岩石流体力学.pptx

会计学1岩石流体力学岩石流体力学8.1 概述概述n n研究领域研究领域研究领域研究领域:油气开采、煤层气开采、水文地质、油气开采、煤层气开采、水文地质、油气开采、煤层气开采、水文地质、油气开采、煤层气开采、水文地质、地下水动力学、环境科学、水利水电工程、水地下水动力学、环境科学、水利水电工程、水地下水动力学、环境科学、水利水电工程、水地下水动力学、环境科学、水利水电工程、水库诱发地震、海水入侵、地下水引起的地面变库诱发地震、海水入侵、地下水引起的地面变库诱发地震、海水入侵、地下水引起的地面变库诱发地震、海水入侵、地下水引起的地面变形、矿井突水与瓦斯突出、水上水下采煤、常形、矿井突水与瓦斯突出、水上水下采煤、常形、矿井突水与瓦斯突出、水上水下采煤、常形、矿井突水与瓦斯突出、水上水下采煤、常规地热开发、规地热开发、规地热开发、规地热开发、HDRHDR开发、水压致裂等极为广开发、水压致裂等极为广开发、水压致裂等极为广开发、水压致裂等极为广泛的工程领域。泛的工程领域。泛的工程领域。泛的工程领域。n n特点：特点：特点：特点：通过考虑岩体与流体的相互作用（含物通过考虑岩体与流体的相互作用（含物通过考虑岩体与流体的相互作用（含物通过考虑岩体与流体的相互作用（含物理与化学作用）给出工程实际性态的描述。而理与化学作用）给出工程实际性态的描述。而理与化学作用）给出工程实际性态的描述。而理与化学作用）给出工程实际性态的描述。而单纯的渗流力学或固体力学则是通过估计另一单纯的渗流力学或固体力学则是通过估计另一单纯的渗流力学或固体力学则是通过估计另一单纯的渗流力学或固体力学则是通过估计另一方的影响而给出描述，显然后两者存在较大误方的影响而给出描述，显然后两者存在较大误方的影响而给出描述，显然后两者存在较大误方的影响而给出描述，显然后两者存在较大误差，甚至会引起错误。差，甚至会引起错误。差，甚至会引起错误。差，甚至会引起错误。第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第2页/共61页第1页/共61页8.1 概述概述n n社会实践推动了相关科学研究社会实践推动了相关科学研究的发展的发展 n n1 1）石油、天然气、煤层气开）石油、天然气、煤层气开采采n n2 2）环境工程：核废料、高污）环境工程：核废料、高污染化学废料染化学废料n n3 3）地震科学：）地震科学：n n4 4）水利、水电工程）水利、水电工程n n5 5）煤矿开采：瓦斯问题，水）煤矿开采：瓦斯问题，水突出问题突出问题n n6 6）地热开采：常规地热、高）地热开采：常规地热、高温岩体地热（温岩体地热（HDRHDR）第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第3页/共61页第2页/共61页8.1 概述概述n n研究方法角度划分：研究方法角度划分：n n1 1 1 1）研究描述各类问题的耦合数学模型及其解）研究描述各类问题的耦合数学模型及其解）研究描述各类问题的耦合数学模型及其解）研究描述各类问题的耦合数学模型及其解法：岩体与水、岩体与粘性流体、岩体与气体、法：岩体与水、岩体与粘性流体、岩体与气体、法：岩体与水、岩体与粘性流体、岩体与气体、法：岩体与水、岩体与粘性流体、岩体与气体、固气液、固流热的耦合数学模型。固气液、固流热的耦合数学模型。固气液、固流热的耦合数学模型。固气液、固流热的耦合数学模型。n n2 2 2 2）研制新型实验设备，以揭示流体与岩体相）研制新型实验设备，以揭示流体与岩体相）研制新型实验设备，以揭示流体与岩体相）研制新型实验设备，以揭示流体与岩体相互作用的内在规律：有效应力、化学流体作用互作用的内在规律：有效应力、化学流体作用互作用的内在规律：有效应力、化学流体作用互作用的内在规律：有效应力、化学流体作用下岩体特性、岩体渗流特性等。下岩体特性、岩体渗流特性等。下岩体特性、岩体渗流特性等。下岩体特性、岩体渗流特性等。n n3 3 3 3）研究岩石流体力学的新工艺或指导工程设）研究岩石流体力学的新工艺或指导工程设）研究岩石流体力学的新工艺或指导工程设）研究岩石流体力学的新工艺或指导工程设计计计计。第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第4页/共61页第3页/共61页8.2 岩石流体力学特岩石流体力学特性性8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n1)1)1)1)流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质n nA)A)密度密度密度密度:定义为流体单位体积的质量定义为流体单位体积的质量定义为流体单位体积的质量定义为流体单位体积的质量.