TOUGH-FLAC 模拟现状 - 图文

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，将FLAC3D和TOUGH2代码连接起来同样相应的功能。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FLACTHM耦合模拟过程

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在图1中，TOUGH+和FLAC

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的数据交换通过带箭头的图表与中心位置THM模型转换。图1

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KrA和KrG及毛细压力P。当前，毛c）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。