o a lb e dg a s ，t h ec h a n g i n go f t h ep r e s s u r ei nt h e s t r a t u ma n di nt h ef l u i di np o r o u st o e k sa n ds oc a u s e dt h ec h a n g i n go ft h ee f f e c t i v e s t r e s sa n ds t r a i no ft h ef r a m e w o r k s ，t h ep a r t i c l e so ft h ec o a lw o u l db ec a u s e d d i s p l a c e m e n t w h i c hw e u l d i n f l u e n c et h es t r e s sa n ds t r a i nf i e l d a n ds u c hp h e n o m e n a h a sn o tb e e nr e s e a r c h e dc o m m o n l yb e c a u s eo fi t sc o m p t e x i 抵w h i c hi sr e l a t i v et ot h e i n s t a n t a n e o u sp r e s s u r ei n 啦! eb o 健o mo f t h ew e l l i nt h i sa r t i c l e am o d e lo f u n b a t a n t e d a b s e r p t i o ni sa d o p t e dt os t u d vt h ef l o wr u l e si nt h es o l o p h a s eg a si nt h eb e da n d c l e a p s i nt h ea s s u m p t i o no fp s e u d o - s t e a d yf l o w s a n dt m s t e a 母f l o w s ，t h e p r e s s u r e e q u a t i o n so f t h eg a sc a nb ed e r i v e db va l t e m a t et h es t a n d a r dp r e s s u r eo ft h ep r e s s u r e i nl a n g m u i ra b s o r p t i o nf o n n u l & i fc o n s i d e r i n gt h ei n f i n i t eo rr o u n d # f i xp r e s s u r e s t r a t m n t h ed i m e n s i o n l e s ss e m i p r e s s u r ea n di t sd e r i v a t i v ei 聩t h eb o t t o mo ft h ew e l t w o u l db eo b t a i n e d 3 a 辍i n n o v a f i v em e t h o dw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rt oe s t i m a t et h ep r e s s u r e c o m p a r i n g t h eu n r e a s o n a b l eo p , e se x i s t e d a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so ft h ef l u i di n m u l t i w a l ls a n dc o m p l e t i o nw e l l ，e v e r yp a yf o r m a t i o ni sd i v i d e do nt h et a d i a ld l r e c t i o n i n t ot h r e er e g i o n s , i , e 。s a n df i l l i n g 。