CO2煤层封存流动—力学理论及场地力学稳定性数值模拟方法

论文摘要

二氧化碳是最主要温室气体,二氧化碳煤层封存（CO2-ECBM）是一项有望同时实现CO2大规模减排和增加煤层气资源产量的一举两得的技术。封存过程中多组分气体的渗流规律和场地的力学稳定性评价是该技术可行性研究的重要内容,然而我国这方面的研究目前还较少。在这样的背景下,本文利用岩土力学、渗流力学、有限元数值分析理论以及室内试验对深部非采煤层二氧化碳封存过程进行了较为系统的研究,内容涉及固气耦合理论、试验、程序开发及其初步应用四个方面,核心内容如下:第一,分析了二氧化碳煤层封存流动和场地稳定性分析中的关键岩土力学问题,给出了CO2-ECBM过程固气耦合分析的完整数学模型,并提出了一个新的考虑吸附膨胀效应的煤岩孔隙率、渗透率的动态演化方程。数值计算表明,这一演化方程能够正确体现煤岩吸附膨胀引起的孔隙率和渗透率降低的现象。（第三章）第二,煤岩的试验研究。进行了煤岩的抗拉以及较低和较高围压下三轴抗压特性的试验研究,指出煤岩的抗拉强度可以忽略。较低围压下三轴试验,煤岩呈现明显的线性弹性变形特性,在深部围压较高条件下,煤岩很快呈现明显的塑性变形,应采用考虑塑性硬化的本构模型加以刻画。（第四章）第三,煤岩塑性硬化特征描述。结合煤岩三轴试验数据,创新性地提出了岩土塑性理论中初始屈服的一个新的定义方法,并给出了应用三轴试验数据计算路径相关硬化参量的新方法。基于此,分析了煤岩塑性硬化过程中的内摩擦角、内聚力的变化趋势,基于试验数据用非线性函数拟合了后继屈服轨迹并比较了拟合效果,并发现q-p应力空间中的屈服轨迹的割线斜率不是定值而是随着塑性硬化而不断增加的。（第四章）第四,提出了一个新的塑性硬化本构模型—基于伪强度参数的塑性硬化模型,该模型能够反映煤岩塑性硬化过程中q-p屈服轨迹斜率的非定值特性。将该模型嵌入作者开发的COALSEEP 1.0程序中,对三轴试验应力-应变曲线进行的数值模拟表明应力应变特性和试验结果吻合较好。（第四章和第五章）第五,煤岩的吸附-弹性本构模型及参数估计。从理论上严格证明了缪协兴提出的湿度应力场理论并将其用作吸附膨胀介质一般的吸附-弹性本构模型。对该模型中线膨胀系数进行了研究,给出了煤岩吸附线膨胀系数的一个理论估计方法,这一方法不仅对估算煤岩线膨胀系数是有用的,而且还在作为煤岩力学参数的线膨胀系数和煤岩吸附特性参数之间架设了桥梁,对于全面而深入地理解煤岩的性质是有意义的。（第五章）第六,塑性屈服破坏函数对应的耗散势及其热动力学限制。通过求解本文构造的耗散微分方程,给出了一族线性屈服破坏函数对应的耗散势函数,这不仅沟通了传统的屈服破坏函数与热动力学中耗散势函数之间定量的解析关系,也给屈服破坏函数的理性验证提供了一个新思路。（第五章）第七,固相介质吸附-弹塑性本构框架和煤岩吸附-弹塑性本构模型。采用唯象的方法,将吸附量作为固相介质独立的热动力学状态变量引入到塑性屈服函数中,推导了吸附-弹塑性增量本构关系并给出了加卸载准则。当屈服函数与吸附量无关时,本构关系自动退化为只考虑吸附膨胀特性的增量弹塑性本构关系,如果还不考虑吸附量对固相介质膨胀效应,本构关系即退化为传统的增量弹塑性本构关系。将前文提出的基于伪强度参数的塑性硬化模型代入这一本构框架,得到了煤岩吸附-弹塑性本构模型。（第五章）第八,耦合分析数学模型的求解算法和软件开发。给出了耦合微分方程组的整体求解方案及各个场方程有限元求解的弱解积分形式。特别是组分摩尔比场采用了特征线有限元算法,其中还用到了本文给出的一个判断点与多面体空间位置关系的一个新算法—向量判别法,该算法具有实现简单、计算量小的优点。基于上述一系列算法,编制了有限元固气耦合分析软件COALSEEP1.0。这些构成了本文的数值模拟方法的研究。（第六章）第九,CO2煤层封存流动及场地扰动的数值模拟研究。对非耦合、水平剖面上五点注采工况下CO2-ECBM过程的流场分布规律以及流固耦合、地层纵剖面上双井抽注工况下CO2-ECBM中渗流和场地变形进行了数值模拟研究。最后分析了煤层完全充满二氧化碳的极端条件下煤层膨胀对注采套管的影响。（第七章）