随压力随压力随压力随压力(p)(p)(p)(p)热力学温度热力学温度热力学温度热力学温度(T)(T)(T)(T)变化变化变化变化.n n状态方程状态方程状态方程状态方程:=(p,T)(p,T)(p,T)(p,T)或或或或 f(f(f(f(,p,T)=0,p,T)=0,p,T)=0,p,T)=0n n单位单位单位单位:物理单位制物理单位制物理单位制物理单位制:MLMLMLML-3-3-3-3n n 工程单位制工程单位制工程单位制工程单位制:FTFTFTFT2 2 2 2L L L L-4-4-4-4n n真实气体真实气体真实气体真实气体:=p/Z(p,T)RT=p/Z(p,T)RT=p/Z(p,T)RT=p/Z(p,T)RTn n理想气体理想气体理想气体理想气体:=p/RT=p/RT=p/RT=p/RT 第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第5页/共61页第4页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n1 1 1 1)流流流流体体体体的的的的基基基基本本本本性性性性质质质质第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第6页/共61页第5页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n1)1)1)1)流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质n n重率重率重率重率 :定义为流体单位体积的重量。定义为流体单位体积的重量。定义为流体单位体积的重量。定义为流体单位体积的重量。=g g g gn n单位单位单位单位:物理单位制物理单位制物理单位制物理单位制(M,L,T),(M,L,T),(M,L,T),(M,L,T),的量纲的量纲的量纲的量纲MLMLMLML-2-2-2-2T T T T-2-2-2-2nn 工程单位制工程单位制工程单位制工程单位制(F,L,T)(F,L,T)(F,L,T)(F,L,T)的量纲的量纲的量纲的量纲FLFLFLFL-3-3-3-3n n比重或相对密度比重或相对密度比重或相对密度比重或相对密度:n n液体比重为液体比重为液体比重为液体比重为4 4 4 4 C C C C时液体密度与纯水密度之比时液体密度与纯水密度之比时液体密度与纯水密度之比时液体密度与纯水密度之比.n n气体规定温度下气体密度与氢气或空气密度之气体规定温度下气体密度与氢气或空气密度之气体规定温度下气体密度与氢气或空气密度之气体规定温度下气体密度与氢气或空气密度之比比比比.n n单位单位单位单位:cm.g.s:cm.g.s:cm.g.s:cm.g.s制中制中制中制中,密度单位密度单位密度单位密度单位:g/cm:g/cm:g/cm:g/cm3 3 3 3 重率重率重率重率dyn/cmdyn/cmdyn/cmdyn/cm3 3 3 3第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第7页/共61页第6页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n1)1)1)1)流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质n nB)B)黏度黏度黏度黏度:牛顿流体牛顿流体牛顿流体牛顿流体:第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第8页/共61页第7页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n非牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体:不服从方程不服从方程不服从方程不服从方程(1)(1)(1)(1)的流体都是非牛顿的流体都是非牛顿的流体都是非牛顿的流体都是非牛顿流体流体流体流体.所有气体及其简单液体都是非牛顿流体所有气体及其简单液体都是非牛顿流体所有气体及其简单液体都是非牛顿流体所有气体及其简单液体都是非牛顿流体.n nA)BinghamA)BinghamA)BinghamA)Bingham塑性流体塑性流体塑性流体塑性流体n nB)B)B)B)假塑性流体假塑性流体假塑性流体假塑性流体n nC)C)C)C)胀流性流体胀流性流体胀流性流体胀流性流体n nD)D)D)D)触变性流体触变性流体触变性流体触变性流体n nE)E)E)E)流变性流体流变性流体流变性流体流变性流体第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第9页/共61页第8页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n1)1)1)1)流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质n