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TOUGH-FLAC 模拟现状


关于流体耦合和地壳变形 TOUGH-FLAC 模拟现状
摘要:
主要讲述 TOUGH-FLAC 对多相流体与岩土应力之间耦合的模拟,以及进展和应用。 TOUGH-FLAC 软件将 TOUGH 中的多相流体模块、 热传导模块与 FLAC3D 相关的应力模块连接起来。 通过近几年的不断修正,TOUGH-FLAC 取得了突破性进展,可以借助高效的计算机,对更为复 杂

和紧密的耦合过程进行模拟。工业活动诸如因萨拉 CO2 储存工程、间歇泉地热场,和一些自 然事件例如 60 年代日本松山地震群,这些地质活动能够引起深地层的流体运动和压力变化, 从而形成地壳变形。论文主要对以上情况构建模型进行模拟,最终根据实际问题的适用性和 需要高性能计算机处理的区域规模问题(例如工业大范围 CO2 储存和增强型地热系统) ,对 TOUGH-FLAC 未来应用前景提出一些观点。 尽管完全采用一个商业源程序代码如 FALC3D 对专门 研究和计算需要有着很多限制, 但随着 TOUGH-FLAC 拥有越来越多从事学术和工程需要的使用 者,其模拟方法上仍然有很强的实用性。

1.引言
在 2003TOUGH 座谈会中,连接 TOUGH2 和 FLAC3D 程序的 TOUGH-FLAC,作为模拟多相流体、 热传输、地质应力的实用方法首次提出。这种方法中,TOUGH2 主要求解多相流体和热传导方 程式,而 FLAC3D 主要求解地质应力中应力应变方程。两个源程序代码按顺序进行耦合,同时 TOUGH-FLAC 在个人电脑上可以实现完美的模拟。这种模拟方法最大的优势,是两种源程序代 码都在不断的发展和改进,并且在学术领域和工业领域应用广泛。 TOUGH-FLAC 绝不是模拟地质介质中热-水-力过程的唯一源程序代码。地质中非饱和多 孔介质耦合现象(THM)越来越引起人们的关注和兴趣,同时促进了各个复杂程度下源程序代 码的开发和研究。其中最近在岩石力学中广泛应用的有 THAMES、MOTIF、FRACON、ROCMAS、 FRT-THM、FEMH、GeoSys/RockFlow、FRACture 和 GEOCRACK。前五个用于模拟的软件(THAMES、 MOTIF、FRACON、ROCMAS、FRT-THM)属于同一类型:以比奥固结理论为基础,对耦合方程联 立求解。这些软件在核废弃物地下埋藏处理中广泛应用和发展。其它模拟软件 (GeoSys/RockFlow、FRACture、GEOCRACK)最初应用到热干岩地热能源领域中,虽然也应用 到其它类型耦合问题中。除此之外,还有一些其他可获得的商业程序软件可以用于研究这些 现象:在模拟土力学和岩石力学机理中广泛应用的是 ABAOUS,是个有限元为基础的程序软件;