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第1章绪论

1.1 论文背景

2煤层封存项目研究及实施现状'>1.2 CO₂煤层封存项目研究及实施现状

2煤层封存的安全性及其关键岩土力学问题'>1.3 CO₂煤层封存的安全性及其关键岩土力学问题

2煤层封存流动-力学分析国内外研究现状'>1.4 CO₂煤层封存流动-力学分析国内外研究现状

1.5 研究目标和主要工作

2煤层封存中的固气作用机理'>第2章 CO₂煤层封存中的固气作用机理

2.1 储层煤特性

2.2 煤层气体及其赋存状态

2煤层封存中的固气作用'>2.3 CO₂煤层封存中的固气作用

2.4 注采过程中主要耦合模式

2.5 本章小结

2煤层封存固气耦合分析模型'>第3章 CO₂煤层封存固气耦合分析模型

3.1 概述

3.2 煤岩孔隙介质的抽象几何模型

3.3 可压缩可混溶多组分流体多物理场驱替模型

3.4 固体相介质的控制方程

3.5 定解条件

3.6 考虑吸附效应的孔隙率、渗透率动态演化

3.7 本章小结

第4章煤岩力学性质的试验及其塑性特征描述

4.1 概述

4.2 煤岩的取样与试样制备

4.3 煤岩抗拉特性的试验研究

4.4 煤岩三轴试验研究

4.5 煤岩的塑性特征描述

4.6 本章小结

第5章考虑吸附作用的固体本构框架及本构模型

5.1 吸附－弹性本构方程（湿度应力场理论的证明）

5.2 吸附－弹性本构方程中线膨胀系数的一个估计方法

5.3 基于伪强度参数的岩土类摩擦介质后继屈服函数

5.4 塑性屈服破坏函数的热动力学限制（线性屈服破坏函数对应的耗散势）

5.5 吸附－弹塑性本构框架

5.6 基于伪强度参数后继屈服函数的吸附-弹塑性本构模型

5.7 本章小结

第6章耦合分析数学模型的数值算法及软件开发

6.1 耦合数学模型的整体求解策略与流程

6.2 流体压力场非线性抛物型方程有限元算法

6.3 组分摩尔比场的特征线—有限元算法

6.4 基质组分浓度场的GARLEKIN 有限元弱形式

6.5 固体场的有限元算法

6.6 基于FEPG 的有限元软件开发

6.7 本章小结

2封存数值模拟研究'>第7章非采煤层CO₂封存数值模拟研究

2煤层封存多组分流动规律的数值模拟'>7.1 CO₂煤层封存多组分流动规律的数值模拟

2-ECBM 场地力学稳定性数值模拟'>7.2 非采煤层CO₂-ECBM 场地力学稳定性数值模拟

2吸附膨胀对套管稳定性的影响'>7.3 CO₂吸附膨胀对套管稳定性的影响

7.4 本章小结

第8章结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

附录1 FEPG 中单元刚度矩阵形成的一般原理

1. 数学模型

2. 单元刚度矩阵的形成

在读期间发表的论文及参加的项目

致谢

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