n黏度的单位黏度的单位黏度的单位黏度的单位:n n动力黏度动力黏度动力黏度动力黏度 量纲量纲量纲量纲:ML:ML-1-1T T-1-1,或或或或 FLFL-2-2T Tn n厘米克秒制中厘米克秒制中厘米克秒制中厘米克秒制中:n n1 1泊泊泊泊(P)=1(P)=1达因秒达因秒达因秒达因秒/厘米厘米厘米厘米2 2n n =(=(克厘米克厘米克厘米克厘米/秒秒秒秒2 2)*()*(秒秒秒秒/厘米厘米厘米厘米)=)=克厘米克厘米克厘米克厘米-1-1秒秒秒秒-1-1n n1 1厘泊厘泊厘泊厘泊(cP)=0.01P,20(cP)=0.01P,20 C C C C水的动力黏度为水的动力黏度为水的动力黏度为水的动力黏度为1cP.1cP.1cP.1cP.n n国际标准单位国际标准单位国际标准单位国际标准单位:帕斯卡帕斯卡帕斯卡帕斯卡.秒秒秒秒(Pa.s),(Pa.s),(Pa.s),(Pa.s),换算关系换算关系换算关系换算关系n n 1P=0.1Pa.s1P=0.1Pa.s1P=0.1Pa.s1P=0.1Pa.s第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第10页/共61页第9页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n1)1)1)1)流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质n n黏度的单位黏度的单位黏度的单位黏度的单位:n n运动黏度运动黏度运动黏度运动黏度 =/n n量纲量纲量纲量纲:L:L2 2T T-1-1,或或或或 FLFL-2-2T Tn n厘米克秒制中单位厘米克秒制中单位厘米克秒制中单位厘米克秒制中单位:厘米厘米厘米厘米2 2/秒秒秒秒=cm=cm2 2/s/sn n1 cm1 cm2 2/s/s称为称为称为称为1 1斯托克斯斯托克斯斯托克斯斯托克斯,常用单位为厘斯托克常用单位为厘斯托克常用单位为厘斯托克常用单位为厘斯托克斯斯斯斯.第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第11页/共61页第10页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n1)1)1)1)流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质流体的基本性质n n流体的压缩系数流体的压缩系数流体的压缩系数流体的压缩系数:压缩系数就是当物质承受法压缩系数就是当物质承受法压缩系数就是当物质承受法压缩系数就是当物质承受法向压力或法向张力变化时向压力或法向张力变化时向压力或法向张力变化时向压力或法向张力变化时,其体积其体积其体积其体积(和密度和密度和密度和密度)变变变变化的度量化的度量化的度量化的度量.n n压缩系数的倒数称为弹性模量压缩系数的倒数称为弹性模量压缩系数的倒数称为弹性模量压缩系数的倒数称为弹性模量.第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第12页/共61页第11页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n2)2)2)2)孔隙岩体的基本性质孔隙岩体的基本性质孔隙岩体的基本性质孔隙岩体的基本性质n n孔隙率与有效孔隙率孔隙率与有效孔隙率孔隙率与有效孔隙率孔隙率与有效孔隙率:n n有效孔隙率定义为介质中相互连通的孔隙有效孔隙率定义为介质中相互连通的孔隙有效孔隙率定义为介质中相互连通的孔隙有效孔隙率定义为介质中相互连通的孔隙(即即即即有效孔隙有效孔隙有效孔隙有效孔隙)的体积与介质总体积比值的体积与介质总体积比值的体积与介质总体积比值的体积与介质总体积比值.n nn ne e=(U=(Uv v)e e/U/Ub b,(U,(Uv v)e e+(U+(Uv v)nene=U=Uv v第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第13页/共61页第12页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质n n2)2)2)2)孔隙岩体的基本性质孔隙岩体的基本性质孔隙岩体的基本性质孔隙岩体的基本性质n n比面比面比面比面:多孔介质的比面多孔介质的比面多孔介质的比面多孔介质的比面(M)(M)(M)(M)定义为单位体积多定义为单位体积多定义为单位体积多定义为单位体积多孔介质孔介质孔介质孔介质(U(U(U(Ub b b b)内所有颗粒的总表面积内所有颗粒的总表面积内所有颗粒的总表面积内所有颗粒的总表面积(A(A(A(As s s s):):):):n n M=A M=A M=A M=As s s s/U/U/U/Ub b b b,M=L,M=L,M=L,M=L-1-1-1-1n n基本特征基本特征基本特征基本特征:细粒的表面比粗粒的大的多细粒的表面比粗粒的大的多细粒的表面比粗粒的大的多细粒的表面比粗粒的大的多.