本文關鍵詞：煤巖粗糙裂隙結(jié)構(gòu)滲流性質(zhì)的實驗與LBM模擬研究

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【摘要】：煤與瓦斯共采、油氣資源開發(fā)、CO2地下封存、高放核廢料與污染物的地質(zhì)封存等重要工程問題與巖體中流體的滲流性質(zhì)密切相關。地下資源開采活動打破了儲層巖石的初始地應力平衡狀態(tài),導致巖石內(nèi)部應力場重分布,巖石塊體、裂隙面以及裂隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生變形或破壞,改變了巖體的滲流性質(zhì)與滲流場分布。因此,準確定量的描述巖體裂隙結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理/裂隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則演化以及采動應力對裂隙巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和滲透行為的影響,對于揭示煤瓦斯?jié)B流特性以及采動應力條件下流體滲流行為具有十分重要的科學意義和工程應用價值。巖體裂隙結(jié)構(gòu)具有粗糙不規(guī)則的特性,表現(xiàn)為跨尺度、無序分布、非均勻性、各向異性及與應力特征有關的特點,這些粗糙不規(guī)則的裂隙結(jié)構(gòu)對巖體滲流產(chǎn)生了比較大的影響。分析巖體中裂隙結(jié)構(gòu)與流體滲流性質(zhì)之間的相互聯(lián)系,首先需要精確的描述方法來分析裂隙網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)信息、分布特征以及粗糙形態(tài)。其次,天然巖體裂隙中流體的流動行為多為非達西流,以往的流體滲流問題研究基本都是采用立方定律或者基于修正后的立方定律進行描述和計算的,不能夠真實反映巖體中的滲流行為。因此需要準確的流體滲流理論來正確分析三維裂隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)下的流體流動行為,包括流動速度場分布、滲透率大小、路徑選擇、流態(tài)分布等問題,這樣才能正確的分析與定量研究各種物理、力學過程作用于巖體裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的內(nèi)部機制。地下資源開采特別是煤層氣、頁巖氣以及致密砂巖氣的開采過程是一個應力、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及宏觀滲透率不斷演化的動態(tài)行為,這些行為對巖體結(jié)構(gòu)的滲透性質(zhì)產(chǎn)生了比較大的影響。利用傳統(tǒng)的基于達西定律方法計算的宏觀滲透率,沒有考慮巖體開采過程中滲透率的動態(tài)演化行為,導致與巖體實際的滲流行為存在不一致性,不能夠真實反映開采過程中裂隙巖體的滲流行為。因此準確定量的描述采動應力對巖體裂隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)和滲透性質(zhì)的影響,對于解決巖體工程中的滲流問題具有十分重要的意義。針對上述問題,本文重點開展以下方面研究:1)裂隙不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)對流體滲流性質(zhì)的影響。考慮到粗糙裂隙滲流的平行板模型與立方定律的局限,本文基于Mandelbrot分形函數(shù)構(gòu)建一系列不同粗糙度的分形單裂隙模型和不同粗糙度的裂隙面模型,通過水滲流實驗和LBM數(shù)值模擬方法研究巖體粗糙裂隙結(jié)構(gòu)對滲流行為的影響,定量分析裂隙的粗糙結(jié)構(gòu)和滲流性質(zhì)之間的關系。同時,采用LBM方法計算分析了粗糙裂隙結(jié)構(gòu)中的流體的非達西流動行為。2)采動應力對煤巖裂隙結(jié)構(gòu)及其滲流性質(zhì)的影響。以煤巖為研究對象,開展了不同開采應力條件下煤巖瓦斯的滲流實驗,利用CT掃描與三維成像技術獲得了不同加載階段下煤巖滲流時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化,分析和計算加載前后煤巖試樣在不同應力條件下的三維裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)變化特征。按照傳統(tǒng)的darcy定律及計算方法得到了不同開采條件下煤巖的滲透率大小。考慮采動應力對煤巖內(nèi)部粗糙結(jié)構(gòu)以及滲流行為的影響,本文應用lbm方法分析計算了三維裂隙結(jié)構(gòu)下巖體內(nèi)部的流體滲流行為,并與依據(jù)darcy定律計算的滲透率結(jié)果進行了對比。本文的研究為定量分析和直觀描述開采變形條件下深部巖體中粗糙結(jié)構(gòu)形態(tài)對流體滲流性質(zhì)的影響規(guī)律提供了新的方法與有效手段。本文的主要創(chuàng)新成果具體如下:(一)粗糙結(jié)構(gòu)形態(tài)對巖體滲流性質(zhì)的影響通過對分形單裂隙以及二維裂隙面結(jié)構(gòu)模型的滲流實驗和lbm數(shù)值模擬,計算了流體在不同分形維數(shù)模型下的流動速度場分布,分析了結(jié)構(gòu)粗糙度對裂隙滲透性質(zhì)的影響,結(jié)果表明:(1)粗糙裂隙面的分形維數(shù)越大,裂隙的粗糙程度越強,且裂隙分形維數(shù)與粗糙程度之間具有相關性,粗糙裂隙面的分形表征可以解決結(jié)構(gòu)粗糙性的描述問題。(2)對同一分維數(shù)的粗糙裂隙而言,盡管不同微區(qū)間上滲流路徑的曲折結(jié)構(gòu)不同,但粗糙裂隙模型中水流的平均流速變化不大,有較小的變化。