多场耦合力学相关文献推荐：热水力化耦合模型（THMC coupling model）

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文一：

25年的 DECOVALEX-科学进步和从耦合地下过程的国际研究合作中吸取的经验教训

摘要：

本文概述了一项国际研究合作，以促进对地质系统中热-水-力-化学耦合过程的理解和建模。国际DECOVALEX项目已经运行了25年多，最初的动机是重新认识到，对这些耦合效应的预测是放射性废物和乏核燃料地质处置系统性能和安全评估的重要组成部分。后来人们意识到，这些过程在其他地下工程活动中也发挥着关键作用，如二氧化碳的储存、增强地热系统的勘探以及通过水力压裂生产非常规石油和天然气。来自放射性废物管理组织、国家研究机构、监管机构、大学以及行业和咨询团体的研究团队参与了DECOVALEX项目，为这些复杂问题提供了广泛的视角和解决方案。对最先进的现场和实验室实验的分析和比较建模一直是合作工作的核心，越来越注重表征实验结果的不确定性和盲目预测。在这25年里，这一研究领域的许多重大进展都是通过DECOVALEX取得的，三本书、七期期刊特刊和大量来自DECOVALES建模工作的开创性论文证明了这一点。本文将介绍具体研究进展的例子，以说明DECOVALEX对当前理解和建模耦合THMC过程的最新技术的重大影响。这些例子包括代表核废料处理隧道模型的大规模原位加热器试验建模，非均质裂缝中流体流动和化学-机械耦合的研究，以及受控注入中尺度断层滑动实验的数值分析。

图：核废料隔离中的热-水-力-化学耦合效应。粗体箭头强调具有潜在更大性能意义的相互作用

图：第一个建模步骤，具有简化的几何结构和定义的条件

文二：

摘要：

地质放射性废物储存库的性能评估（PA）需要对跨越数公里和数万至数十万年的高度非线性、热-水-机械-化学（THMC）、多相流动和运输过程进行三维模拟。通过降阶建模，而不是通过完全耦合的地质力学，将近场地质力学过程（即缓冲膨胀）的影响整合到耦合的THC模拟中，可以降低问题的维数，提高计算效率。在这项研究中，PFLOTRAN模拟模拟了页岩主岩再沉积中的单个废物包，其中膨润土缓冲层的再饱和导致缓冲层膨胀，并对高度断裂的扰动岩石带（DRZ）施加应力。实现了三种类型的应力相关渗透率函数（指数、修正三次和两部分胡克定律模型）来描述系统的力学特性。我们的建模研究表明，压缩裂缝会降低DRZ的渗透性，这可能会影响放射性核素与宿主岩石地下水中腐蚀性物质的传输和交换速率，从而加速废物包的降解。渗透性较低的页岩主岩延迟了缓冲膨胀，从而延缓了DRZ渗透率的降低以及屏障系统内的化学迁移。

图：（A）由废物包（wp）、缓冲层/间隔层、扰动岩石带（DRZ）和页岩主岩组成的模型域的示意图描述。（B） 15 m（x轴宽）×12.5 m（y轴长）×75 m（z轴高）的非结构化网格，用于对以500 m深度为中心的圆柱形储存库的四分之一进行建模

图：在所有方向上作用在储存库系统上的膨胀引起的应力的示意图描述。

文三：

THMC耦合条件下压裂液引起的页岩软化程度和速率

摘要：

水力压裂液引起的页岩软化行为对储层裂缝导流能力和油气最终采收率有很大影响。本文对页岩在通过热-水-机械耦合化学（THMC）处理软化后的特性进行了实验研究，该处理模拟了水力压裂期间和之后深层储层中发生的高温和高压岩石-流体相互作用。进行微压痕测试以表征THMC处理样品的机械性能降解程度和速率，并进行X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和微型计算机断层扫描（micro-CT）以分析THMC处理前后样品的成分和微观结构变化。结果表明，经THMC处理后，杨氏模量、硬度和断裂韧性显著降低，平均软化速率估计为0.13mm/天。软化区力学性能的退化主要是由于碳酸盐的溶解、黄铁矿的氧化和粘土矿物的渗透膨胀导致的多孔微观结构和裂纹扩展。这些发现可以很好地了解页岩压裂液的相互作用，以及在高温高压下深层储层中发生的页岩软化现象，并为页岩气勘探的设计和操作提供启示。

图：用于显微压痕和软化处理的样品制备：（a）页岩岩芯；（b）顶部和底部表面带有硅胶的页岩样品；（c）页岩样品浸入120°的浮油中◦C和20MPa的压力下进行；（d）高温高压岩流相互作用模拟反应器。

图：显微压痕试验测点布置：（a）显微压痕试验示意图；（b）三组压痕点的分布；（c）原位显微压痕试验（d）光学显微镜下页岩样品的典型压痕。

图：d=1.0mm处压痕的SEM图像：（a）未处理的样品；（b）处理30天的样品；（c） 60天处理的样品；（d） 90天处理的样品。

文四：

摘要：

为了研究低温压裂液注入高温储层后，水力压裂中不同参数对地层温度的影响，本文考虑了（1）渗透压和毛细管压（2）微热效应（热传导、热对流、热膨胀、粘性耗散）（3）温度（T）的耦合过程，建立了基于离散裂缝的油水两相THMC温度耦合预测模型。研究了压裂液温度、储层温度、无量纲电导率、杨氏模量、注入速率、簇间距、分支裂缝面积比例等因素对页岩油油藏抽油和关井阶段储层温度和裂缝温度的影响。结果表明：（1）对于具有不同储层温度的地层，从作业开始到30天关井结束，裂缝处的温度下降约为97%。压裂液过滤引起的饱和度变化远大于传热引起的温度变化，发现温度和饱和度变化主要发生在关井初期（2）渗流加速了压裂液的滤失。在泵送过程中，考虑渗吸的井底温度低于不考虑渗吸时的井底温度。考虑自吸的温度曲线在泵送后约10分钟开始偏离，但最终温度趋于相同。（3）当压裂液在高压下泵送时，裂缝和基质会发生变形，这将改善近井区的孔隙度和渗透率，从而加快传热速度。高的杨氏模量抑制了渗透率的增加。与40GPa和20GPa的杨氏模量相比，渗透率的增加减少了9%（4）关井30天时，簇间距大于20m，裂缝周围的温度变化对两侧的簇没有影响。簇之间的间距为5m，两侧的穿孔簇对温度有显著影响。两个相邻集群之间的储层温度从393K下降到385K。

当存在分支裂缝时，较小的簇间距相当于增加了裂缝的复杂性，加快了初始传热速率。（5）高注入温度、高无量纲电导率、低杨氏模量和低泵送速率有利于压裂液在地层中的传热。

图：THMC耦合原理图。

图：不同团簇间距注入和关闭后的温度分布。

文五：

摘要：

由于核废料处理、碳捕获和储存等许多重要的当代工程应用，岩土材料中热（T）、水（H）、力（M）和化学（C）耦合过程的建模在过去几十年中引起了人们的关注，由于地质力学和地球化学之间的差距，化学渗透和热渗透之间的耦合及其对温度、水传输和力学变形的影响仍然是一个长期的挑战。本文在非平衡热力学的基础上，通过桥接化学热场，扩展了混合物耦合理论，并结合化学渗透和热渗透之间的相互作用，建立了一个新的本构THMC全耦合模型。经典的达西定律从根本上得到了扩展，渗透是扩散过程的主要驱动力。用于演示目的的简单数值模拟表明，化学渗透和热渗透之间的耦合将显著改变水流方向，从而影响饱和度变化和力学变形。