砂岩的砂岩的砂岩的砂岩的比面为比面为比面为比面为1500cm1500cm1500cm1500cm2 2 2 2/cm/cm/cm/cm3 3 3 3,无烟煤最大为无烟煤最大为无烟煤最大为无烟煤最大为287m287m287m287m2 2 2 2/g./g./g./g.n n比面的测定方法比面的测定方法比面的测定方法比面的测定方法:统计法统计法统计法统计法;吸附法吸附法吸附法吸附法;湿热法湿热法湿热法湿热法n n比面特征的模拟比面特征的模拟比面特征的模拟比面特征的模拟:门杰海绵门杰海绵门杰海绵门杰海绵,席尔宾斯基地毯席尔宾斯基地毯席尔宾斯基地毯席尔宾斯基地毯第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第14页/共61页第13页/共61页8.2.1 8.2.1 流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质流体与骨架的性质第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第15页/共61页第14页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程n n1)1)1)1)线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程n nDarcyDarcyDarcyDarcy定律定律定律定律 n nQ=KA(hQ=KA(hQ=KA(hQ=KA(h1 1 1 1-h-h-h-h2 2 2 2)/L)/L)/L)/Ln nq=KJ J=(hq=KJ J=(hq=KJ J=(hq=KJ J=(h1 1 1 1-h-h-h-h2 2 2 2)/L)/L)/L)/Ln nDarcyDarcyDarcyDarcy定律的推广定律的推广定律的推广定律的推广:第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第16页/共61页第15页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程n n1)1)1)1)线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程n nDarcyDarcy定律的适用范围定律的适用范围定律的适用范围定律的适用范围:雷诺数表示雷诺数表示雷诺数表示雷诺数表示:Re=qd/Re=qd/n n层流区层流区层流区层流区:1-10:1-10n n低流速低流速低流速低流速,粘滞力粘滞力粘滞力粘滞力n n过渡区过渡区过渡区过渡区:100:100n n惯性力起主要惯性力起主要惯性力起主要惯性力起主要n n作用作用作用作用n n紊流区紊流区紊流区紊流区第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第17页/共61页第16页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方岩体渗流物性方岩体渗流物性方岩体渗流物性方程程程程n n1)1)1)1)线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程n n水力传导系数与渗透率水力传导系数与渗透率水力传导系数与渗透率水力传导系数与渗透率n nDarcyDarcyDarcyDarcy定律中的比例系数定律中的比例系数定律中的比例系数定律中的比例系数K K K K称为水力传导系数或称为水力传导系数或称为水力传导系数或称为水力传导系数或渗透系数。渗透系数。渗透系数。渗透系数。在各向同性介质中，水力传导系数在各向同性介质中，水力传导系数在各向同性介质中，水力传导系数在各向同性介质中，水力传导系数定义为单位水力梯度的比流量，它是一个表示定义为单位水力梯度的比流量，它是一个表示定义为单位水力梯度的比流量，它是一个表示定义为单位水力梯度的比流量，它是一个表示多孔介质输运流体能力的标量多孔介质输运流体能力的标量多孔介质输运流体能力的标量多孔介质输运流体能力的标量(量纲量纲量纲量纲L/TL/TL/TL/T)。n n特征：特征：特征：特征：与流体及骨架的性质有关。流体性质为与流体及骨架的性质有关。流体性质为与流体及骨架的性质有关。