隨裂隙的分維值增大,滲流通道上裂隙結(jié)構(gòu)的各個微區(qū)間的平均流速呈現(xiàn)逐步減小的趨勢;整個滲流路徑內(nèi)水流的平均流速隨結(jié)構(gòu)模型的裂隙分形維數(shù)d增加呈線性減小的規(guī)律。(3)同分維值粗糙路徑水流的歐拉數(shù)與路徑結(jié)構(gòu)的粗糙性有關,分維值越大,歐拉數(shù)也越大。這表明在粗糙路徑中,流體的壓力降與動壓頭的比值越來越大,即動量的相對損失率也越來越大,這正是由于分維裂隙的粗糙結(jié)構(gòu)引起的,也即阻力的影響。(4)通過穩(wěn)態(tài)下裂隙結(jié)構(gòu)滲流的試驗研究,計算了穩(wěn)態(tài)情況下的流體流動速度和等效滲透系數(shù),通過分析建立了裂隙的分形維數(shù)和裂隙等效滲透系數(shù)之間的關系,即粗糙裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)和流體流動的滲流機制之間的關系。(5)通過對流體阻力的分析,計算出在容器中流體下降產(chǎn)生的勢能,比較勢能的損失和局部阻力,二者之間的相對誤差在5%左右,比較接近。因此,在模型中流體的在局部損失的能量是由于流體提供的勢能造成的,同時分析在不同模型中的動量改變,雖然在某一固定的單裂隙模型中,其動能在整個路徑上沒有變化,但是動量是在處處改變,這正是由于裂隙的粗糙結(jié)構(gòu)造成了流動過程中流體動量的變化。(6)立方定律的計算結(jié)與lbm數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果偏差非常大,這也證實了立方定律不適合表述粗糙分形結(jié)構(gòu)中流體流動的非達西流動行為。(7)對于不同結(jié)構(gòu)面形態(tài)構(gòu)成的二維裂隙面模型,雖然exp.a模型和fracture.a模型二者維數(shù)值相同,但是在同樣流動條件下,計算得到的流速場分布和滲透率差距很大,這也說明了粗糙結(jié)構(gòu)的不同形態(tài)對于流體流動產(chǎn)生很大的影響。(8)fracture.a模型是基于分形維數(shù)為1.5的裂隙曲線構(gòu)成的,但是其裂隙結(jié)構(gòu)的流速場和滲透率與分形維數(shù)為1.5的裂隙曲線差距很大,說明在二維裂隙面模型實驗中,流體的流速分布并不是齊頭并進的,證實了在不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)于流體流動產(chǎn)生很大的影響。(9)LBM計算結(jié)果與物理水滲流實驗結(jié)果比較接近,實驗現(xiàn)象和數(shù)值模擬現(xiàn)象比較吻合,對比證實了LBM模擬粗糙結(jié)構(gòu)中流體不穩(wěn)定流的有效性。(二)采動應力對煤巖三維裂隙結(jié)構(gòu)演化及滲流性質(zhì)的影響開展了煤與瓦斯開采過程中不同應力條件下的瓦斯?jié)B流實驗以及LBM數(shù)值模擬,計算和分析了其內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)演化、裂隙三維結(jié)構(gòu)表征以及滲透率變化規(guī)律,研究表明:(1)不同開采階段下的煤巖試樣中軸向變形大致可分為初始天然裂隙壓密階段,線彈性變形階段、塑性階段、屈服階段、殘余應力階段。(2)三種開采方式下,靜水壓力階段和第一卸載階段(未達到峰值狀態(tài)時刻前)其軸向應變變化率大于環(huán)向應變變化率,因此這個狀態(tài)下的體積應變?yōu)檎?表現(xiàn)為正向增大。當?shù)竭_破壞點后環(huán)向應變增大速率遠遠大于軸向應變增大速率,因此這個狀態(tài)下的體積應變變?yōu)樨撝?體積應變表現(xiàn)為負向增大。(3)對裂隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特征采用分形維數(shù)來定量表述,研究發(fā)現(xiàn),分形維數(shù)能很好的表征裂隙煤巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,三維裂隙網(wǎng)絡模型的分形維數(shù)與裂隙結(jié)構(gòu)具有很好的一致性。(4)通過煤巖試樣的CT掃描,獲得了煤巖樣內(nèi)部的裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài),對比發(fā)現(xiàn)加載后的裂隙煤巖的分形維數(shù)大于加載之前,滲透率也明顯大于加載前時刻,裂隙煤巖體的滲透率隨著分形維數(shù)的增加而增加,說明了滲透率與分形維數(shù)之間存在一定的線性關系。(5)采用傳統(tǒng)達西定律的方法計算了煤巖試樣的滲透率,同時通過LBM方法模擬計算了不同應力條件下裂隙煤巖體內(nèi)部流速場分布以及滲透率大小。通過與實驗結(jié)果進行對比,與物理實驗有很好的一致性,驗證了LBM計算的準確性。本文實驗和數(shù)值模擬闡述了粗糙裂隙結(jié)構(gòu)中流體的滲流特征以及采動應力作用下煤巖內(nèi)部三維裂隙網(wǎng)絡的演化規(guī)律,揭示了煤巖裂隙粗糙結(jié)構(gòu)以及采動應力對裂隙滲流性質(zhì)的影響機制,給出了考慮粗糙結(jié)構(gòu)影響的流體分形滲透率的表達式的以及三維裂隙網(wǎng)絡的分形描述方法,建立了考慮非穩(wěn)態(tài)特性的一維單一粗糙裂隙、二維粗糙面和三維網(wǎng)絡滲流性質(zhì)的LBM計算模型和計算方法。為解決采動應力影響下深部巖體裂隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)表征以及瓦斯?jié)B流規(guī)律的定量表征提供了新的思路和方法。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD313

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本文編號：1173027