《巖石流體力學(xué)》PPT課件.ppt

第8章巖石流體力學(xué) 8 1概論8 2巖石流體力學(xué)特性8 3巖石流體力學(xué)基礎(chǔ)8 4巖體 液體耦合力學(xué)模型及解法8 5巖體 氣體耦合力學(xué)模型及解法 8 1概述 巖石流體力學(xué) 固流耦合 RockFluidmechanics LouisC 1974提出巖石水力學(xué) RockHydraulics 主要研究固流耦合作用下巖體變形 破壞與流體滲流的規(guī)律及其工程效應(yīng) 第8章巖石流體力學(xué) 8 1概述 研究領(lǐng)域 油氣開采 煤層氣開采 水文地質(zhì) 地下水動力學(xué) 環(huán)境科學(xué) 水利水電工程 水庫誘發(fā)地震 海水入侵 地下水引起的地面變形 礦井突水與瓦斯突出 水上水下采煤 常規(guī)地?zé)衢_發(fā) HDR開發(fā) 水壓致裂等極為廣泛的工程領(lǐng)域 特點 通過考慮巖體與流體的相互作用 含物理與化學(xué)作用 給出工程實際性態(tài)的描述 而單純的滲流力學(xué)或固體力學(xué)則是通過估計另一方的影響而給出描述 顯然后兩者存在較大誤差 甚至?xí)疱e誤 第8章巖石流體力學(xué) 8 1概述 社會實踐推動了相關(guān)科學(xué)研究的發(fā)展1 石油 天然氣 煤層氣開采2 環(huán)境工程 核廢料 高污染化學(xué)廢料3 地震科學(xué) 4 水利 水電工程5 煤礦開采 瓦斯問題 水突出問題6 地?zé)衢_采 常規(guī)地?zé)?高溫巖體地?zé)?HDR 第8章巖石流體力學(xué) 8 1概述 研究方法角度劃分 1 研究描述各類問題的耦合數(shù)學(xué)模型及其解法 巖體與水 巖體與粘性流體 巖體與氣體 固氣液 固流熱的耦合數(shù)學(xué)模型 2 研制新型實驗設(shè)備 以揭示流體與巖體相互作用的內(nèi)在規(guī)律 有效應(yīng)力 化學(xué)流體作用下巖體特性 巖體滲流特性等 3 研究巖石流體力學(xué)的新工藝或指導(dǎo)工程設(shè)計 第8章巖石流體力學(xué) 8 2巖石流體力學(xué)特性8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 1 流體的基本性質(zhì)A 密度 定義為流體單位體積的質(zhì)量 隨壓力 p 熱力學(xué)溫度 T 變化 狀態(tài)方程 p T 或f p T 0單位 物理單位制 ML 3工程單位制 FT2L 4真實氣體 p Z p T RT理想氣體 p RT 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 1 流體的基本性質(zhì) 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 1 流體的基本性質(zhì)重率 定義為流體單位體積的重量 g單位 物理單位制 M L T 的量綱ML 2T 2工程單位制 F L T 的量綱FL 3比重或相對密度 液體比重為4 C時液體密度與純水密度之比 氣體規(guī)定溫度下氣體密度與氫氣或空氣密度之比 單位 cm g s制中 密度單位 g cm3重率dyn cm3 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 1 流體的基本性質(zhì)B 黏度 牛頓流體 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 非牛頓流體 不服從方程 1 的流體都是非牛頓流體 所有氣體及其簡單液體都是非牛頓流體 A Bingham塑性流體B 假塑性流體C 脹流性流體D 觸變性流體E 流變性流體 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 1 流體的基本性質(zhì)黏度的單位 動力黏度 量綱 ML 1T 1 或FL 2T厘米克秒制中 1泊 P 1達因秒 厘米2 克厘米 秒2 秒 厘米 克厘米 1秒 11厘泊 cP 0 01P 20 C水的動力黏度為1cP 國際標準單位 帕斯卡 秒 Pa s 換算關(guān)系1P 0 1Pa s 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 1 流體的基本性質(zhì)黏度的單位 運動黏度 量綱 L2T 1 或FL 2T厘米克秒制中單位 厘米2 秒 cm2 s1cm2 s稱為1斯托克斯 常用單位為厘斯托克斯 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 1 流體的基本性質(zhì)流體的壓縮系數(shù) 壓縮系數(shù)就是當(dāng)物質(zhì)承受法向壓力或法向張力變化時 其體積 和密度 變化的度量 壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為彈性模量 