流体性质为与流体及骨架的性质有关。流体性质为密度，动力黏度或运动粘度；骨架性质为粒径密度，动力黏度或运动粘度；骨架性质为粒径密度，动力黏度或运动粘度；骨架性质为粒径密度，动力黏度或运动粘度；骨架性质为粒径分布，颗粒、形状、比表面、弯曲率、孔隙率分布，颗粒、形状、比表面、弯曲率、孔隙率分布，颗粒、形状、比表面、弯曲率、孔隙率分布，颗粒、形状、比表面、弯曲率、孔隙率等。等。等。等。n n水力传导系数水力传导系数水力传导系数水力传导系数 K=kK=kK=kK=k /=kg/=kg/=kg/=kg/n nk k k k（量纲量纲量纲量纲L L L L2 2 2 2）叫多孔骨架的渗透率或内在渗透率，）叫多孔骨架的渗透率或内在渗透率，）叫多孔骨架的渗透率或内在渗透率，）叫多孔骨架的渗透率或内在渗透率，仅与骨架性质有关仅与骨架性质有关仅与骨架性质有关仅与骨架性质有关第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第18页/共61页第17页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方岩体渗流物性方岩体渗流物性方岩体渗流物性方程程程程n n1)1)1)1)线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程线性渗流的物性方程n n水力传导系数与渗透率单位水力传导系数与渗透率单位水力传导系数与渗透率单位水力传导系数与渗透率单位n n在米制单位中：渗透率单位在米制单位中：渗透率单位在米制单位中：渗透率单位在米制单位中：渗透率单位cmcm2 2或或或或mm2 2，对于摄，对于摄，对于摄，对于摄氏氏氏氏2020度的水，度的水，度的水，度的水，K=1cm/s K=1cm/s 相当于：相当于：相当于：相当于：k=1.02*10k=1.02*10-5 5cmcm2 2n n工程中：渗透率单位达西（工程中：渗透率单位达西（工程中：渗透率单位达西（工程中：渗透率单位达西（d d）n n 公式：公式：公式：公式：k=k=（Q/AQ/A）/(p/x)/(p/x)/(p/x)/(p/x)n n对于摄氏对于摄氏对于摄氏对于摄氏2020度的水度的水度的水度的水,可做如下换算可做如下换算可做如下换算可做如下换算n n1d=9.86971d=9.86971d=9.86971d=9.8697 10101010-9-9-9-9CMCMCMCM2 2 2 2=9.613=9.613=9.613=9.613 10101010-4-4-4-4CM/SCM/SCM/SCM/Sn n许多情况下用许多情况下用许多情况下用许多情况下用md,1md=10md,1md=10md,1md=10md,1md=10-3-3-3-3d d d d第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第19页/共61页第18页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程n n2)2)2)2)非线性渗流规律非线性渗流规律非线性渗流规律非线性渗流规律(水水水水)n nJones(1975)Jones(1975)Jones(1975)Jones(1975)提出碳酸钙岩石裂隙渗透系数公式提出碳酸钙岩石裂隙渗透系数公式提出碳酸钙岩石裂隙渗透系数公式提出碳酸钙岩石裂隙渗透系数公式:n nLouis Peuga(1976)Louis Peuga(1976)Louis Peuga(1976)Louis Peuga(1976)提出应力对渗透系数的影提出应力对渗透系数的影提出应力对渗透系数的影提出应力对渗透系数的影响响响响:n n赵阳升等赵阳升等赵阳升等赵阳升等:n n式中式中式中式中:a,b,c:a,b,c:a,b,c:a,b,c为常数为常数为常数为常数.p.p.p.p为平均孔隙压为平均孔隙压为平均孔隙压为平均孔隙压,MPa,K,MPa,K,MPa,K,MPa,K的单的单的单的单位取位取位取位取cm/s,cm/s,cm/s,cm/s,或对于水可换算为或对于水可换算为或对于水可换算为或对于水可换算为md.md.md.md.