煤岩粗糙裂隙结构渗流性质的实验与LBM模拟研究

发布时间：2017-11-11 22:02

  本文关键词：煤岩粗糙裂隙结构渗流性质的实验与LBM模拟研究

  更多相关文章： 裂隙煤岩 CT扫描 LBM数值模拟 裂隙面 裂隙网络 分形维数

【摘要】：煤与瓦斯共采、油气资源开发、CO2地下封存、高放核废料与污染物的地质封存等重要工程问题与岩体中流体的渗流性质密切相关。地下资源开采活动打破了储层岩石的初始地应力平衡状态,导致岩石内部应力场重分布,岩石块体、裂隙面以及裂隙网络结构面产生变形或破坏,改变了岩体的渗流性质与渗流场分布。因此,准确定量的描述岩体裂隙结构特征、节理/裂隙结构的不规则演化以及采动应力对裂隙岩体内部结构形态和渗透行为的影响,对于揭示煤瓦斯渗流特性以及采动应力条件下流体渗流行为具有十分重要的科学意义和工程应用价值。岩体裂隙结构具有粗糙不规则的特性,表现为跨尺度、无序分布、非均匀性、各向异性及与应力特征有关的特点,这些粗糙不规则的裂隙结构对岩体渗流产生了比较大的影响。分析岩体中裂隙结构与流体渗流性质之间的相互联系,首先需要精确的描述方法来分析裂隙网络的结构信息、分布特征以及粗糙形态。其次,天然岩体裂隙中流体的流动行为多为非达西流,以往的流体渗流问题研究基本都是采用立方定律或者基于修正后的立方定律进行描述和计算的,不能够真实反映岩体中的渗流行为。因此需要准确的流体渗流理论来正确分析三维裂隙网络结构下的流体流动行为,包括流动速度场分布、渗透率大小、路径选择、流态分布等问题,这样才能正确的分析与定量研究各种物理、力学过程作用于岩体裂隙结构形态的内部机制。地下资源开采特别是煤层气、页岩气以及致密砂岩气的开采过程是一个应力、内部结构以及宏观渗透率不断演化的动态行为,这些行为对岩体结构的渗透性质产生了比较大的影响。利用传统的基于达西定律方法计算的宏观渗透率,没有考虑岩体开采过程中渗透率的动态演化行为,导致与岩体实际的渗流行为存在不一致性,不能够真实反映开采过程中裂隙岩体的渗流行为。因此准确定量的描述采动应力对岩体裂隙内部结构和渗透性质的影响,对于解决岩体工程中的渗流问题具有十分重要的意义。针对上述问题,本文重点开展以下方面研究:1)裂隙不规则粗糙结构对流体渗流性质的影响。考虑到粗糙裂隙渗流的平行板模型与立方定律的局限,本文基于Mandelbrot分形函数构建一系列不同粗糙度的分形单裂隙模型和不同粗糙度的裂隙面模型,通过水渗流实验和LBM数值模拟方法研究岩体粗糙裂隙结构对渗流行为的影响,定量分析裂隙的粗糙结构和渗流性质之间的关系。同时,采用LBM方法计算分析了粗糙裂隙结构中的流体的非达西流动行为。2)采动应力对煤岩裂隙结构及其渗流性质的影响。以煤岩为研究对象,开展了不同开采应力条件下煤岩瓦斯的渗流实验,利用CT扫描与三维成像技术获得了不同加载阶段下煤岩渗流时的内部结构演化,分析和计算加载前后煤岩试样在不同应力条件下的三维裂隙结构形态变化特征。按照传统的darcy定律及计算方法得到了不同开采条件下煤岩的渗透率大小。考虑采动应力对煤岩内部粗糙结构以及渗流行为的影响,本文应用lbm方法分析计算了三维裂隙结构下岩体内部的流体渗流行为,并与依据darcy定律计算的渗透率结果进行了对比。本文的研究为定量分析和直观描述开采变形条件下深部岩体中粗糙结构形态对流体渗流性质的影响规律提供了新的方法与有效手段。本文的主要创新成果具体如下:(一)粗糙结构形态对岩体渗流性质的影响通过对分形单裂隙以及二维裂隙面结构模型的渗流实验和lbm数值模拟,计算了流体在不同分形维数模型下的流动速度场分布,分析了结构粗糙度对裂隙渗透性质的影响,结果表明:(1)粗糙裂隙面的分形维数越大,裂隙的粗糙程度越强,且裂隙分形维数与粗糙程度之间具有相关性,粗糙裂隙面的分形表征可以解决结构粗糙性的描述问题。(2)对同一分维数的粗糙裂隙而言,尽管不同微区间上渗流路径的曲折结构不同,但粗糙裂隙模型中水流的平均流速变化不大,有较小的变化。随裂隙的分维值增大,渗流通道上裂隙结构的各个微区间的平均流速呈现逐步减小的趋势;整个渗流路径内水流的平均流速随结构模型的裂隙分形维数d增加呈线性减小的规律。(3)同分维值粗糙路径水流的欧拉数与路径结构的粗糙性有关,分维值越大,欧拉数也越大。这表明在粗糙路径中,流体的压力降与动压头的比值越来越大,即动量的相对损失率也越来越大,这正是由于分维裂隙的粗糙结构引起的,也即阻力的影响。(4)通过稳态下裂隙结构渗流的试验研究,计算了稳态情况下的流体流动速度和等效渗透系数,通过分析建立了裂隙的分形维数和裂隙等效渗透系数之间的关系,即粗糙裂隙结构形态和流体流动的渗流机制之间的关系。(5)通过对流体阻力的分析,计算出在容器中流体下降产生的势能,比较势能的损失和局部阻力,二者之间的相对误差在5%左右,比较接近。