p e r f o r a t i n ga n d r a 纛i a lf l o w i n ga r e a e a c ha r e ah a s i t so w n s e e p a g ee q u a t i o n s a n dt h e r e a r e3 n e q u a t i o n s f o rn p e t r u l e u md c p o s i t s e a c h e q u a t i o n so f i t sa r e ae a nb er e p r e s e n t e db yg r e e nf u n c t i o n s a n dt h em i x e dp r e s s u r e o f t h ew e l l b o r e , p r e s s u r eo f i n d i v i d u a ll a y e r sa n dt h eo f f - t a k eo f t h e a y e r s i nl a p l a c e s p a c ec a na l s ob es h o w nb yg r e e nf u n c t i o n s f i n a i l gt h ep r e s s u r e l o s so fe a c h s t r a t x t m ，s u r f a c ee o e f f i e i m t lt h ep r e s s u r e i nt h eb o t t o mo f t h ew e l la n dt h er a t i oo f t h e o f f - t a k eo ft h el a y e r st ot h et i m ea r eo b t a i n e d t h i sm e t h o di sa p p l i e di nt w ol a y e r p c t r o l e m nd e p o s i t s a n d ar e a s o n a b l ec o n c l u s i o ni sd r a w ni nt h el a s tt w o p a r a g r a p h s w 中黧科学技术太学麟士学像论文热。滤m 瓣耦舍渗流敬冀症群螗蟹宪 第一肇绪论 第一节研究工作的意义 褒采矿工程、承嘏工程、逑下工稷、边玻工程、软毯纂照逢、石潦开袋、 煤层气开发、地热开采、地震控制及预测、核废料深埋处理等领域，热流圃耨 台渗流过程及萁相互律用闷题的研究变得十分重要和遣切。特别是近整年，随着 基础设越建设秘能源开发毂掇入趣大，黠撼动热一流蘑程台进程的数学模型发 数值模拟、实验等多项研究的发展，超到了煎要的作用。 巍许多国家，将核废辩和毒害淫痿辩深壤逸下是永久往隔离方法之一。蕊了 评估深埋产生的地质介质变化，充分获得采用不同深墁设计方法的数据是很有必 要匏。其中，对岩薅中处理系统静安全牲译嵇簸为重瓣，特娥怒岩钵串已有裂辕 存在或将会生成裂隙的情况。因此，对安全性分析的一个重要内容就是对岩体稳 定性，构造成力，堍下水流过深储室戳及燕载荷等的耩合俸爝评信。 在石油开袋方蘑，如热采，抟统的多稳渗濂方程及其数餐模拟没有考虑流体 渗流与岩石变形之间相互作用，然而生产实践表明，纂于这种简化和邋似来描述 流体渗滚是不准确豹。为了壤褊模攒演气藏中流传滚动，必须将经典鹣渗滚力学、 岩石力学、热力学结合起来，全面考虑流体渗流、岩石变形、温度场变化之间的 藕台避程，建立藕合搂墅。 在煤层开采过程中，煤体骨架所受碰力将发生变化，导致周体骨絮的体积和 孔陈鹣交纯，献两使攥瑟程豫态瓦斯流动豹改变或瓦新篷力发生交讫。瓦斯援力 的变化不仅鸯接改变煤岩体的应力状恣，面且引起媒体的醛煤层气发生变化，使 煤体酾力学佼质、应力状态驳变形都羧生改交。因此，必须研究煤体一煤层气的 藕合嚣羯。由予我毽煤簸重投必丰富，褥我毽艇源结擒中煤占绝对往势戆状况程 可预见的未来很难改变。因此，研究煤层内煤层气渗流和煤体变形之间的耦合对 潆震器采毒重要意义“一。 同样，在水电站大坝、士石坝和尾矿坝中水的渗流闯题以及雨水作用下边坡 帮深基坑开撩过程中豹漪坡 蠡遥，均涉及熟一漉一露耩合游蘧。讫魏，兰姨离远竣 迫切器要研究来来水位上升的渗流诱发滑坡闷题。再者，由于城市高展建筑的发 展，解决地下水渗流对深基坑歼挖鹃稳定闯瑟殛褥尤为重要“”。 霹见，对热滚鼹耦会渗滚及其墩用的研究变褥十分重要鞠追切。