第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第20页/共61页第19页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程n n2)2)2)2)非线性渗流规律非线性渗流规律非线性渗流规律非线性渗流规律第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第21页/共61页第20页/共61页2)2)非线性渗流规律非线性渗流规律 3D3D应力下应力下,孔隙裂纹气体孔隙裂纹气体渗流规律渗流规律阳泉阳泉3#煤层煤样瓦斯渗透系数与体积应力、孔隙压的关系图煤层煤样瓦斯渗透系数与体积应力、孔隙压的关系图第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程第22页/共61页第21页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程n n3)3)3)3)裂隙介质中的渗流物性裂隙介质中的渗流物性裂隙介质中的渗流物性裂隙介质中的渗流物性方程方程方程方程n n发展发展发展发展:50:50年代苏联学者研究年代苏联学者研究年代苏联学者研究年代苏联学者研究n nPomm(1966)Pomm(1966)n nSnow(1986Snow(1986n nLouis(1974)Louis(1974)n nWitherspoon1982Witherspoon1982n n基本搞清了裂隙岩体的渗基本搞清了裂隙岩体的渗基本搞清了裂隙岩体的渗基本搞清了裂隙岩体的渗流规律流规律流规律流规律第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第23页/共61页第22页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程n n3)3)3)3)裂隙介质中的渗流物性方程裂隙介质中的渗流物性方程裂隙介质中的渗流物性方程裂隙介质中的渗流物性方程1)1)单一裂缝水力学模型单一裂缝水力学模型单一裂缝水力学模型单一裂缝水力学模型 等宽度裂隙模型等宽度裂隙模型等宽度裂隙模型等宽度裂隙模型:对于壁面光滑的细小裂隙对于壁面光滑的细小裂隙对于壁面光滑的细小裂隙对于壁面光滑的细小裂隙,运运运运动方程为动方程为动方程为动方程为:(Louis1974)q=K:(Louis1974)q=K:(Louis1974)q=K:(Louis1974)q=Kf f f fJ J J Jf f f f (层流层流层流层流)渗透系数为渗透系数为渗透系数为渗透系数为 K K K Kf f f f=gd=gd=gd=gd2 2 2 2/12/12/12/12 对于裂隙面粗糙不平对于裂隙面粗糙不平对于裂隙面粗糙不平对于裂隙面粗糙不平 K K K Kf f f f=gdgdgdgd2 2 2 2/12/12/12/12 C C C C 为连通系数为连通系数为连通系数为连通系数,连通面积与总面积的比连通面积与总面积的比连通面积与总面积的比连通面积与总面积的比;C C C C为裂隙面相对粗糙度系数为裂隙面相对粗糙度系数为裂隙面相对粗糙度系数为裂隙面相对粗糙度系数 C=1+8.8(/2d)C=1+8.8(/2d)C=1+8.8(/2d)C=1+8.8(/2d)1.51.51.51.5沟槽流模型沟槽流模型沟槽流模型沟槽流模型(Tsang1987)(Tsang1987)(Tsang1987)(Tsang1987)K K K Kf f f f=gd=gd=gd=gd3 3 3 3/12/12/12/12 第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第24页/共61页第23页/共61页8.2.2 8.2.2 岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程岩体渗流物性方程n n3)3)3)3)裂隙介质中的渗流物性方程裂隙介质中的渗流物性方程裂隙介质中的渗流物性方程裂隙介质中的渗流物性方程n n裂隙岩体介质的渗透规律裂隙岩体介质的渗透规律裂隙岩体介质的渗透规律裂隙岩体介质的渗透规律n nRomm(1966)Romm(1966)Romm(1966)Romm(1966)假定裂隙岩体介质为拟连续介质假定裂隙岩体介质为拟连续介质假定裂隙岩体介质为拟连续介质假定裂隙岩体介质为拟连续介质体体体体,水在整体岩体中的流动用水在整体岩体中的流动用水在整体岩体中的流动用水在整体岩体中的流动用DarcyDarcyDarcyDarcy定律的形定律的形定律的形定律的形式式式式 q=kq=kq=kq=kf f f f(d/L)J(d/L)J(d/L)J(d/L)Jn n裂隙组的等效渗透系数裂隙组的等效渗透系数裂隙组的等效渗透系数裂隙组的等效渗透系数 Ke=gdKe=gdKe=gdKe=gd3 3 3 3/12/12/12/12 L L L Ln nLouisLouisLouisLouis认为裂隙组的渗透系数为认为裂隙组的渗透系数为认为裂隙组的渗透系数为认为裂隙组的渗透系数为n nK=(d/L)KK=(d/L)KK=(d/L)KK=(d/L)Kf f f f+K+K+K+Km m m m (层流紊流均适用层流紊流均适用层流紊流均适用层流紊流均适用)第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第25页/共61页第24页/共61页8.2.3 