FLAC,以有限差分为基础的程序软件;UDEC,以离散元为基础的程序软件;这些软件广泛应用 于非饱和多孔介质耦合耦合的分析(例如:FRACON、FLAC、ABAOUS) 。同时,在土力学领域出 现了一些其它的程序代码,其中一个就是 COMPASS,主要用于模拟准饱和土中两相流体(气 体和液体)流动,同时伴随着热传输和力学反应。另一个是 CODE-BRIGHT,主要为分析盐介 质中卤水和气体的非等温多相流体而开发。 大量的模拟软件为油气资源工程而开发,包括诸如 VISAGE、STARS 这类的商业有限元程序 包和一些学术研究用的程序;还有一些学术领域的程序,如 Settari 和其他人为解决更复杂 问题提出的以油藏模拟软件和岩石力学软件为基础耦合搭接的 TOUGH-FLAC 软件。 在岩石力学 软件模拟时,通过改变应力值正确的改变空隙率是一个复杂细微的过程。当对完全耦合的多 孔弹性有限元模型比较模拟结果时, 考虑调整多孔性和弹性在整个模拟过程中是很重要的 (例 如:THAMES,MOTIF,FRACON,ROCMAS) 。然而,如 Settari 和 Mourits 描述的,在一个要处理的 问题中,由于在应力范围内出现多孔性和渗透性导致模拟结果与应力之间是非线性关系,在 实际工程中考虑到这些因素是更为重要的。这些属性值来源于实验室数据,用于验证理论数 据和经验参数,或者用于校准场地实验。几十年来,地质力学和多相流体顺序耦合的稳定问 题是非常热的研究课题。最近,由 Kim 主持的比较完善的专项研究表明,对这一类模拟软件 顺序搭接有着很多的优势。 最早研究 TOUGH-FLAC 的是劳伦斯伯克利国家重点实验室(LBNL)的 Rutqvist、Rutqvist 和 Tsang。模拟软件起初广泛应用于研究多相流体条件下的耦合岩石力学过程,包括核废弃 物处理、CO2 隔离、地热能量提取、伴随地表变形的自然生成的 CO2 上升、碳水化合沉积物气 体生成等。 随着近期软件代码的不断开发,这些应用日益广泛。取得的最突破性的进展,就是修订后 的软件构架可以借助高效的计算机,对更为复杂和紧密的耦合过程进行模拟。这个优势可能 来自于 FLAC3D 软件代码和新兴起的软件 TOUGH+软件代码的搭接,当时耦合软件是为了分析碳 水化合沉积物的岩石力学特性。此外,新的模型可以使用 FLAC3D 自定义模块选项(详解见 Rutqvist 等人) ,用于材料特性分析、碳水化合沉积物模型分析和非饱和土热弹塑性模型特 性分析。 论文介绍了当前 TOUGH-FLAC 研究方法及其一些当前的应用,这里的软件应用主要涉及地 壳变形的模型,这些地壳变形是由于工业活动和自然事件造成的深层地下水流体运动和压力 变化造成的。包括: (1)卫星所观察到的在阿尔及利亚莎拉地区-产业规模大小 CO2 的注入区 地表变形; (2)加利福尼亚间歇泉地热区域; (3)位于 1960 年日本中部的松代地震群,在 CO2 大量上涌期间所检测的水平地表变形。 论文着眼于软件应用到实践中的问题和要求高运算

能力的大规模网格问题对 TOUGH-FLAC 未来发展提出一些观点和看法,例如对工业规模的 CO2 封存地的分析和增强型地热系统的分析。

2.

TOUGH-FLAC 构成 以下对 TOUGH-FLAC 结构的描述:结合了大部分最新开发出的代码,尤其是把 FLAC3D 链接

到刚研发发布的 TOUGH+程序代码上。 然而, FLAC3D 和 TOUGH2 代码连接起来同样相应的功能。 将 方法如下,将两个构成代码 TOUGH+(或 TOUGH2)和 FLAC3D 通过热能-水力-力学(THM)模型 耦合链接(如图 1) 。根据即将面临的特殊问题和特定多孔介质(例如:裂隙岩石、非饱和粘 土或沉积物中的水合物) ,大量的耦合方程开始成熟和发展起来。

图 1.TOUGH+和 TOUGH2 的 TOUGH 系列与 FLAC THM 耦合模拟过程

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在图 1 中, TOUGH+和 FLAC3D 的数据交换通过带箭头的图表与中心位置 THM 模型转换。 1 图 右边箭头所示的是有效应力 ? ? 和应变 ? (在 FLAC3D 可以计算出)转到 TOUGH 中重新计算孔隙 度 ? 和相应孔隙度改变量 ? ? ,这中机理导致的孔隙度改变量 ? ? 对流体流动特征有着直接的 影响,例如如果有效应力 ? ? 和应变 ? 改变直接导致孔隙度 ? 减少,则空隙压力预计要增加, 尤其是渗透率比较低的情况下更为显著。 对于一个多孔介质变形, 两种力学机制导致的空隙变化在最新的 TOUGH+和 FLAC3D 耦合版本 中都得到应用。 (i) 一个是多孔弹性模型(基于 Settari 和 Mourits1998 年提出的方法)考虑了宏观的 应/应变变化和纹理变形。 (ii) 另一个是经验模型(Rutqvist 和 Tsang 于 2002 年提出)使用有效平均应力函数描 述了空隙率的非线性变化。 孔隙度改变量 ? ? 可以通过以上任意一种模型计算出,可通过经验方程式估计固有渗透系 数 k 的改变。更新后的孔隙度 ? 和固有渗透系数 k ,依次采用适当的缩放公式估计多孔介质水

