流固耦合问题及研究进展

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《岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》

《岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》

《岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》篇一一、引言在岩土工程中,岩体渗流和流固耦合现象是一个复杂的、具有挑战性的问题。

岩体渗流涉及到地下水的流动、储存和传输,而流固耦合则涉及到岩体在受到外力作用下的变形和内部应力的变化与地下水的相互影响。

这两者之间的相互作用对岩土工程的设计和施工具有重要影响。

本文将探讨岩体渗流的流固耦合问题及其在工程中的应用。

二、岩体渗流的流固耦合问题(一)基本概念岩体渗流的流固耦合是指岩体中液体流动与岩体变形的相互影响和相互作用的复杂过程。

在这种过程中,液体的流动和岩体的变形相互影响,产生一种动态的、复杂的相互作用关系。

这种关系在许多工程实践中具有重要的应用价值。

(二)主要问题岩体渗流的流固耦合问题主要表现在以下几个方面:首先,岩石和流体之间的相互作用使得两者都发生变化,使得流体的流动和岩石的变形都变得复杂;其次,由于岩体的非均质性和各向异性,使得流固耦合问题更加复杂;最后,在实际工程中,岩体常常处于复杂的应力环境中,使得渗流与变形的相互影响更为明显。

三、岩体渗流的流固耦合问题的工程应用(一)地下工程建设在地下工程建设中,如地铁、隧道、地下商场等,岩体渗流的流固耦合问题是一个重要的考虑因素。

在这些工程中,由于岩体的变形和内部应力的变化会直接影响到地下结构的稳定性和安全性,因此必须考虑流固耦合效应的影响。

同时,了解并预测地下水的流动状态也是工程设计中的重要内容。

(二)水坝建设在水坝建设中,坝体的稳定性是一个关键的问题。

岩体渗流的流固耦合效应会影响坝体的稳定性和安全。

比如,如果地下水的水位升高或者渗流量增加,可能会引起坝体的变形甚至破坏。

因此,在设计和施工中必须考虑流固耦合效应的影响。

(三)地质灾害防治在地质灾害防治中,如滑坡、泥石流等灾害的防治也需要考虑岩体渗流的流固耦合效应。

这些灾害的发生往往与地下水的流动和岩体的变形密切相关。

通过研究和分析岩体渗流的流固耦合效应,可以更好地预测和防治这些地质灾害。

流固耦合的研究与发展综述

流固耦合的研究与发展综述

流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指流体与固体之间相互作用的现象。

在许多工程领域,流固耦合现象都是非常重要的,例如在航空航天、汽车工程、能源系统和生物医学领域等。

本文将对流固耦合的研究与发展进行综述,包括其基本原理、数值模拟方法和应用领域等方面的内容。

一、流固耦合的基本原理流固耦合的基本原理是通过数学模型描述流体与固体之间的相互作用。

流体力学和固体力学是研究流体和固体运动的基本学科,它们提供了描述流固耦合现象的基本理论基础。

在流体力学中,流体的运动可以通过Navier-Stokes方程组来描述,而在固体力学中,固体的运动可以通过弹性力学或塑性力学方程来描述。

通过将这两个方程组耦合起来,可以得到描述流固耦合现象的数学模型。

二、流固耦合的数值模拟方法为了研究流固耦合现象,数值模拟方法是一种常用的手段。

常见的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。

在流固耦合问题中,有限元法是最常用的数值模拟方法之一。

有限元法将流体和固体分别离散化为有限个单元,并通过求解代数方程组来得到流体和固体的运动状态。

此外,还可以使用流体-结构相互作用软件来模拟流固耦合问题,例如ANSYS、FLUENT等。

三、流固耦合的应用领域流固耦合现象在许多工程领域都具有重要的应用价值。

在航空航天工程中,流固耦合现象的研究可以帮助改善飞机的气动性能,提高飞行稳定性和安全性。

在汽车工程中,流固耦合现象的研究可以用于改善汽车的空气动力学性能,降低燃油消耗和减少排放。

在能源系统中,流固耦合现象的研究可以用于优化风力发电机的设计,提高能量转换效率。

在生物医学领域,流固耦合现象的研究可以用于模拟血液在心脏和血管中的流动,帮助诊断和治疗心血管疾病。

综上所述,流固耦合的研究与发展是一个非常重要的课题。

通过对流固耦合现象的研究,可以深入理解流体与固体之间的相互作用机制,为工程实践提供理论指导和技术支持。

未来,随着数值模拟方法的不断发展和计算能力的提高,流固耦合的研究将在更多领域得到应用和拓展。

流固耦合的研究与发展综述

流固耦合的研究与发展综述