8.2.3 有效应力规律有效应力规律有效应力规律有效应力规律n n1)1)1)1)太沙基原理太沙基原理太沙基原理太沙基原理n n1923192319231923年年年年,太沙基在研究土的固结时提出太沙基在研究土的固结时提出太沙基在研究土的固结时提出太沙基在研究土的固结时提出:n nBiot(1940Biot(1940Biot(1940Biot(1940 s)s)s)s)发展为三维有效应力规律发展为三维有效应力规律发展为三维有效应力规律发展为三维有效应力规律:n n价值：价值：价值：价值：1 1）饱和土中两个受力体系的相互关系；）饱和土中两个受力体系的相互关系；）饱和土中两个受力体系的相互关系；）饱和土中两个受力体系的相互关系；n n 2 2）土体变形与两种应力的关系；）土体变形与两种应力的关系；）土体变形与两种应力的关系；）土体变形与两种应力的关系；n n3 3）土体强度与两种应力的关系。）土体强度与两种应力的关系。）土体强度与两种应力的关系。）土体强度与两种应力的关系。n n1950195019501950 s s s s年代年代年代年代,土压力三轴仪研制成功土压力三轴仪研制成功土压力三轴仪研制成功土压力三轴仪研制成功,SkemptonSkemptonSkemptonSkempton实验发现实验发现实验发现实验发现:孔隙压力不仅受法向应力作孔隙压力不仅受法向应力作孔隙压力不仅受法向应力作孔隙压力不仅受法向应力作用用用用,同时受剪应力影响同时受剪应力影响同时受剪应力影响同时受剪应力影响 第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第26页/共61页第25页/共61页8.2.3 8.2.3 有效应力规律有效应力规律有效应力规律有效应力规律n n2)2)2)2)修正的太沙基原理修正的太沙基原理修正的太沙基原理修正的太沙基原理n n1960196019601960年年年年,Skempton,Skempton,Skempton,Skempton证明证明证明证明:太沙基原理对工程应用太沙基原理对工程应用太沙基原理对工程应用太沙基原理对工程应用足够精确足够精确足够精确足够精确.n n1960196019601960年年年年,Skempton,Skempton,Skempton,Skempton发现太沙基有效应力原理对发现太沙基有效应力原理对发现太沙基有效应力原理对发现太沙基有效应力原理对有些土工工程不适用有些土工工程不适用有些土工工程不适用有些土工工程不适用,提出修正形提出修正形提出修正形提出修正形,Robinson(1959),Robinson(1959),Robinson(1959),Robinson(1959)、Handin(1963)Handin(1963)Handin(1963)Handin(1963)研究才形成如研究才形成如研究才形成如研究才形成如下形式下形式下形式下形式:n n0000 1 1 1 1 称为有效应力系数称为有效应力系数称为有效应力系数称为有效应力系数.n n岩石的有效应力是岩体不均匀分布的孔隙裂隙岩石的有效应力是岩体不均匀分布的孔隙裂隙岩石的有效应力是岩体不均匀分布的孔隙裂隙岩石的有效应力是岩体不均匀分布的孔隙裂隙在孔隙压的作用下的宏观响应的平均表示在孔隙压的作用下的宏观响应的平均表示在孔隙压的作用下的宏观响应的平均表示在孔隙压的作用下的宏观响应的平均表示.n n近年来近年来近年来近年来,赵阳升证明有效应力系数是孔隙压和体赵阳升证明有效应力系数是孔隙压和体赵阳升证明有效应力系数是孔隙压和体赵阳升证明有效应力系数是孔隙压和体积应力的双线性函数积应力的双线性函数积应力的双线性函数积应力的双线性函数.第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第27页/共61页第26页/共61页有效应力系数规律有效应力系数规律(赵阳升赵阳升,1995年年)=a1+a2+a3p+a4 p第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第28页/共61页第27页/共61页8.2.3 8.2.3 有效应力规律有效应力规律有效应力规律有效应力规律n n2)2)2)2)修正的太沙基原理修正的太沙基原理修正的太沙基原理修正的太沙基原理n n有效应力系数的分区特征有效应力系数的分区特征有效应力系数的分区特征有效应力系数的分区特征第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第29页/共61页第28页/共61页8.2.3 8.2.3 有效应力规律有效应力规律有效应力规律有效应力规律n n2)2)2)2)修正的太沙基原理修正的太沙基原理修正的太沙基原理修正的太沙基原理n