力和湿度属性的改变(例如,水相和气相有关的渗透性 K rA 和 K rG 及毛细压力 Pc ) 。当前,毛 细压力通过 Leverett 提出的公式,使用渗透率和空隙度进行逐步确定。 对于裂隙介质,用一个相似指数的实证模型调整三维应力场的渗透性变化情况。裂隙介质 模型用假定的三向正交裂隙网格解释渗透性各向异性的变化(例如:美国内华达州尤卡山地 区模型) 。 图 1 左边的箭头描述了从 TOUGH+(或 TOUGH2)获取的流体数据(即压力 P ,温度 T 和相饱 和度 S ? )到 FLAC3D 的数据用于估计对有效应力 ? ? P? 的影响( ? 为比奥有效应力参数),同时 也估计了热和膨胀应力的影响(分别用 ? T 和 ? sw )。有关非饱和土的吸水膨胀和地质力学特性 的模型最近应用到 TOUGH-FLAC 软件中。 模型中使用巴塞罗那基本模型分析非饱和土的塑弹性 特性,其中相饱和度公式中引用膨胀系数表示吸水性(或毛细压力 Pc )。 此外,压力 P ,温度 T 和相饱和度 S ? 的改变也会导致其他力学参数的改变(如图 1)。这 些包括体积模量 K 、剪切模量 G 、内摩擦力 C 和内摩擦系数 ? 。例如,在水合物沉积层情况 下,地质力学特性的改变可以改变固相饱和度,也就是水合物和冰饱和度。在非饱和土这样 的算例中,体积模量和摩擦角是吸力公式中的参数。 在当前的 TOUGH-FLAC 模型方法中,从 TOUGH+(或 TOUGH2)中调用 FLAC3D 使用的是同一调 用系统。这与最初的版本是不同的,最初的版本是从调用 FLAC3D 实现 TOUGH2 多相流体模拟。 从多相流体模拟中调用准静态力学计算使耦合结果更加严谨,而且经实践证明更加有效。例 如:现在可以在每一步牛顿迭代中调用 FLAC3D;TOUGH+中计算雅可比行列式时,可以通过使 用 FISH 语言功能实现耦合 FLAC3D 代码与 TOUGH+的耦合,其中 FISH 语言可调用和处理 FLAC3D 的数组和参数。然而,Itasca 顾问组(曾负责开发和修订 FLAC3D)提供了新的 FISH 语言,在 TOUGH 参数直接转换到 FLAC3D 网格单元中更加有效, 避免了前期 TOUGH 中心点到 FLAC3D 角点之 间复杂的插值转换。 在新的 TOUGH+版本中,可以实现以下三个耦合方案: (i) 雅可比行列式:这是最高水平的迭代耦合方案,其中所有的岩土力学和流体参数都在 不断更新(每一个时间步长的每一步牛顿迭代) ,它们的改变量来自于雅可比行列式矩阵的计 算。 (ii) 迭代:在这个框架里,岩土力学和流体参数通过每一个时间步长的最后一步牛顿迭 代进行调整,他们结果的改变来自于牛顿迭代而非雅可比行列式矩阵的计算。 (iii)时间步长:这是最弱的耦合选项,在每一个时间步长中岩土力学和流体参数只有一 次改变,就像在迭代框架里一样,参数的改变与非雅可比行列式矩阵的计算无关。

整个雅可比行列式选项是一个顺序的隐式组合,其迭代和时间步长耦合选项也是顺序的隐式 组合。整个雅可比行列式组合对于空隙体积耦合主导的问题的解决是非常必要的,例如:当 力学机制引起的孔隙度改变量 ? ? 对空压造成相对强劲和快速的变化时, 过程中对流体体积和 热量平衡进行严格的保护很必要的。当出现所谓的属性改变(间接)这类的问题时,耦合、 迭代或时间步长组合模式解决这些问题是足够的。 众所周知的是空隙体积耦合主导的岩层,特别是当低渗透多孔介质被外力强制机械挤压 时,会出现很严重的安全稳定问题。然而后来根据 KIM 最近的研究结果表明,FLAC3D 和 TOUGH 耦合过程等同于一个有限的固定体积模拟单元和有限元地质力学模拟单元之间的耦合,当然 这些耦合过程仅限于复杂模型的稳定阶段。此外,在前面方案中选择合适的耦合方案,即所 谓的压力固定迭代,则结果会变得无条件的稳定。当多孔耦合占主导时,关于 FLAC3D 和 TOUGH 中研究数值稳定问题正在研究中,然而在遇到大量的多相流应用情况下,多孔介质耦合不占 主导地位,只能剩下一种耦合方式,其中属性的变化将占主导地位,这也是在岩土多孔介质 耦合中非常常见的。 3.运行 FLAC3D-TOUGH 模拟 为了运行 FLAC3D-TOUGH 模拟,使用者需要 FLAC3D 和 TOUGH(TOUGH2)使用版权,同时需要 两个软件耦合所需的链接代码,下图 2 为经典的 FLAC3D-TOUGH 模拟流程。