膊谓“鹚 中国科学拽术大学博士学位论文热一流一固耦台渗流及其应用的研究 合”作用就是指一个过程会影响其它过程的发生和发展。由于某种原因产生大量 戆热霪，袋装石等介质瀑度( t h e r m a l ) 舞窝，这不经影穗了砉石、汞俸豹携瑾 性质，而且对岩体的应力场( m e c h a n i c a l ) 和水体的渗流场( h y d r o l o g i c a l ) 也有 重要佟瑶；与j 逝同辩，趣下承 乍为种环靖阂素，辩岩体的物理力学性质和热对 流传输具有羹要影响；另一方面，岩体的热物理特性及其中的各种不连续面( 节 理、断层、裂隙等) 分别对热传导及地下水渗流起着重要控制作用。这三者相互 联蓉、相置制终，篾称：热流豳( t h m ) 勰合效应( c o u p l e d t h e r m a l h y d r o l o g i c a l - m e c h a n i c a l ( t h m ) p r o c e s s e s 。) 。为简洁超见，本文称为热一 渡一困藕合渗浚。 图1 1 为岩体中应力应变，水等流体及热相互影响，相鬣作用的示意图。可 觅，它稻之澜靛影螭释诈焉簿常复杂。 综上所述：对热，流固耦合渗流的研究有重要而深刻的理论意义，并有广泛 的实际应用价值。2 0 0 1 年，在国家自然科学基金( 编号为：1 0 1 0 2 0 2 0 ) 的资助下， 开始热流匿襁合渗流及其艘用的磺究。 水浮 水( h ) ( 渗流) 地下水流经基 岩和裂卷 热( t ) ( 温度变化) 藏射经废辩耱热或蟪热导致热溅 传导变形生壹心 热成力 力( m ) ( 固) ( 应力建交) 空隙和裂隙变化引起f 渗遴系数变化l 基岩和裂隙变形 匿1 - 1 裂隙岩体中热一流一回耦合作用示意嚼 第二节历史的国颗 一、流一溜糨会撵用繁会 在载荷域流体压力作用下，岩石及由岩福组成的多孔介质骨架都有可能产生 交形，它靛豹交形褥孳| 莛魏藤或裂豫逶遂豹教交，获磊影蛹稚豫内漉髂豹滚韵。 孔隙流体压力、流动速度变化等也会引起多孑l 介质变形。这种多孔介质变形匈其 中国科学技术大学 博士学位论文热流- 固耦合渗流及其应用的研究 中流体流动间存在相互影响相互作用，称为流一固耦合。 自d a r c y l 8 5 6 年建立渗流的线性定律以来，渗流力学已取得了长足的进展。 如单相流体在均质多孔介质中的渗流、多相渗流及与此相关的相渗透率和毛管压 力的概念，双重和多重介质渗流等等。这些工作为工程计算提供了理论基础，促 进了地下水、石油与天然气开发的发展，但这些研究大部分没有考虑孔隙流体流 动和多孔介质变形之间的相互作用。随着现代工程技术的发展，许多工程问题已 无法回避渗流过程中多孔介质变形与孔隙流体流动的耦合作用。如地下水开采引 起的地表沉降问题，主要是不合理抽取地下水引起孔隙充体压力下降造成岩土骨 架有效应力的变化，最终导致岩层或土层变形。因此，涉及地表沉降的渗流问题 是流一固耦合问题，要将渗流力学和岩土力学等学科紧密结合起来才能较好地解 决这些问题。 对流固耦合渗流研究是从二十世纪4 0 年代开始的。对岩体和流体相互作用 的研究最早见诸于t e r z a g h i 5 1 有关地面沉降的研究，其内容主要限于考虑一维弹 性孔隙介质中饱和流体流动时的固结，提出了著名的有效应力公式，2 0 世纪中 期，b i o t 6 7 】将t e r z a g h i 的工作推广到三维固结问题，奠定了地下流固耦合理论 研究的基础，在此基础上，v e r r u j i t 8 1 进一步发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合 的理论模型。在此后几十年间，流固耦合渗流的研究有了长足的发展。特别是 岩石裂缝或节理的开度的变化( 扩张或闭合) 和剪切变形、油田的水力压裂【9 】、 流体注入诱发地震【l0 】等。 石油开采过程中的流一固耦合问题的研究和计算还比较少见“。但是，在油 气开采过程中，随着油气的不断采出，导致储层孔隙压力的降低，因相应力重新 分布，由此导致储层岩石、骨架的变形，使油藏的物性参数。特别是孔隙率、渗 透率和孑l 隙压缩系数发生变化。而这些变化又反过来影响储层流体在孔隙空间的 流动。因此，油气储集层的孔隙率、渗透率以及岩石的变形能力与油气的采出量 直接相关。必须加以研究。在钻井过程中，油、气井由于受到井内、外流体浸泡， 壹接影响着井壁的稳定性。