流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指液体或气体与固体之间相互作用并相互影响的物理过程。

在过去几十年里,流固耦合的研究与发展取得了令人瞩目的进展。

本综述将对流固耦合的研究背景、发展状况和前景进行综述。

首先,流固耦合的研究背景。

流固耦合的研究源于对大气和海洋中的风暴、涡旋和浪潮等自然规律的理解。

这些自然现象中,液体和气体介质与地球表面的固体结构相互作用,并产生复杂而有趣的现象。

例如,在风暴过程中,气体通过辐合进而产生强风和风暴潮,对海岸线造成严重的破坏。

了解这些流固耦合的现象对于防灾减灾和环境保护具有重要意义。

此外,流固耦合的研究还可以应用于工程领域,如航空航天、水利水电和海洋工程等。

其次,流固耦合的研究发展。

随着计算机技术和数值模拟方法的发展,研究人员能够模拟和预测流固耦合过程中的各种物理现象。

数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。

这些方法能够解决流固耦合问题中的非线性、多物理场和多尺度等复杂问题。

此外,研究人员还开展了实验和理论研究,以更加全面和深入地理解流固耦合过程。

当前流固耦合的研究重点包括气液两相流动、流体力学与固体力学的相互作用、液固界面的动态行为等。

最后,流固耦合的研究前景。

随着数据采集和处理技术的不断进步,流固耦合的研究正朝着多尺度、多物理场和多学科的方向发展。

在气液两相流动中,研究人员将继续探索液滴、气泡和颗粒的动力学行为,以及它们与固体表面之间的相互作用。

在流体力学和固体力学的相互作用中,研究人员将关注固体结构如何影响流体流动和固体应力分布。

在液固界面的动态行为中,研究人员将继续研究液滴的形变和破裂机制,并探索其在材料科学和生物医学领域的应用。

总之,流固耦合的研究与发展具有广阔的应用前景。

通过深入理解流固耦合过程的物理机制,可以提供有关气候变化、自然灾害和工程设计等方面的关键信息。

这些研究也有助于推动相关学科的发展,如流体力学、固体力学和材料科学等。

随着技术的不断进步和理论的不断完善,相信流固耦合的研究将加速,为我们理解和利用自然界的复杂现象提供更多的支持和指导。

《流固耦合渗流规律研究》

《流固耦合渗流规律研究》

《流固耦合渗流规律研究》篇一一、引言流固耦合问题作为现代科学研究中具有广泛性的领域,是多种复杂自然现象以及工程现象的基本反映。

特别地,流固耦合渗流规律的研究,对于理解流体在多孔介质中的运动、传输和变形过程具有重要意义。

本文旨在探讨流固耦合渗流规律的研究现状、方法及进展,为相关领域的研究提供参考。

二、流固耦合渗流的基本概念流固耦合渗流是指流体在多孔介质中流动时,由于流体与固体骨架的相互作用,导致固体骨架发生变形,进而影响流体流动的过程。

在这个过程中,流体与固体骨架相互依赖、相互影响,共同决定着渗流的运动规律。

三、研究现状目前,流固耦合渗流规律的研究主要集中于岩土工程、石油工程、环境工程等领域。

这些领域中的研究主要集中在多孔介质的力学性质、流体的流动特性以及流固耦合的相互作用机制等方面。

随着计算机技术的发展,数值模拟方法在流固耦合渗流规律的研究中得到了广泛应用。

四、研究方法(一)理论分析理论分析是研究流固耦合渗流规律的基础。

通过建立数学模型,描述流体在多孔介质中的流动过程以及固体骨架的变形过程,进而分析两者之间的相互作用机制。

(二)实验研究实验研究是验证理论分析的重要手段。

通过设计实验装置,模拟实际工程中的流固耦合渗流过程,观察并记录实验现象,为理论分析提供依据。

(三)数值模拟数值模拟是研究流固耦合渗流规律的重要手段。

通过建立数值模型,利用计算机技术对流体在多孔介质中的流动过程进行模拟,从而揭示流固耦合的渗流规律。

五、研究进展近年来,流固耦合渗流规律的研究取得了重要进展。

一方面,理论分析方面取得了突破性进展,建立了更加完善的数学模型,为深入研究提供了理论基础。

另一方面,实验研究和数值模拟方面的技术手段不断更新,提高了研究的准确性和可靠性。

此外,多学科交叉融合的研究方法也为流固耦合渗流规律的研究提供了新的思路和方法。

六、结论与展望通过对流固耦合渗流规律的研究,我们深入理解了流体在多孔介质中的运动、传输和变形过程。

机械工程中的流固耦合问题分析与优化研究

机械工程中的流固耦合问题分析与优化研究

机械工程中的流固耦合问题分析与优化研究引言机械工程是现代工业中的重要学科,涉及到各种机械装置的设计和制造。

在机械装置中,流固耦合问题是一个关键的研究领域。

流固耦合问题指的是流体与固体之间的相互作用,即流体对固体的力和固体对流体的边界情况。

这种相互作用对于机械装置的设计和性能优化都有重要影响。

流固耦合的原理流体与固体之间的相互作用是通过牛顿第三定律而产生的。

流体对固体施加力,固体同时对流体施加力,这种相互作用会导致机械装置的振动、变形和损坏等问题。

