关键词:
应力
分形几何理论
热传导
多孔岩石
有效热导率
摘要:
在地球科学领域,尤其是地热资源开发方面,热质输运机理已成为国内外研究的热点课题之一,但现有研究往往忽视了应力对岩石有效热导率的影响。本论文基于分形几何理论、岩石力学和热力学的基本原理,系统地研究了在应力作用下裂缝型和孔隙型多孔岩石的热输运特性,建立了有效热导率的分形理论模型,并分析了多孔岩石几何结构参数和岩石物理属性在应力作用下对热输运的影响机理,研究内容如下:
(1)在应力作用下,裂缝型多孔岩石有效热导率的模型构建:根据岩石裂缝的自相似特性,本论文构建了具有矩形截面的树状分叉网络模型来表征裂缝型多孔岩石;接着,基于应力-应变关系,我们推导了应力作用下总孔隙率与应力之间的定量关系;然后利用傅里叶定律,研究了应力作用下矩形截面树状分叉裂缝网络的热传导过程,并获得了裂缝型多孔岩石有效热导率与应力、孔隙率、软部与硬部比例以及裂缝网络几何结构参数之间的解析表达式。本论文将模型预测结果与实验数据进行对比,吻合较好,研究结果表明裂缝网络软部孔隙对岩石有效热导率具有重要影响。
(2)在应力作用下,孔隙型多孔岩石有效热导率的模型构建:通过分析应力作用下孔隙截面变化,我们构建了具有可调节纵横比的椭圆截面毛细管束分形模型,该模型能够精确描述不同应力作用下孔隙型多孔岩石中孔隙截面的形变过程。基于岩石力学理论,推导了椭圆截面长轴与有效应力之间的定量关系,并根据傅里叶定律获得了应力作用下多孔岩石有效热导率的表达式。本论文将模型与实验数据进行对比,验证结果良好。通过参数分析,发现有效热导率与多孔岩石的初始分形维数、初始纵横比、初始孔隙率、杨氏模量及泊松比密切相关,其中杨氏模量对有效热导率的影响最大且呈负相关关系。此外,本论文还表明应力对多孔岩石热导率具有显著影响。
本论文分别构建了表征裂缝型和孔隙型岩石的分形理论模型,定量揭示了应力作用下多孔岩石有效热导率与模型几何结构参数及岩石物性参数之间的解析关系,该模型不包含任何经验常数,且每个参数均具有明确的物理意义,为复杂地质环境下多孔介质热输运特性研究提供了重要的理论支撑,对地热资源开发、油气储层评价及岩土工程实践具有重要的科学指导意义。