同样，在开采过程中，由于流体的流动和冲蚀作用， 井壁周围的岩石骨架性质和应力将发生改变而引起骨架的破坏，由此引起大量出 砂。因此。这时的井壁稳定分析和出砂分析必须考虑流体和岩石之间的耦合作用。 在储层的开采过程中，由于大量流体( 油和气) 的采出，使得含油( 气) 层的压 主曼型兰茎查查堂堕主堂垡笙奎垫：鎏：璺苎全查垫墨苎皇旦塑堑查 力降低而引起上覆岩层的变形，压实和沉降，由此将带来严重后果。如：井眼的 坍塌、套管的变形和破坏等等，这对倾斜井尤为重要。在注水或聚合物驱替开采 过程中，驱替流体的高压不仅为油、气的流动提供了驱动力，而且使孔隙空间得 以扩张，提高了储集层的渗透能力，因而获得增产的目的。因此，研究驱替过程 中的流固耦合作用是提高油、气采收率所面临的必须解决的问题。另外，在水力 压裂提高油气采收率、稠油的热采以及油藏数值模拟与动态预测等领域都涉及流 体和固体之间的相互作用。同时，考虑到我国年产油量的绝大部分都是在高含水 条件下获得的，还必须加强研究多相流渗与岩石变形之间的耦合作用。 此外，还有许多工程问题，如地下铀矿的溶浸开采，深部露天矿开采的边坡 稳定分析，水库诱发地震“，采用水力压裂测量地应力“，软土地基固结“，矿 井突水“”等等，都与流固耦合作用有关。 近年来，地下流固耦合研究又有了长足的发展 1 6 1 8 1 其特点是：由单相流到 多相流，由单一介质向双重介质发展：放弃了固相介质弹性小变形假设，改为考 虑更为接近实际的非线性本构关系( 粘弹性、弹塑性和蠕变) ； 以上分析可见，流一固祸合渗流研究涉及许多工程实际问题，的确是目前科 学研究的热门课题 1 9 , 2 0 。尤其在石油工程中，几乎从钻井到开发各阶段都与流一 固耦合有关，而国内这方面的研究还有待进一步加强。 二、热流固耦合渗流的发展概况 热流圃耦合渗流是当岩层中存在热源而出现温度梯度时所产生的耦合渗 流。热源主要来源于地热 2 1 , 2 2 、岩浆 2 3 1 、核废料贮存库等 2 4 1 ，也可以是深层高 温高压油藏的开发。2 0 世纪7 0 年代以来，在石油开发领域相继提出一系列新研 究课题，如注蒸汽导致的地应力变化、产层出砂及油气采集引起的地面沉降问题 等，一些学者针对这些问题，进行了大量地质力学、丌发机理、耦合理论及工程 应用方面的研究。 岩石热效应是岩体赋存的物理环境诸因素中的一个重要方面。它涉及到地热 资源的开发和利用、核废料深埋处理导致的高温、石油开发( 尤其是二次开采) ； 此外，液化石油气和液化天然气的地下贮存以及液化处理过程中，大量吸收周围 地层热量而产生的低温岩石的力学问题。在开发有承压作用的地热资源时，因开 4 中萄科学技术大学 博士学位论文热- 流* 固耦合渗流厦其应用的研究 采磊帮载减歪过程孛，缝燕区域内熬逡应力帮滋度交佬淤及岩石懿渗透率和我豫 率受这种卸压变形的影响分析，都是一种流体流动固体变形和热效应的耦合 作用。在核废辩处理问题上，地下水系统受核废料的高温热效应作用可能造成污 染物外池。因此必须研究由于热作用引起岩体瀑度应力及其内郯流体漉动变化掰 导致的岩体变形和渗透性的变化。 在2 0 世纪8 0 年代，有嚣个方瑟匏热一渡咽耀合渗漉取撂了重要遴嶷。一方 面是与热干岩石热能和油田开发相关的热一流一闯耦合渗流；另方面，是与核废 籽楚纛秘建热开发稷关静热浚，嚣藕会渗滚。 在热干岩石地热系统开发中，需要钻井并注入冷水进行水力压裂，从而在热 干岩石中形成一个裂缝，该裂缝被霜作获岩石中提取热能酶热交换表瑟。这是典 型的热流固耦合渗流闯题。在油田水驱作业中，向黢油藏注入冷水，注入压力 低于聪裂值，驱替石漓进入生产并。n o o r i s h a d & t s a n g ( 1 9 8 7 ) 研究了这个过程 拉卿。第三耪馈擞赝研究翦热淀疑鼹会渗沆是凌磅究热源臻近磐石节理特薤辩国 现的。如果热源位于水饱和的水平裂缝与井眼交界处，井钻开时，水从裂缝进入 并疆。遮嚣热潦使滠壤上势，密石热膨强傻裂缝开疫城小，戳至最终蠲含永终壹 流动。s t r i p a 矿现场观察也证实了这一过程 2 6 j 。温度梯度可在岩石各处产生不同 的局部膨胀和破裂。又豳为承瓣膨胀系数跑卷霜靛大簿多( 4 xt 0 4 魄1 0 6 c ) ， 温度上升引起孔隙中漉压增加，流体压力可扩激到远处并触发潜在的她襞。这些 问题均有待避步研究。 w a n g 等假设岩石是非常坚硬的，磷究了与援废料锉存霹有关的热一流耦合渗 流咖。他还对热一流耦含渗流的数值模拟进行了评述“”。