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 2 孔隙巖體的基本性質(zhì)孔隙率與有效孔隙率 有效孔隙率定義為介質(zhì)中相互連通的孔隙 即有效孔隙 的體積與介質(zhì)總體積比值 ne Uv e Ub Uv e Uv ne Uv 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 2 孔隙巖體的基本性質(zhì)比面 多孔介質(zhì)的比面 M 定義為單位體積多孔介質(zhì) Ub 內(nèi)所有顆粒的總表面積 As M As Ub M L 1基本特征 細粒的表面比粗粒的大的多 砂巖的比面為1500cm2 cm3 無煙煤最大為287m2 g 比面的測定方法 統(tǒng)計法 吸附法 濕熱法比面特征的模擬 門杰海綿 席爾賓斯基地毯 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 1流體與骨架的性質(zhì) 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 1 線性滲流的物性方程Darcy定律Q KA h1 h2 Lq KJJ h1 h2 LDarcy定律的推廣 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 1 線性滲流的物性方程Darcy定律的適用范圍 雷諾數(shù)表示 Re qd 層流區(qū) 1 10低流速 粘滯力過渡區(qū) 100慣性力起主要作用紊流區(qū) 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 1 線性滲流的物性方程水力傳導(dǎo)系數(shù)與滲透率Darcy定律中的比例系數(shù)K稱為水力傳導(dǎo)系數(shù)或滲透系數(shù) 在各向同性介質(zhì)中 水力傳導(dǎo)系數(shù)定義為單位水力梯度的比流量 它是一個表示多孔介質(zhì)輸運流體能力的標量 量綱L T 特征 與流體及骨架的性質(zhì)有關(guān) 流體性質(zhì)為密度 動力黏度或運動粘度 骨架性質(zhì)為粒徑分布 顆粒 形狀 比表面 彎曲率 孔隙率等 水力傳導(dǎo)系數(shù)K k kg k 量綱L2 叫多孔骨架的滲透率或內(nèi)在滲透率 僅與骨架性質(zhì)有關(guān) 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 1 線性滲流的物性方程水力傳導(dǎo)系數(shù)與滲透率單位在米制單位中 滲透率單位cm2或m2 對于攝氏20度的水 K 1cm s相當(dāng)于 k 1 02 10 5cm2工程中 滲透率單位達西 d 公式 k Q A p x 對于攝氏20度的水 可做如下?lián)Q算1d 9 8697 10 9CM2 9 613 10 4CM S許多情況下用md 1md 10 3d 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 2 非線性滲流規(guī)律 水 Jones 1975 提出碳酸鈣巖石裂隙滲透系數(shù)公式 LouisPeuga 1976 提出應(yīng)力對滲透系數(shù)的影響 趙陽升等 式中 a b c為常數(shù) p為平均孔隙壓 MPa K的單位取cm s 或?qū)τ谒蓳Q算為md 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 2 非線性滲流規(guī)律 第8章巖石流體力學(xué) 2 非線性滲流規(guī)律3D應(yīng)力下 孔隙裂紋氣體滲流規(guī)律 陽泉3 煤層煤樣瓦斯?jié)B透系數(shù)與體積應(yīng)力 孔隙壓的關(guān)系圖 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 8 2 2巖體滲流物性方程 3 裂隙介質(zhì)中的滲流物性方程發(fā)展 50年代蘇聯(lián)學(xué)者研究Pomm 1966 Snow 1986Louis 1974 Witherspoon 1982 基本搞清了裂隙巖體的滲流規(guī)律 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 3 裂隙介質(zhì)中的滲流物性方程1 單一裂縫水力學(xué)模型等寬度裂隙模型 對于壁面光滑的細小裂隙 運動方程為 Louis1974 q KfJf 層流 滲透系數(shù)為Kf gd2 12 對于裂隙面粗糙不平Kf gd2 12 C 為連通系數(shù) 連通面積與總面積的比 C為裂隙面相對粗糙度系數(shù)C 1 8 8 2d 1 5溝槽流模型 Tsang1987 Kf gd3 12 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 3 裂隙介質(zhì)中的滲流物性方程裂隙巖體介質(zhì)的滲透規(guī)律Romm 