因此,对流固耦合问题的研究和优化是机械工程领域的一个重要课题。

流固耦合问题的分析为了更好地理解流固耦合问题,我们需要进行详细的分析和研究。

首先,我们可以通过实验和数值模拟来观察和分析流固耦合现象。

在实验中,我们可以使用流体力学实验设备,例如风洞或水槽,观察流体对固体的影响。

同时,数值模拟方法如CFD(Computational Fluid Dynamics)也可以提供对流固耦合问题的详细分析。

通过在计算机上建立数学模型,并使用计算流体力学软件进行模拟,我们可以观察和分析不同条件下流体与固体之间的相互作用。

在分析流固耦合问题时,我们还需要考虑其他因素,如材料的性质和结构的特点。

不同的材料对流体的响应和承受能力不同,因此在优化设计中需要选择合适的材料。

此外,结构的特点也会影响流固耦合问题。

例如,在飞机设计中,机翼的形状和结构会对气流的流动产生影响,同时也会受到气流的作用力。

流固耦合问题的优化研究对于流固耦合问题的优化研究,我们可以考虑采用多种方法,并结合实验和数值模拟的结果。

首先,我们可以通过改变机械装置的结构和材料,来减小流固耦合问题的发生。

例如,在风力发电机设计中,可以通过改变叶片的形状和材料来减小风对叶片的影响。

其次,我们可以利用优化算法,如遗传算法或粒子群算法,来寻找最佳设计方案。

通过优化算法,我们可以找到最佳材料和结构参数,以最小化流固耦合问题的发生。

流固耦合概述及应用研究进展

流固耦合概述及应用研究进展

流固耦合概述及应用研究进展摘要流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。

顾名思义,它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid.solid interaction):变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动,而变形或运动又反过来影响流场,从而改变流体载荷的分布和大小。

总体上 ,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上 ,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。

1 流固耦合概述1.1引言历史上,人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。

Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。

直到1939年二战前夕,由于飞机工业的迅猛发展,大量出现的飞机气动弹性问题的需要,有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。

从而,气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。

如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话,则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。

事实上,从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出,流固耦合问题涉及到很多方面。

比如:空中爆炸及响应,噪声相互作用问题,气动弹性,水弹性问题,充液结构内的爆炸分析,管道中的水锤效应,充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形,沉浸结构的瞬态运动,流固相互冲击,板的颤振及流体引起的振动,圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统,声音与结构的相互作用,涡流与结构的相互作用,机械工程中的机械气动弹性问题等等。

1.2流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。

顾名思义,它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。

《2024年岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》范文

《2024年岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》范文

《岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》篇一一、引言岩体渗流是地质工程中常见且重要的研究领域,特别是在地下水运动、水力压裂、采矿工程和地质灾害预防等领域中具有广泛应用。