图 2. 对特定问题所设计的 FLAC3D-TOUGH 耦合模拟步骤 使用者应该首先设计好两个软件所需要的相同的地质模型和网格单元,然后要特地运行一下 TOUGH 模拟测试,主要为了确保 TOUGH 程序代码能够在不考虑力学耦合作用下进行对特定问 题进行模型初步构建并试运行。过程可能包括 TOUGH 初始稳定状态模拟到初始条件(包括垂 向压力和温度的梯度)的构建。对于 TOUGH 模拟,具有代表性输入的参数有颗粒密度、空隙

度、渗透率、导热系数、比热、相对渗透率、保水曲线、水力和热的边界条件(如:固定流 体压力和温度) 。同样,FLAC 输入力学边界条件和构建初始应力平衡压力梯度后,需要保证 能够正常模拟运行。FLAC3D 中输入的具有代表性的参数有:体积密度、弹性参数(如体积模量 和剪切模量) 、力学参数(如内聚力和内摩擦角) 、力学边界条件(如固定位移或应力) 。 在 FLAC3D 和 TOUGH 初运行后,链接后的 FLAC3D-TOUGH 就建立起来了。这包括准备好包含岩 土力学的二进制文件 FLAC3D.save 和处理 FLAC3D 和 TOUGH (TOUGH2) 连接的 FLAC3D-FISH 源程序 代码,初始模拟通过激活含带岩土力学选项的 TOUGH(TOUGH2)得以开始。第一次调用 FLAC3D 时, 使用二进制文件 FLAC3D.save 将用于恢复信息和初始力学状态, 然后 FLAC3D 读取在在 TOUGH+ (TOUGH2)中定义的初始压力和温度,一直运行到力学平衡,然后将得到的新的力学状态保 存在 FLAC3D.save 文件中。恢复信息、运行至新的力学平衡和将结果保存到二进制文件中这一 过程在每次调用 FLAC3D 力学计算时将会运行一遍。 FLAC3D-TOUGH 模拟运行的天衣无缝, 不需要 使用者干预,可以根据 TOUGH 输入文件定义的模拟次数输出相应的所需结果。 4.构建流体流动和地壳变形的耦合模型 这部分总结了当前 TOUGH-FLAC 关于地壳变形的模拟,这些地壳变形是由于工业活动和自 然事件造成的深层地下水流体运动和压力变化造成的。 例如在阿尔及利亚莎拉地区-产业规模 大小 CO2 的注入区地表变形和位于 1960 年日本中部的松代地震群,这些模拟算例展示了 TOUGH-FLAC 在多重介质和力学机制耦合计算的能力, 能够研究地壳变形的范围达到数十公里。 4.1 莎拉地区工业 CO2 储存项目 从 2004 年开始, 阿尔及利亚莎拉的气体储存项目已经完成大约 750 吨 CO2 的年注入量。 气 体注入岩层为低渗透率的砂岩。岩层厚度为 20 米,位于深度 1800-1900 米的 Krechba 区域。 这一地区产出的 CO2 气体和其他附近两处 CO2 聚集地区的气体浓度范围为 1%到 9%,远远高于 0.3%的 CO2 气体排放标准。三个地区的 CO2 被氢氧化物单独分隔,同时以每天数百万立方英尺 的速度往邻近的三个井“ ‘KB-501, KB-502 和 KB-503”进行灌注。为保证足够的 CO2 灌注量以 便通过低渗透率的砂岩表面,莎拉的气体储存项目决定使用长延伸的水平注入井。利用场地 的应力区域和主导裂隙方向以及定位了高空隙通道系列,打造了三个最先进的水平注入井, 以便使注入井拥有最大的注入能力。2004 年 8 月,在 KB501 和 KB503 两口井中进行初次 CO2 灌注,同时在 2005 年 4 月对 KB502 进行灌注。灌注期间,底部孔隙水压力要界定在裂隙梯度 之下,要实现大约 10 兆的最大压力增加量,以保证大于周围原始变形压力。 在 2006 年秋季, FLAC3D-TOUGH 开始进行对 CO2 注入操作进行初始 3 维地壳变形规模的模拟, 从模拟结果可以看到,地表的变形只有几厘米范围的连续变化,表明项目实际操作是可行的 (如图 3) 。结果,项目负责方决定利用卫星(INSAR)进行对 CO2 注入时的地表变形进行监测,
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随后 INSAR 数据将用于意大利的 TRE 分析(采用先进的永久散射体方法) ,可以确定毫米级别 的地表变形。数据结果在 2007 年进行处理,随后在 Vascoetal 发表。结果非常完美,因为可 以清晰观察到每一个注入井几千米范围内的地表隆起(图 4) 。测量从注入开始算起 5 个月的 地表隆起, 测量的隆起以每年 0.5cm 地表速度上升, 截止至今三年中地表变形共上升了 1.5cm.