1966 假定裂隙巖體介質(zhì)為擬連續(xù)介質(zhì)體 水在整體巖體中的流動用Darcy定律的形式q kf d L J裂隙組的等效滲透系數(shù)Ke gd3 12 LLouis認為裂隙組的滲透系數(shù)為K d L Kf Km 層流紊流均適用 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 2巖體滲流物性方程 3 裂隙介質(zhì)中的滲流物性方程三維應(yīng)力下 裂縫的滲透規(guī)律 第8章巖石流體力學(xué) 3D應(yīng)力下 裂縫水滲流規(guī)律 第8章巖石流體力學(xué) 3D應(yīng)力下 裂縫氣體滲流規(guī)律 第8章巖石流體力學(xué) 3D應(yīng)力下 裂縫氣液二相流體滲流規(guī)律 Sgc 40 725 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 3有效應(yīng)力規(guī)律 1 太沙基原理1923年 太沙基在研究土的固結(jié)時提出 Biot 1940 s 發(fā)展為三維有效應(yīng)力規(guī)律 價值 1 飽和土中兩個受力體系的相互關(guān)系 2 土體變形與兩種應(yīng)力的關(guān)系 3 土體強度與兩種應(yīng)力的關(guān)系 1950 s年代 土壓力三軸儀研制成功 Skempton實驗發(fā)現(xiàn) 孔隙壓力不僅受法向應(yīng)力作用 同時受剪應(yīng)力影響 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 3有效應(yīng)力規(guī)律 2 修正的太沙基原理1960年 Skempton證明 太沙基原理對工程應(yīng)用足夠精確 1960年 Skempton發(fā)現(xiàn)太沙基有效應(yīng)力原理對有些土工工程不適用 提出修正形 Robinson 1959 Handin 1963 研究才形成如下形式 0 1稱為有效應(yīng)力系數(shù) 巖石的有效應(yīng)力是巖體不均勻分布的孔隙裂隙在孔隙壓的作用下的宏觀響應(yīng)的平均表示 近年來 趙陽升證明有效應(yīng)力系數(shù)是孔隙壓和體積應(yīng)力的雙線性函數(shù) 第8章巖石流體力學(xué) 有效應(yīng)力系數(shù)規(guī)律 趙陽升 1995年 a1 a2 a3p a4 p 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 3有效應(yīng)力規(guī)律 2 修正的太沙基原理有效應(yīng)力系數(shù)的分區(qū)特征 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 3有效應(yīng)力規(guī)律 2 修正的太沙基原理對于裂縫而言 法向應(yīng)力為 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 4流體作用下的巖體特性 1 問題孔隙裂隙流體的存在對天然巖體有很強的破壞作用 其影響程度取決于巖體礦物組成與流體組成的化學(xué)特性及其組合作用 2 水的影響 Rc a bWc 趙陽升 靳鐘銘 E a Wc b 李成江 E a bp 胡耀青 趙陽升 3 氣體的影響 日本氏平增之 1986 姚宇平 1988 趙陽升賀軍 1991 梁冰 1994 4 熱流體與化學(xué)流體的影響 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 4流體作用下的巖體特性 第8章巖石流體力學(xué) 8 2 4流體作用下的巖體特性 第8章巖石流體力學(xué) 8 3巖石流體力學(xué)基礎(chǔ)8 3 1不變形多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 1 基本連續(xù)性方程近似地在P點按泰勒展開 并忽略高級項得 控制體表面流入超出的數(shù)量質(zhì)量守恒或 第8章巖石流體力學(xué) 8 3 1不變形多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 第8章巖石流體力學(xué) 8 3 1不變形多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 質(zhì)量通量質(zhì)量守恒方程 對于不變形介質(zhì)n 常數(shù)將Darcy定律代入方程 對于不可壓縮流體 Laplace方程 第8章巖石流體力學(xué) 8 3 1不變形多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 可壓縮流體滲流控制方程理想氣體 Z P 1介質(zhì)均質(zhì)各向同性 第8章巖石流體力學(xué) 8 3 2可壓密介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 