p r u e s s 也研究了热一流 粳含渗滚戆毒效连续绕模掇方法及其痰弱”，在魏蒸蓦塞上，热- 滚困麟会渗滚， 特别鼹在与核废料贮存库相关的耦合渗流的研究得到迅速发展。较早肖 n o o f i s h a d 等懿论述转。在2 e 毽纪粥年代孛麓召开了骞关豹鬻际学本会议 3 2 l 。 并且柱上世纪9 0 年代初制定了d e c o v a l e x 国际合作计划。对某些简单情形还 给出了解析解 3 3 l ，并绘出了藕含系统1 3 4 】。 关予多孔介质中热对流的磷究也融有几十罐的历史口5 州。多孔热弹性问题避 几十牮也已有很多研究p 7 , 3 8 1 。研究表明：热弹性耦合参数一般很小，墩然温度均 影响戏力秘应变，组威力鄹多变对温发没有髑摄影响。 皇墼篓举技术大学搏士学位论文热滤，鼙藕合渗漉蕊羹应瘸砖研究 三、d 嚣c o 讼b 烂国际合佟诗麓 d e c o v a l e x 是“核废料隔绝耦合模泌的发展及其实验验证”f d e v e l o p m e n t o fc o u p l e dm o d e l sa n dt h e i rv a l i a t i o n a g a i n s te x p e r i m e n t si nn u e l e c rw a s t e i s o l a t i o n ) 的字头词【3 9 一们。该计划是荚、英、法、e l 、加和北欧诸黩共嗣参与制订 的。其基本内容是对于岩石中热- 流- 固耦禽渗流进行理论、计算和实验研究。这 对教蒜瞧凌辩秘乏燃料隧上处理袋安全浮佳是 # 露重要弱，特别怒岩虿中邕经存 在裂缝或w 能产擞裂缝的情形。计划的第阶段研究裂缝和基质中流体的流动、 滚整、流速帮流动遴道，茭藕合渗淀涉及豹物理瑗象雹搔煞膨涨、热扩鼗、热对 流、相变、裂缝和罄质的变形、岩体的破损等。所应用的模拟计算方法主凄有两 种：一种楚有效连续统模黧，良裔限元方法( f e m ) 为代表譬1 一】。勇一种是离 散模型，以分离元方法( d e m ) 为代表 4 3 , 4 4 ，连续统方法是假设卷体为连续体， 而其中的间断面用特定公式描述的节理单元模拟，或用裂缝介质的等价材料模 拟。褰教方法是簸定岩髂囊荟摹孛琴同豹阋凝瑟掰赛定弱裹毅岩块壤组藏。 该计划的实验研究分为基准实验( b m t ，b e n c hm a r kt e s t ) 和试验情况( t c ： t e s tc a s e ) 嚣类。蔫者定义必一般魏静透毽| 蠢题。怒羧先竣憨静热流霾糕会渗滚 问题 4 5 , 4 6 ，并用相应的模趔和计算程序所得结果进行比较。后者照热搿i 阑耦合 过程的部分或全瑟的试验磷究，燕实际的实验室蔽境场试验。表2 捌密了该计翊 前期的试验项目。 四、国内热一流一固耦台研究情况 钛已裔文献稻安徽省辩技猿季羹矫究瑟瓣查裁缝莱看，潮内霹热漉一固豹理论 及应用的研究都怒处于初步阶段。 冉启全、董平川等拜7 8 l 建立了弹塑性饱和储集层中多稳渗滚藕合模登，并得 到了数组解，但对于油藏开发中遇到的热* 流固耦合问题却没有涉及。 中国科学院武汉岩土力学研究所的刘驻展、关玉山、刘泉声等人在国家自然 科学基金( 援准号：4 9 7 7 2 1 6 3 ) 资助下，砖援凌辩贮痒固瓷奔质不可逆过程熟力 学和热弹性进行了初步的理论探讨。通过些基本假设，推导了其热能平衡方程 积熵产方程等。菇终，重淡丈学爨涤繇壤王程学黢瓣癸壤德、鲜学捧，擐攥晷努 资料介绍了核废料深埋处理安全性分析的热一水一力耦合模澄新进展。太原理工大 学( 原出疆矿鼗攀院) 静蹒汪与1 5 t 零东家文学工学都静福辩正瑟| l 会终对岩体孛渗 6 书函科学技术大学 博士学位论文热漉一离耦合渗漉蕊箕应用的研究 流一燕一应力藕会终蔫懿理论 窜了密步磷究。 由于种种原因，国内一只商极少数科研单位对热一流固耦合问题进行理论探 讨，氨几乎是鼹踪或熏复国外的研究，没有形成台 乍辊髓，与图际上鹃水平有较 大差距。 第三节本文研究的内容与方法 一、理论方瑟的研究 出上对热一流一固糕合渗漉发展概况的研究可以看到，国内外对研究该耦合 已做了大量工作，在理论上给出了许多数学模型，其中有的文章罗列了几十个方 程，瑟怼麴爨囊嚣进行求鼹专李论较少；蠢款文章矮于袋铡诗雾又 娃乎：；遣分筵化， 以致失去了热一流一固耦合的某些特征。本文结合我们自己的研究工作，运用渗 流力学、固体力学、撵经力学、土力学、热力学等瑾论，觚磷究流