图 3.2006 年 Krechba 地区对 CO2 注入储层后关于多重介质耦合地质力学和地表隆起变形的 FLAC -TOUGH 初步模拟分析,模 型集中其中一个 CO2 注入井周围.

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图 4.Krechba 地区 CO2 注入三年后垂直方向变形的 InSAR 数据图形展示.

在随后的 FLAC3D-TOUGH 分析中,包括测量的岩土力学属性,同时还有测量实际注入量和注入

压力。Rutqvist 认为观察到的地表隆起由于 20 米厚度的多孔弹性注入层受压力扩张后引起。 例如, 5 展示了注入 3 年后 1.2cm 计算后的地表隆起,这与卫星观测到的 KB501 注入井周围 图 隆起高度非常相似。图 6 比较了计算后的地表隆起与观测到的地表隆起(随时间而进展) ,结 果表明观测到的地表隆起由 20m 厚度的多孔弹性注入区受到应力作用而扩张引起的,同时位 于注入区上部的 100m 的泥质砂岩受压引起的变形也是地表隆起的重要因素。进一步分析,对 KB502 注入井页型双隆起模式将对储层深度范围内的断层和裂隙产生强烈的影响。这些断层 所产生的影响正在使用 FLAC3D-TOUGH 进行研究。

图 5.注入 3 年后盖层渗透率为 k ? 1 ? 10

? 21

m 垂直方向位移的模拟图示

2

图 6.在 KB501 和 KB503 两个注入井上部垂向不同渗透率盖层地表隆起模拟值比较

FLAC3D-TOUGH 用于地表隆起分析所输入的主要参数是渗透率和注入区及周围盖层的弹性力 学属性参数,而影响结果的表土的弹性力学属性参数影响程度较小。注入结构的弹性属性参 数初步估计值从实验室试验中获取,而其他的地质层参数通过使用声纳日志数据获得。对于 注入区,杨氏模量 E ? 6G P a 和泊松比? = 0 .2 是从空隙度 15%到 20%的几个实验室样本中获取, 符合估计的原位空隙度。从声纳日志中,估计出盖岩层(石灰系泥岩和致密砂岩)比较坚硬 一些, 同时比较浅的表土层 (白垩系砂岩和泥岩) 则相对软弱些。 为适应采用的 15MMscfd (百

万立方英尺)的注入速度,获取一个合理的大约 10MPad 的压力增加值(该区域压力增加的近 似值) ,通过校准注入区的渗透率估计为 1 .3 ? 1 0 -1 4 m 2 (13 毫达西) 。盖层渗透率范围从
1 .0 ? 1 0
-2 1