第8章巖石流體力學(xué) 質(zhì)量守恒方程固體骨架的可壓縮性巖體骨架的變形由固體顆粒體積Us與孔隙體積Up的變形組成 相應(yīng)的壓縮系數(shù)為Ub Us UpUs 1 n UbUp nUb一般故 8 3 2可壓密介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 第8章巖石流體力學(xué) 只有垂向壓密的問題巖體的壓縮系數(shù)為 有效應(yīng)力骨架的變形為 流體的壓縮系數(shù)為當(dāng) const定義Sop為比質(zhì)量儲存系數(shù)對于均質(zhì)各向同性體有 8 3 3承壓含水層和越流含水層的流動 第8章巖石流體力學(xué) 承壓含水層 忽略厚度的影響導(dǎo)水系數(shù) T Kb量綱 L2 T m2 h含水層儲水系數(shù)為 含水層垂線上的平均測壓水頭下降 或上升 一個單位時 從單位水平面積含水層中釋放或儲存的水的體積比儲水系數(shù)S SSb承壓含水層滲流控制方程 8 3 3承壓含水層和越流含水層的流動 第8章巖石流體力學(xué) 8 3 3承壓含水層和越流含水層的流動 第8章巖石流體力學(xué) 越流含水層 8 3 3承壓含水層和越流含水層的流動 第8章巖石流體力學(xué) 越流含水層 主要考慮沿弱透水層的垂向運動 設(shè)垂向比流量為q v 則有對于均質(zhì)各向同性的主含水層有對于弱透水層有當(dāng)弱透水層上面存在一保持固定勢的含水層 式中 8 3 3承壓含水層和越流含水層的流動 第8章巖石流體力學(xué) 越流含水層 引入稱為越流因素的另一個越流參數(shù) 8 3 4流函數(shù)與勢函數(shù) 第8章巖石流體力學(xué) 流線 如果瞬時曲線上每一點的切線方向也是流體在該點的速度方向 則此曲線為流線 q dr 0另一形式q用勢函數(shù)代替 在二維情況下 qydx qxdy 0解為 x y const稱為流函數(shù) 對于均質(zhì)各向同性巖體q grad k Cauchy riemann條件 8 3 4流函數(shù)與勢函數(shù) 第8章巖石流體力學(xué) 對于均質(zhì)各向同性體 等勢線處處垂直于流線非均質(zhì)各向同性體 8 3 5初邊值條件 第8章巖石流體力學(xué) 解的適定性 存在 唯一 穩(wěn)定邊界條件 一類邊界 給定勢邊界Dirichlet條件二類邊界 給定通量qn q ln qn x y z Newmann條件三類邊界 混合邊界Cauchy條件 8 3 5初邊值條件 第8章巖石流體力學(xué) 8 3 6裂隙巖體的滲流模型 第8章巖石流體力學(xué) 研究歷史 1960 s開始 理論相對成熟 裂隙巖體的滲流理論分為兩大類 1 裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流模型 核心思想 裂隙和孔隙看成單獨的兩套系統(tǒng) 先單獨研究 再考慮二者的水力交換 Barenblantt Warren Root Wittke 1969 1970 2 擬連續(xù)介質(zhì)模型 核心思想 認為孔隙滲流很小 可忽略 考慮裂隙分布特征 確定滲透系數(shù) 建立理論模型 代表 Romm 1966 Snow 1969 1972 Louis 8 3 6裂隙巖體的滲流模型 第8章巖石流體力學(xué) 1 裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流模型 Barebblalltt假設(shè) a 重疊的孔隙裂隙連續(xù)體 隨機分布的裂隙系統(tǒng) 存在質(zhì)量交換 b 根據(jù)量綱分析導(dǎo)出的質(zhì)量交換量Qpf CKf P1 P2 c 假設(shè)裂隙巖體對于裂隙和孔隙二類介質(zhì)仍然是均質(zhì)各向同性的 控制方程 8 3 6裂隙巖體的滲流模型 第8章巖石流體力學(xué) 1 裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流模型 8 3 6裂隙巖體的滲流模型 第8章巖石流體力學(xué) 1 裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流模型 Wittke模型 假設(shè) 裂隙巖體的滲流空間由裂隙個體組成的裂隙網(wǎng)絡(luò)所組成 根據(jù)質(zhì)量守恒 可以給出三組方程 a 在裂隙交點處 流入與流出節(jié)點的流量代數(shù)和為0 B 分割各基質(zhì)巖塊的裂隙看成一多邊形的閉合回路 而各各回路的壓差的代數(shù)和為0 C 單一的裂隙形成的彎曲通道 8 3 6裂隙巖體的滲流模型 第8章巖石流體力學(xué) 8 3 6裂隙巖體的滲流模型 第8章巖石流體力學(xué) 2 擬連續(xù)介質(zhì)模型Romm模型 假設(shè) 裂隙均布于巖體中 孔隙很不發(fā)育 按等效的連續(xù)介質(zhì)處