n对于裂缝而言对于裂缝而言对于裂缝而言对于裂缝而言:法向应力为法向应力为法向应力为法向应力为 第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第30页/共61页第29页/共61页8.2.4 8.2.4 流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性n n1)1)1)1)问题问题问题问题 孔隙裂隙流体的存在对天然岩体有很孔隙裂隙流体的存在对天然岩体有很孔隙裂隙流体的存在对天然岩体有很孔隙裂隙流体的存在对天然岩体有很强的破坏作用强的破坏作用强的破坏作用强的破坏作用,其影响程度取决于岩体矿物组成其影响程度取决于岩体矿物组成其影响程度取决于岩体矿物组成其影响程度取决于岩体矿物组成与流体组成的化学特性及其组合作用与流体组成的化学特性及其组合作用与流体组成的化学特性及其组合作用与流体组成的化学特性及其组合作用.n n2)2)2)2)水的影响水的影响水的影响水的影响:R:R:R:Rc c c c=a-bW=a-bW=a-bW=a-bWc c c c (赵阳升赵阳升赵阳升赵阳升,靳钟铭靳钟铭靳钟铭靳钟铭)n n E=a/W E=a/W E=a/W E=a/Wc c c c-b (-b (-b (-b (李成江李成江李成江李成江)n n E=a-bp (E=a-bp (E=a-bp (E=a-bp (胡耀青胡耀青胡耀青胡耀青,赵阳升赵阳升赵阳升赵阳升)n n3)3)3)3)气体的影响气体的影响气体的影响气体的影响:日本氏平增之日本氏平增之日本氏平增之日本氏平增之(1986)(1986)(1986)(1986)n n 姚宇平姚宇平姚宇平姚宇平(1988),(1988),(1988),(1988),赵阳升贺军赵阳升贺军赵阳升贺军赵阳升贺军(1991),(1991),(1991),(1991),梁冰梁冰梁冰梁冰(1994)(1994)(1994)(1994)n n4)4)4)4)热流体与化学流体的影响热流体与化学流体的影响热流体与化学流体的影响热流体与化学流体的影响第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第31页/共61页第30页/共61页8.2.4 8.2.4 流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第32页/共61页第31页/共61页8.2.4 8.2.4 流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性流体作用下的岩体特性第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第33页/共61页第32页/共61页8.3 岩石流体力学基础岩石流体力学基础8.3.1 8.3.1 不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒n n1)1)1)1)基本连续性方程基本连续性方程基本连续性方程基本连续性方程n n近似地在近似地在近似地在近似地在P P P P点按泰勒展开点按泰勒展开点按泰勒展开点按泰勒展开,并忽略高级项得并忽略高级项得并忽略高级项得并忽略高级项得:n n控制体表面流入超出的数量控制体表面流入超出的数量控制体表面流入超出的数量控制体表面流入超出的数量n n质量守恒质量守恒质量守恒质量守恒n n或或或或第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第34页/共61页第33页/共61页8.3.1 8.3.1 不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第35页/共61页第34页/共61页8.3.1 8.3.1 不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒n n质量通量质量通量质量通量质量通量n n质量守恒方程质量守恒方程质量守恒方程质量守恒方程:n n对于不变形介质对于不变形介质对于不变形介质对于不变形介质 n=n=常数常数常数常数n n将将将将DarcyDarcyDarcyDarcy定律代入方程定律代入方程定律代入方程定律代入方程:n n对于不可压缩流体对于不可压缩流体对于不可压缩流体对于不可压缩流体:n nLaplaceLaplaceLaplaceLaplace方程方程方程方程:第第 8 章章 岩石流体力学岩石流体力学第36页/共61页第35页/共61页8.3.1 8.3.1 不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒不变形多孔介质中的质量守恒n n可压缩流体渗流控制方程可压缩流体渗流控制方程可压缩流体渗流控制方程可压缩流体渗