m

2

到 1 .0 ? 1 0 -1 9 m 2 ,这对于页岩和泥岩密封层是一个合理的范围。

4.2 间歇泉地热田 间歇泉是世界上最大的地热发电产出区, 同时也是加利福尼亚州北部地震活动最频繁的区 域之一。这是一个以蒸汽为主的地热存储区域,其水力系统被低渗透率的岩层所限制。间歇 泉主要的地质网格单元包括作为盖层的非裂隙硬质砂岩 、变质硬质砂岩(主要为 NRT) 、角 长英质硬质砂岩(主要为 HTZ) 、新生花岗质侵入岩( “致密长石” ,比现有花岗岩晚一万 年左右)和热源区到增强型地热系统示范区的 HTZ。由于蒸汽大量的泄漏,存储区压力不断 的下降,导致了大量的地面沉降。例如,根据水准和 GPS 调查表明,从 1977 年到 1996 年, 地表沉降按照每年 4 厘米的数率下降到 0.4 米-0.8 米。沉降主要发生在数百口生产井所带来 的蒸汽产出区周围。一般来说,地面沉降和此地区的压力下降量是成正比的,同时还可以认 为多孔弹性介质的压缩所造成的。从那时以来,存储区域的压力趋于稳定,这是由于不断的 加大注入处理后的当地社区废水所致。水的注入对蒸汽生产来说是非常必要的,但水注入也 同时导致地震活动水平的增加,关于当地社区的社会、环境、经济不断引起了社会的关注。 FLAC3D-TOUGH 耦合软件最近用于间歇泉地热开发区多重介质储层岩土力学分析,尤其用于 研究地震力学机制起因的分析上。作为研究的一部分,FLAC3D-TOUGH 用于研究储层宽度耦合 力学响应和地表变形问题,通过使用主要储层区东北-西南方向截面区的岩土力学模拟来实 现。模型建立的细节和结果展示在其它的论文中有详细介绍。结果包括蒸汽生产优化效率问 题和通过 1960 年到 2005 年间歇泉所有区域数据得到的水注入量问题。

图 7.1992 年-1999 年间歇泉出垂向位移的 InSAR 数据,数据由代表美国劳伦斯国家重点实验室的 TRE 给出和整理得到.

InSAR 档案图像从 1992 年到 1999 年共 7 年期的卫星监测数据获得,卫星大致每月通

过研究区域一次,监测的数据由代表美国劳伦斯实验室的 TRE 进行分析(1999 年后,此监测 卫星停止服役) 。图 9 展示了 InSAR 通过评估得到的一系列 1992 年到 1999 年顺着图 7 中 A-A 刨线的垂直方向地表位移,图 9 中的结果指出了 7 年中连续的处理结果,其中中心区域最大 的沉降结果为 0.2m。

图 8.间歇泉地热区储层沿图 7 中中 A-A 刨线构建的间歇泉主要模型,因中心对称面的原因只 模拟一半储层,这个模型区域的蒸汽产出数率和水注入率可由存储区宽度产量和注入数据获得.

图 9.InSAR 通过评估得到的一系列 1992 年到 1999 年顺着图 7 中 A-A 刨线的垂直方向地表位移.

图 10 展示了测量的和计算的垂直地表位移, 虽只使用简化的 FLAC3D-TOUGH 模型考虑间歇 泉区域,但模拟出的地表位移和监测出的地表位移令人惊奇的吻合。这种吻合也为变形模型 提供了坚实的依据,包括弹性参数的选择、前期公布的 GPS 数据和沉降准则的比较。模型后 期用于计算注入量导致的压力改变,同时可以计算与之相关的诱发地震的原因和机制。分析 结果表明间歇泉区域诱发地震活动的主要原因是围绕注入流体周围岩石的冷却和相关的热弹 性收缩,热量的改变引起的应力状态的改变诱导了力学的断层和地震活动。具体来说,冷却 收缩导致重要的剪应力裂隙应力的卸载和剪应力相关的缺失,从而导致地层的活动。 FLAC3D-TOUGH 中重要的输入参数为弹性参数和存储区热膨胀系数、多相流体属性参数、 存储层的渗透率和周围边界条件。应力场在诱发地震可能性的评价上是非常重要的,但只要 岩层处于弹性状态对地表变形计算结果不会产生任何影响结果。含 1%空隙度储层的裂隙岩层 等价渗透率为 1 ? 10 -5 m 2 (10 毫达西) ,输入重要参数同时包括岩石块体 3GPa 的体积模量,这

与 Mossop 和 Segall 后期以间歇泉应力分析为基础计算的值大致一样。岩石的线性热膨胀系 数设定为 1 ? 10 -5 C -1 ,这与储层区高温岩层(250 )样本检测到的值是一致的。使用以上属性 参数,可以发现模拟结果和观察结果是一致的,尤其是考虑到储层压力、温度和沉降量时。
0

图 10.从间歇泉区域蒸汽生产开始第 32 年到 40 年(1992-1999) ,对 InSAR 估计的垂直方向位移量和计算的值进行比较: (a)图 7 中 B 点垂直地表位移变化值, (b)沿 A-A 剖线从 1992 年到 1999 年总的地表沉降量曲线.