随着科技进步和研究的深入,岩体渗流中的流固耦合问题逐渐成为研究的热点。

本文旨在探讨岩体渗流的流固耦合问题及其在工程中的应用。

二、岩体渗流的流固耦合问题岩体渗流的流固耦合问题主要涉及到岩体中流体与固体骨架的相互作用。

在岩体中,流体(如地下水)的流动会受到固体骨架的约束和影响,同时,固体骨架的变形也会影响流体的流动。

这种相互作用关系复杂,涉及到多物理场耦合、多尺度效应等问题。

(一)流固耦合的基本原理流固耦合的基本原理主要涉及到流体动力学和弹性力学。

在岩体渗流中,流体在岩体孔隙或裂隙中流动时,会受到固体骨架的约束,同时,固体骨架的变形也会改变流体的流动状态。

这种相互作用关系需要通过数学模型进行描述和求解。

(二)流固耦合的数学模型目前,针对岩体渗流的流固耦合问题,常用的数学模型主要包括渗流方程和弹性力学方程。

渗流方程描述了流体在岩体中的流动规律,而弹性力学方程则描述了固体骨架的变形规律。

通过将这两个方程进行耦合,可以描述岩体渗流的流固耦合问题。

三、岩体渗流的流固耦合问题的工程应用岩体渗流的流固耦合问题在工程中具有广泛的应用,主要涉及以下几个方面:(一)地下水运动模拟与预测通过建立岩体渗流的流固耦合模型,可以模拟和预测地下水的运动规律。

这对于地下水资源开发、地下水污染防治、地下水利用等具有重要意义。

(二)水力压裂技术水力压裂技术是一种在采矿工程和油气开采中广泛应用的技术。

通过注入高压流体,使岩石产生裂缝,从而实现对矿石或油气的开采。

在这个过程中,岩体渗流的流固耦合问题具有重要作用。

通过对流固耦合问题的研究,可以优化水力压裂的过程,提高开采效率。

(三)地质灾害预防与治理地质灾害如山体滑坡、地面塌陷等往往与岩体渗流的流固耦合问题密切相关。

通过对岩体渗流的流固耦合问题进行深入研究,可以预测和评估地质灾害的风险,为地质灾害的预防与治理提供科学依据。

《2024年岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》范文

《2024年岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》范文

《岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用》篇一一、引言岩体渗流是地质工程中常见且重要的物理过程,它涉及到地下水的运动、岩体的变形和稳定性等问题。

流固耦合是岩体渗流研究中的关键问题,涉及到流体与固体之间的相互作用。

本文旨在探讨岩体渗流的流固耦合问题及其在工程中的应用。

二、岩体渗流的流固耦合问题岩体渗流的流固耦合问题是指在岩体中,流体与固体骨架之间的相互作用和相互影响。

这种相互作用包括流体对岩体的渗透作用、岩体变形对流体的影响以及流体与固体骨架之间的应力传递等。

在岩体渗流中,流固耦合问题主要表现为以下几个方面:1. 渗透性变化:岩体的渗透性随其变形和应力状态的变化而变化,这种变化会影响流体的运动和分布。

2. 应力传递:流体在岩体中的运动会对岩体产生附加的应力,这种应力传递到岩体的其他部分,进一步影响岩体的变形和稳定性。

3. 边界效应:岩体与流体之间的相互作用在边界处表现得尤为明显,如渗流边界的应力集中、边界效应对岩体稳定性的影响等。

三、工程应用岩体渗流的流固耦合问题在工程中具有广泛的应用,主要包括以下几个方面:1. 地下工程建设:在地下工程建设中,如地铁隧道、地下商场等,需要对岩体的渗流特性和流固耦合效应进行详细分析,以确保工程的稳定性和安全性。

2. 水资源开发:在地下水资源开发和利用过程中,如水坝建设、水库蓄水等,需要考虑岩体的渗流特性和流固耦合效应对水库和坝体的影响,以保障工程的正常运行和安全。

3. 地质灾害防治:在地质灾害防治中,如山体滑坡、泥石流等,需要分析岩体的渗流特性和流固耦合效应对地质灾害的影响机制,为灾害防治提供理论依据和技术支持。

4. 岩石力学研究:在岩石力学研究中,岩体渗流的流固耦合问题是一个重要的研究方向。

通过对岩体渗流的流固耦合问题进行深入研究,可以更好地了解岩体的力学特性和变形行为,为岩石力学的发展提供理论依据。

四、结论岩体渗流的流固耦合问题是地质工程中一个重要且复杂的问题。

本文通过对其问题进行详细的分析和探讨,总结了其研究的重要性和必要性。

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第5卷 第1期1999年3月地质力学学报JOU RNAL O F GEOM ECHAN I CS V o l .5 N o.1M ar.1999 文章编号:100626616(1999)0120017226收稿日期:1998205212基金项目:油气藏地质与开发工程国家重点实验室开放研究基金项目(PLN 9702)作者简介:董平川(19672),男,1998年在东北大学获博士学位,讲师。

