[發明專利]一種化學反應作用下多孔介質的水壓升降判別模型及方法

有效

• 申請號: 202010300589.2
• 申請日: 2020-04-16
• 公開（公告）號: CN111458273B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 魯功達;丁培培;李西龍;張發源;張露;戚順超;周家文
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N25/00;G01N33/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 劉妮

1.一種化學反應作用下多孔介質的水壓升降判別模型，其特征在于，該水壓升降判別模型為：

式(Ⅰ)中，E₀為充填體的限制模量，E₀＝3K_d(1–v)/(1+v)，v為充填體的泊松比；K_d為充填體的固體骨架的體積模量；ε_shf和Q_f分別為化學反應完成時的總的水體積變化和能量變化；n為充填體的孔隙度；ρ_s和ρ_w分別為充填體中固體顆粒的密度和水的密度；C_s和C_w分別為充填體中固體顆粒的比熱容和水的比熱容；β_s和β_w分別為充填體中固體的熱膨脹系數和水的熱膨脹系數；α為充填體的比奧系數，α＝1–(K_d/K_s)，K_s為充填體中固體顆粒的體積模量；f(T)表示水壓升降判別因子；

其中，所述β_w是溫度的函數，為：

式(1)中，T是充填體的絕對溫度；

該水壓升降判別模型用于監測在化學反應作用下多孔介質的水壓變化。

2.一種化學反應作用下多孔介質水壓變化的分析方法，其特征在于，該方法包含：在不排水的絕熱環境中，采用如權利要求1所述的水壓升降判別模型分析化學反應將造成的水壓變化。

3.一種如權利要求1所述的水壓升降判別模型的構建方法，其特征在于，該方法包含：

(S100)基于一維條件下多孔介質的熱固結控制模型，結合充填體的總水壓和豎直方向的應變率，獲得充填體超孔隙水壓力演化的控制模型，為：

其中，K_w為水的體積模量，u為超孔隙水壓力，t為時間，z為深度，γ_w為水的重度，γ’為固體顆粒的有效重度，m為充填速率，K為充填體的滲透系數，為化學反應造成的水體積變化率，p_w為充填體的水壓；

(S200)對于已經充填完成的充填體單元，m＝0且在忽略充填體中的滲流的情況下，得到充填體無滲流超孔隙水壓控制模型，為：

(S300)基于充填體無滲流超孔隙水壓控制模型，結合在多孔介質中無熱傳導和熱對流的情況下的能量守恒模型，得到：

其中，在多孔介質中無熱傳導和熱對流的情況下，所述多孔介質的能量守恒模型為：

式(7)和(8)中，為化學反應釋放或消耗熱量的速率；

(S400)考慮到化學反應導致的水體積和能量的變化是同步的，將式(7)變換為：

式(9)中，為化學反應速率；

(S500)根據式(9)，在不排水的絕熱環境中化學反應將造成水壓的上升或下降，水壓升降判別模型為：

4.根據權利要求3所述的水壓升降判別模型的構建方法，其特征在于，在步驟(S100)中，一維條件下所述多孔介質的熱固結控制模型，為：

式(3)中，K_w為水的體積模量，p_w為充填體的水壓，ε_z為充填體的豎向應變，K為充填體的滲透系數，為化學反應造成的水體積變化率。

5.根據權利要求3所述的水壓升降判別模型的構建方法，其特征在于，在步驟(S100)中，所述充填體的總水壓為超孔隙水壓力u和靜水壓力之和，為：

p_w＝u+γ_w(mt-z) (4)

式(4)中，γ_w為水的重度，γ_w＝ρ_w·g，g為重力加速度；

其中，所述充填體在豎直方向的應變率為：