4.3 20 世纪 60 年代的日本松代地震群 在这个实例利用中,FLAC3D-TOUGH 用于模拟 20 世纪 60 年代的日本中心区域松代地震群的 多相流体耦合和地壳变形。在 5 年的地震活动频繁期(从 1965 年到 1970 年) ,能够感觉到的 地震有 60000 起,大约数千万吨 CO2 从新产生的地表断裂涌到地表上面(图 11a) ,通过观察 最大地面隆起变形大约为 0.7m, 同时走向划距沿着两个十字相交的断层滑动(图 11b)。 项目其 中的一个部分使用 FLAC3D-TOUGH 模拟多相流体和岩土力学的耦合,目的是了解导致松代地震 群的在新生扩展裂隙上的深源 CO2 所起到的作用。 图 12 展示了两个十字相交断层和在模型底部的深源 CO2 液体流为主的三维模型。在两个 十字交叉断层周围的 6 千米深处的一个点源处(1km2)注入盐水和 CO2,这个源重现了富含 CO2 盐水上升的过程。其中盐水可能来自于 10km 深处的岩浆源,通过两个十字交叉的断层进

行移动。注入水中包含 5g/L 的 Nacl,和 5%的质量部分为 CO2,流体温度为 1900C,从观察和 地表泉水排放上估计出 9000L/min 的注入源的速率。

图 11. 20 世纪 60 年代日本松代地震频发期间观察到的地壳流体流动和岩土力学效应: (a)地震特征和不同时间的震中范 围.(b)1966 年导致的最大隆起、水平位移和排水.

图 12. 模型几何包括松代和长野县东部地震断层和走向划距应力区.

图 13 展示了地表隆起和表面地球化学变化进展的仿真模拟,这个地球化学分析解释了松 代地震群形成的原因,即由于上升的富含 CO2 水流而导致的过度压力造成的。地震机制是由 于存在于裂隙两翼和两个主要断层附近有效应力的减少而引起的剪切破坏造成的。已经模拟

的随时间而变化的地表隆起和[Cl—] and [CO2]浓度含量在图 13 中可以看到,其结果与松代地 区泉水流出处观察到的结果完全一致。有趣的是,模拟结果和观察得到的结果都展示了地表 变形和不断增加的地震活动是 CO2 在地表释放的前兆,因为必须在力学响应一年之后,才可 以在地表测量出的化学变化。

图 13. 计算的地表隆起和地表的[Cl ]和[CO2]浓度(在松代和野长县东部断层之间的十字交叉断层处)(a)一年后地表 隆起的平面直观图(b)地球物理化学和地质力学反应随时间的变化图.

-

在这个算例中,FLAC3D-TOUGH 主要输入参数和上述一样为:渗透率、弹性属性参数和初始 应力场。这些参数需要校准进行标准化,同时需要各式的观察和地质力学测试进行验证。在 深处高速区和较浅的低速区(0-1500 米深处)的杨氏模量值分别为 7GPa 和 15GPa, 通过声速档 案文件估计出杨氏模量值是动态属性参数的 60%。断层区的渗透率根据 20 世纪 70 年代进行 的注入实验设置为 1 ? 10 -1 6 m 2 。在断层实验观察的基础上,以及在为其它裂隙岩石研究出的流 体力学特征的基础上,断层重新活动所需的最大渗透率设置为大约 2 个数量级。模拟结果同 时表明如果不考虑重新活动的断层对渗透率的改变,则不能与场地观察的结果保持一致。最 后,在两个十字交叉断层,我们采用了一个较高的初始渗透率( ko ? 5 ? 10 ? 1 5 m 2 ) ,为了与地 表 CL 的变化保持一致,同时也为与围绕十字相交断层周围断层的隆起程度保持一致。 5. 讨论与要点总结 在过去 8 年内,FLAC -TOUGH 被成功的应用到涉及多重介质中多相流体耦合和岩土力学过 程的诸多问题中。在这篇论文中,使用三个事例展示了 FLAC3D-TOUGH 耦合软件大规模情况地 质问题中的应用,包括工业大规模下的 CO2 应用和地热能量提取的应用,同时还包括地壳地 质变化过程。这些应用实例被选取出来因为他们是最近工程实例应用的典范,同时展示了 FLAC3D-TOUGH 区域规模问题中处理能力。这是非常重要的,因为数值模拟的能力在应用工程 实践中的数量和类型上能够得到最好的验证。 FLAC3D-TOUGH 的一个优势是 TOUGH 系列代码和 FLAC3D 系列代码是现成的,同时也在其研究
3D