现为石油大学油气开发工程在站博士后,从事储集层流固耦合理论、有限元数值模拟及其应用研究。

流固耦合问题及研究进展董平川1,徐小荷2,何顺利11石油大学,北京 昌平 102200;2东北大学,辽宁 沈阳 1100061摘 要:传统的渗流理论一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙流体压力变化过程中,固体骨架不产生任何弹性或塑性变形,这时可将渗流作为非耦合问题来研究。

这种简化虽然可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切合生产实际。

比如:在油田开采过程中,孔隙流体压力会逐渐降低,将导致储层内有效应力的变化,使储层产生变形。

近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。

该文介绍了有关工程涉及到的流固耦合问题,重点针对油、气开采问题,介绍了储层流固耦合渗流的特点及研究方法和理论进展,包括单相、多相流体渗流的流固耦合数学模型及有限元数值模型。

关键词:流2固耦合;理论模型;研究进展;工程应用分类号:T E 312 文献标识码:A0 引 言天然岩石不只固相介质一种,尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合。

岩石孔隙中的流体流动问题,经典渗流力学已进行了广泛研究,但它没有考虑流体流动和岩石变形之间的相互作用,而在油气开采、地下水抽放等过程中,由于孔隙流体压力的变化,一方面要引起岩石骨架应力变化,由此导致岩石特性变化;另一方面,这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。

因此,在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响,即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。

近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。

本文介绍了工程实际中所涉及到的流固耦合问题,诸如地下水抽放和油气开采所引起的地表沉降的流固耦合,水库诱发地震的流固耦合,岩坡和坝基(含深基坑开挖)的稳定性,煤层瓦斯的耦合渗流和突出,地热开发利用中的流固耦合,核废料地下储存以及石油、天然气开发过程中的流固耦合问题。

针对油、气开采问题,重点介绍了储层流固耦合流渗的研究方法和理论进展。

1 工程中的流固耦合问题自D arcy1856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。

但是,随着现代工程技术的发展,出现了许多工程问题,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流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类问题。

在煤层开采过程中,煤体骨架所受应力将发生变化,导致固体骨架的体积和孔隙的变化,从而使煤层孔隙内瓦斯流动的改变或瓦斯压力发生变化。

瓦斯压力的变化不仅直接改变煤岩体的应力状态,而且引起煤体吸附瓦斯发生变化,使煤体的力学性质、应力状态及变形都发生改变。

因此,必须研究煤体-瓦斯的耦合作用。

由于我国煤藏量极为丰富,而我国能源结构中煤占绝对优势的状况在可预见的未来很难改变。

因此,研究煤层内瓦斯渗流和煤体变形之间的耦合对煤炭开采有重要意义[1,2]。

同样,在土石坝、尾矿坝和水电站大坝中水的渗流问题以及雨水作用下边坡和深基坑开挖过程中的滑坡问题,均涉及流固耦合渗流问题。

例如,三峡高边坡迫切需要研究未来水位上升的渗流诱发滑坡问题;另外,由于城市高层建筑的发展,解决地下水渗流对深基坑开挖的稳定问题显得尤为重要[3,4]。

对水电坝体采用流固耦合和非耦合的数值分析表明,两种不同方法得到的坝体应力、水力势以及流体渗流速度都有明显差别[5]。

因此,这时坝体的应力状态不仅与坝体自重有关,同时也与孔隙流体压力有关。

岩石热效应是岩体赋存的物理环境诸因素中的另一个重要方面。

它涉及到地热资源(热岩)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,因开采而卸载减压过程中,地热区域内的地应力和温度变化以及岩石的渗透率与孔隙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。

在核废料深埋处理问题方面,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泄。

因此必须研究由于热作用引起岩体温度应力及其内部流体流动变化所导致的岩体变形和渗透性的变化。

石油开采过程中的流固耦合问题的研究和计算还比较少见[6]。

然而,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,固相应力重新分布,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、渗透率和孔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,直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。

