考虑接触状态演化的花岗岩剪切和张拉裂缝非线性渗流特性的对比研究

论文摘要

剪切破坏和张拉破坏作为两种典型的岩石破坏形式,在油气、采矿和岩土工程中普遍存在。由于两种模式下裂缝形成机理并不相同,剪切裂缝以及张拉裂缝的力学性质与渗流特性存在显著的差异。因此,本文开展了考虑接触状态演化的花岗岩剪切和张拉裂缝非线性渗流特性的对比研究。首先,通过有效围压1~40MPa条件下花岗岩剪切裂缝与张拉裂缝的氮气导流试验,对比分析了裂缝中体积流量与压力梯度的非线性关系,用Forchheimer方程对导流试验数据拟合获得了较好效果,分析了线性系数和非线性系数随有效围压的变化规律,进一步计算了雷诺数和摩擦因子来对比分析了剪切裂缝和张拉裂缝中的流态;其次,建立了裂缝稳态渗流数值计算模型,并将裂隙面扫描数据导入该模型,结合实验数据计算了加载过程中裂缝接触状态的演变过程,获得了接触面积、空隙体积和分形缺项随有效围压的变化规律,从而对比分析了不同造缝机理条件下裂缝的形貌差异,研究了裂缝接触状态的演变过程及其对渗流的影响;最后将分形缺项导入摩擦因子模型,建立了包含分形缺项的体积流量与压力梯度的非线性方程,并结合实验数据分别模拟了张拉和剪切裂缝对地热开采产量的影响。最终得到以下结论:1)通过不同应力和压力梯度下的导流实验研究,获得了花岗岩张拉和剪切裂缝的渗流规律,临界雷诺数和非线性流动摩阻特性。实验结果显示,剪切裂缝和张拉裂缝中的流体流动均呈现出明显的非线性,且剪切裂缝导流能力明显强于张拉裂缝。2)结合实验结果和数值仿真模拟研究,获得了加载过程中花岗岩裂缝接触面积、空隙体积和分形缺项等形貌参数的演化规律,揭示了不同造缝机理对裂缝渗流特性的影响机理。结果显示,法向位移和接触面积随有效围压的增大而增大,空隙体积随有效围压的增大而减小,分形缺项随有效围压的增大而减小。3)建立了考虑应力加载和分形缺项演化的花岗岩裂缝非线性渗流模型,并应用于工程尺度数值模拟研究,对比分析了不同造缝机理对干热岩地热排采流量的影响。模拟结果显示,剪切裂缝的产量明显高于张拉裂缝。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
•   1.1 研究目的及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 裂缝形貌研究进展
•     1.2.2 裂缝渗流研究进展
•   1.3 研究内容及技术路线
• 2 花岗岩裂缝导流试验结果与分析
•   2.1 试件制备
•   2.2 扫描方法
•   2.3 扫描结果与分析
•   2.4 导流试验
•     2.4.1 试验设备
•     2.4.2 试验步骤
•   2.5 试验结果与分析
•     2.5.1 导流实验结果与分析
•     2.5.2 基于非达西因子的临界雷诺数
•     2.5.3 流动摩阻特性
• 3 接触状态演化规律及分析
•   3.1 裂缝稳态渗流数值计算模型
•   3.2 裂缝有效围压-位移曲线
•   3.3 接触面积和空隙体积
•   3.4 缺项
• 4 考虑接触状态的渗流模型及应用
•   4.1 考虑接触状态的渗流模型
•     4.1.1 包含缺项的非线性模型
•     4.1.2 岩石裂缝导流能力计算模型
•   4.2 不同造缝机理对深部地热开采流量的影响
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录
•   A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
•   B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目情况
•   C. 学位论文数据集
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宋旭

导师: 周雷

关键词: 剪切裂缝,张拉裂缝,非线性流,缺项,接触状态

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 重庆大学

分类号: P314

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.001164

总页数: 74

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