因此,在模型中流体的在局部损失的能量是由于流体提供的势能造成的,同时分析在不同模型中的动量改变,虽然在某一固定的单裂隙模型中,其动能在整个路径上没有变化,但是动量是在处处改变,这正是由于裂隙的粗糙结构造成了流动过程中流体动量的变化。(6)立方定律的计算结与lbm数值模拟结果和实验结果偏差非常大,这也证实了立方定律不适合表述粗糙分形结构中流体流动的非达西流动行为。(7)对于不同结构面形态构成的二维裂隙面模型,虽然exp.a模型和fracture.a模型二者维数值相同,但是在同样流动条件下,计算得到的流速场分布和渗透率差距很大,这也说明了粗糙结构的不同形态对于流体流动产生很大的影响。(8)fracture.a模型是基于分形维数为1.5的裂隙曲线构成的,但是其裂隙结构的流速场和渗透率与分形维数为1.5的裂隙曲线差距很大,说明在二维裂隙面模型实验中,流体的流速分布并不是齐头并进的,证实了在不同的结构形态于流体流动产生很大的影响。(9)LBM计算结果与物理水渗流实验结果比较接近,实验现象和数值模拟现象比较吻合,对比证实了LBM模拟粗糙结构中流体不稳定流的有效性。(二)采动应力对煤岩三维裂隙结构演化及渗流性质的影响开展了煤与瓦斯开采过程中不同应力条件下的瓦斯渗流实验以及LBM数值模拟,计算和分析了其内部裂隙结构演化、裂隙三维结构表征以及渗透率变化规律,研究表明:(1)不同开采阶段下的煤岩试样中轴向变形大致可分为初始天然裂隙压密阶段,线弹性变形阶段、塑性阶段、屈服阶段、残余应力阶段。(2)三种开采方式下,静水压力阶段和第一卸载阶段(未达到峰值状态时刻前)其轴向应变变化率大于环向应变变化率,因此这个状态下的体积应变为正值,表现为正向增大。当到达破坏点后环向应变增大速率远远大于轴向应变增大速率,因此这个状态下的体积应变变为负值,体积应变表现为负向增大。(3)对裂隙网络结构特征采用分形维数来定量表述,研究发现,分形维数能很好的表征裂隙煤岩体的内部结构特征,三维裂隙网络模型的分形维数与裂隙结构具有很好的一致性。(4)通过煤岩试样的CT扫描,获得了煤岩样内部的裂隙结构形态,对比发现加载后的裂隙煤岩的分形维数大于加载之前,渗透率也明显大于加载前时刻,裂隙煤岩体的渗透率随着分形维数的增加而增加,说明了渗透率与分形维数之间存在一定的线性关系。(5)采用传统达西定律的方法计算了煤岩试样的渗透率,同时通过LBM方法模拟计算了不同应力条件下裂隙煤岩体内部流速场分布以及渗透率大小。通过与实验结果进行对比,与物理实验有很好的一致性,验证了LBM计算的准确性。本文实验和数值模拟阐述了粗糙裂隙结构中流体的渗流特征以及采动应力作用下煤岩内部三维裂隙网络的演化规律,揭示了煤岩裂隙粗糙结构以及采动应力对裂隙渗流性质的影响机制,给出了考虑粗糙结构影响的流体分形渗透率的表达式的以及三维裂隙网络的分形描述方法,建立了考虑非稳态特性的一维单一粗糙裂隙、二维粗糙面和三维网络渗流性质的LBM计算模型和计算方法。为解决采动应力影响下深部岩体裂隙网络结构表征以及瓦斯渗流规律的定量表征提供了新的思路和方法。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD313

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 申林方;冯夏庭;潘鹏志;周辉;;单裂隙花岗岩在应力-渗流-化学耦合作用下的试验研究[J];岩石力学与工程学报;2010年07期

2 裴建良;刘建锋;左建平;张茹;;基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究[J];岩石力学与工程学报;2013年04期

3 蒲成志;曹平;;单压下多裂隙类岩材料的破坏特征及其影响因素(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2012年01期

4 熊祥斌;张楚汉;王恩志;;岩石单裂隙稳态渗流研究进展[J];岩石力学与工程学报;2009年09期

5 ;[J];;年期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张钦刚;煤岩粗糙裂隙结构渗流性质的实验与LBM模拟研究[D];中国矿业大学(北京);2016年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 赵阳;土中三维随机裂隙网络的重构与数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2012年

，

本文编号：1173027