在注水或聚合物的驱替开采过程中,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、气采收率所面临和必须解决的问题。

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到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渗流与岩石变形之间的耦合作用。

此外,还有许多别的工程问题,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[7],采用水力压裂测量地应力[8],软土地基固结[9],矿井突水[10]等等,都与流固耦合作用有关。

以上分析可见,流-固(含热)耦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[10~12]。

尤其在石油工程中,几乎在钻井和开发各领域涉及到的具体问题都与流固耦合有关,而国内这方面的研究才刚刚开始,还有待进一步加强。

2 流固耦合渗流的特点及其研究方法在细观上,流体和固体虽然分别占有各自的区域,流体通过迂回曲折的孔隙通道流动,它们之间的相互作用必须通过流、固两相之间交界面上的边界效应反映出来,但由于孔隙结构的复杂性,大小、几何形状、延伸方向与排列顺序等在微观上没有一定规律,因此,不可能用任何精确的数学方法来描述对流体流动范围起边界作用的介质孔隙的内表面的复杂几何形状。

况且,由于流固耦合作用的影响,介质要变形,故流体流动的孔隙通道也在不断地变化。

这样确定边界条件本身是很困难的。

即使我们能够在微观水平上描述和解决多孔介质的流动问题(比如导出单个孔隙内一切点上所发生的现象的解),然而,这样的解也没有实际价值。

事实上,连证明这些解是否正确的可行方法都不存在,因为没有可用的仪器在微观水平上测量有关数的值。

因此,必须排除从微观水平上去研究和解决多孔介质中的流固耦合渗流问题。

为了克服这些困难,同经典的渗流力学一样,我们必须转向宏观的水平,即采用宏观连续介质方法。

这样,渗流的流固耦合问题的一个显著特点是固体区域与流体区域互相包含、互相缠绕,难以明显地划分开,因此必须将流体相与固体相视为相互重叠在一起的连续介质,在不同相的连续介质之间可以发生相互作用。

这个特点使得流固耦合问题的控制方程需要针对具体的物理现象来建立,而流固耦合作用也是通过控制方程反映出来的。

即在描述流体运动的控制方程中有体现固体变形影响的项,而在描述固体运动或平衡的控制方程中有体现流体流动影响的项。

为此,我们在引入孔隙率与表征性体积单元(rep resen tative vo lum e elem en t)[13]之后,便可将多孔介质看成由大量有一定大小,包含足够多条孔隙也包含无孔隙固体骨架的质点组成的。

因此质点有孔隙率,可以规定其流体密度、固体密度、强度和弹性模量等材料特性参数;同时质点也能承受应力和流体压力的作用,即质点可以定义状态变量。

当质点相对于渗流区域充分小时,质点上各种材料性质参数和变量可看作空间点的函数,它们随着空间点位置的不同连续变化。

若多孔介质所占据的空间中的每一个小区域都被这样一个质点占据,而每一个质点也仅仅占据空间一个小区域,即在空间区域与质点之间建立了一种一一对应的关系。

这样,实际的多孔介质就被一种假想的连续介质所代替。

在假想的连续介质中我们就可以用连续性的数学方法去研究流固耦合问题。

在此基础上,我们就可以综合利用岩石力学和渗流力学的分析方法,并考虑流固耦合作用来研究流固耦合渗流问题,建立控制方程。

也就是说,对于固相骨架必须满足岩石的平衡方程。

由于孔隙流体压力的影响,固相骨架的变形由有效应力(effective stress)控制,而对于孔隙流体必须满足连续性方程(即质量守恒方程)。

在固相平衡方程和孔隙流体的连续性方程中应包括流固耦合项。

3 储层流固耦合渗流理论的研究进展最早研究流体—固体变形耦合现象的是T erzagh i[14]。

他首先将可变形、饱和的多孔介质中流体的流动作为流动-变形的耦合问题来看待,提出了有效应力(effective stress)的概念,并建立了一维固结模型,它在土力学中得到了广泛应用。

B i o t(1941,1956)[15~16]进一步研究了,并在一些假设,如材料为各向同性、线弹性小变形,孔隙流体是不可压缩的且充满固体骨架的孔隙空间,而流体通过孔隙骨架的流动满足达西定律的基础上,建立了比较完善的三维固结理论。

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