煤田地质与勘探

作者：朱寅斌, 廖震, 李长冬, 刘洪斌, 姜茜慧,

关键词：岩石单裂隙, 各向异性, 非达西流动, 数值模拟, 渗流试验,

目的研究岩石粗糙单裂隙中发生的流体流动行为是全面了解裂隙网络渗流特性的基础。方法基于分形理论生成人工合成岩石裂隙，采用COMSOL Multiphysics软件开展渗流数值模拟研究；利用3D打印技术制备与数值模型具有相同几何特征的裂隙试样，并结合自主搭建的渗流实验装置开展一系列不同注入流量下的渗流试验，研究了不同注入方向对三维粗糙单裂隙非达西流动微观和宏观流动行为的影响。结果和结论结果表明：(1)不同注入方向条件下岩石裂隙表面粗糙度的差异会显著影响裂隙的渗流特性，在表面粗糙度更大的方向上流体流动阻力、流动路径迂曲度和非达西效应更大。(2)裂隙中涡旋区发育程度与表面粗糙度呈正相关，在表面粗糙度更大的注入方向上涡旋区的发育程度比表面粗糙度较小的注入方向上涡旋区发育程度更高。(3) Forchheimer方程在描述裂隙中的非达西流动时不能适用于整个雷诺数范围，只有在非达西流动充分发生时才能有足够的准确性。(4)裂隙表面粗糙度各向异性程度越大则裂隙在粗糙度更大的方向上越容易发生非达西流动，两个注入方向上的流动行为差异也越明显。(5)基于三维裂隙渗流模拟研究建立了裂隙临界雷诺数与表面粗糙度各向异性因子以及平均开度的定量化表征模型，并通过开展渗流试验验证了所建立模型的有效性。研究成果可为更全面研究粗糙裂隙中非达西流动行为的各向异性提供借鉴。

来源：2025年第2期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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