岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用

【摘要】：渗流中的流固耦合理论是最近国内外研究热点问题,在石油、土木、环境、 地质、采矿等领域有广泛应用。本文在总结前人已有成果基础上,发展了流固 耦合数学模型,并进行了数值模拟,用于解决实际工程问题。 首先,回顾和总结了岩体渗流中的一些基本概念,从流固耦合角度分析了其 中参数的变化规律,参数间的相互影响体现其耦合效应,特别是对孔隙度,渗 透率两个重要概念进行较多阐述;通过具体实验,分析了泥岩浸水的一些特点 以及对岩石力学参数的影响;总结了有效应力公式不同表达形式,岩体应力场 与渗流场之间相互作用通过有效应力公式相联系。 其次,基于有效应力原理,根据质量守恒,动量守恒等基本原理及Darcy定 律推导了单重介质中单相渗流、两相渗流的耦合数学模型,双重介质中单相渗 流、两相渗流的耦合数学模型,运用标准Galerkin有限元方法建立了关于变量 u一p的有限元统一求解格式。 最后,从流固耦合角度出发分析了套管损坏问题,并对单井及井组进行了数 值模拟,从计算结果得出了耦合作用下的套损力学机理,认为井筒周围孔隙压 力梯度变化比较大,岩性较差、非均质性明显,则容易形成非对称孔隙压差, 在其影响下极易形成非对称载荷造成套管损坏。根据实验和模拟研究结果给出 了套损预防措施:控制局部注采平衡,防止产生较大孔隙压力梯度,是控制套 损问题的关键。