领域内不断的发展和演化,两者模型的发展不断聚集在两代码程序的耦合上。其模拟程序不 是一个完全封闭的黑箱,在各种工程应用中提供了很大的灵活性。另一个优势是使用 FLAC3D-TOUGH 为水文学者(可能熟悉 TOUGH)和地质学者(可能熟悉 FLAC)提供了各种学科 合作的可能,从而解决复杂的耦合问题,这些问题在某个特定的领域科恩能够非常难以依靠 个人的能力解决。FLAC3D-TOUGH 应用中一个很好的应用实例是应用在分析天然气水合物表现 的地质力学特征。 FLAC3D-TOUGH 在广泛应用中同时也在不断的向前发展,有几个研究小组已经通过类似的可 选择的方法来处理 TOUGH 系列代码与地质力学之间的耦合。 包括 Gosavi and Swenson (2005), Javeri (2007), Hurwitz et 等(2007) 和 Taron 等. (2009). Gosavi and Swenson (2005) 将 TOUGH2 连接到有限元程序 GEOCRACK3D 中,获得了一个更为紧凑的代码从而应用到地热能 源应用中。使用类似的方法,Rutqvist(2002)将 FLAC3 和 TOUGH2 耦合连接用于应用到核废 物储存时气体产生和压力形成后对地质力学影响。Hurwitz(2007)等将 TOUGH2 连接到耦合 的流体力学有限元程序 Biot2 中,用于研究流体流动和大型火山口的变形中,这也是受到早 期 Todesco 等(2004)FLAC-TOUGH 模型对类似问题处理的影响。最后,Taron 等(2009)使 用耦合的 FLAC3D 和 TOUGHREACT, 利用固定的 CM 耦合关系处理岩石裂隙问题, 用于研究热干岩 地热能量提取利用的 THMC 耦合现象。 尽管 FLAC-TOUGH 在很大范围内的地质科学和工程问题中应用广泛,在现有的 FLAC-TOUGH 的模拟中一个美中不足是这个耦合软件只能在 Windows 平台应用 (因为 FLAC3D 只能在 Windows 平台应用) ,这就阻止我们利用现有的强大的 Unix 群对大规模的并行问题进行处理。因此, 在 TOUGH 系列代码中用于捕捉地质力学的其他的选项,包括使用岩土力学研究代码全面进入 源程序代码中,在不久的将来可以实现。这个工作也同时包括对 TOUGHREACT 的耦合,同时可 能在未来 TOUGH+发展的框架内。更多的是,未来的工作会把重点放在各种渗透率范围内由多 孔弹性和热应力引起的直接和孔体系耦合的算法上。然而,因为 FLAC3D 是一个不断改进和用 于实践应用的商业代码,FLAC-TOUGH 可能仍将作为一个一般的实际应用的方法。其使用者的 数目在不断增加,特别是在先进的多相流体分析中有很大的需求,这些研究问题主要是涉及 复杂的、非线性的或随时间变化的结构特征岩土力学问题。 鸣谢: 本文完成,资金由化石能源办公室的天然气和石油局局长资助。技术通过国家能源技术实 验室,和能源效率和可再生能源的助理秘书长能源,地热技术项目,美国能源部根据美国能 源部的能源合同没有。 DE-AC02-05CH11231。惠海柳和编辑审查的技术审查 由丹·霍克斯在劳伦斯伯克利国家实验室是极大的赞赏。我想感谢我的合作者(其中大部分

被引论文的合著者)所作出的贡献的发展和应用 TOUGH-FLAC,尤其是的乔治 Moridis 和玉蜀 吴在劳伦斯伯克利国家实验室,以及爱德华 Dzik 和 Christine Detournay ITASCA 明尼阿波 利斯。我也想感谢金福曾在劳伦斯伯克利国家实验室他最初的鼓励和促进 TOUGH-FLAC, 的方法,已经比我最初以为的更加有用。


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