力学所在裂缝孔隙介质流固耦合模型及其间断连续伽辽金方法研究取得进展

地下储集层是一种典型的多孔介质，一般发育孔隙和裂缝等 多种形态的储渗空间，且不同储集层的储渗空间形态不尽相同。 与基质孔隙相比，储层中裂缝表现出不同的水力特征决定了裂缝 是优先流动路径。由于空间尺度和岩石特性呈现出显著的多尺度 特征，流体在裂缝孔隙介质储层中的模拟一直是一项极具挑战性 的难题。在离散裂缝孔隙介质中，耦合流动和固体变形与多种地 质应用密切相关。深入研究裂缝孔隙介质中多相流动和固体变形 的特性对于认识地下资源开发和利用具有重要的理论和现实意义。

　　近年来，中国科学院力学研究所流固耦合系统力学实验室“深 部资源与环境力学”研究团队与英国帝国理工学院、丹麦科技大 学和中国地质科学院等单位在裂缝孔隙介质流固耦合理论和模型 方面开展了相关研究， 采用了间断伽辽金（ Discontinuous Galerkin，DG）和连续伽辽金（Continuous Galerkin，CG）混合 有限元方法将流体和固体方程进行了离散化处理，提出了裂缝孔 隙介质全耦合的两相渗流和固体变形模型，研究了裂隙孔隙介质 中的多物理场耦合行为，形成了裂缝孔隙介质流固耦合模拟方法。 研究表明，模型能够准确描述高渗裂缝和低渗屏障对流体运移路径和固体变形特性的影响，同时也能够捕捉裂缝周围流体场、应 力场和位移场信息。由于裂缝和周围基质的力学特性不同，模拟 结果表明裂缝两侧的位移和应力是不连续的。虽然在低渗屏障的 情况下会出现裂缝上的压力跃变，但高渗裂缝的压力变化相当平 滑。研究工作有助于为更好地理解裂缝孔隙介质的流固耦合行为 奠定了坚实的理论基础。

图 1  高渗裂缝和低渗屏障对不同时刻流体压力分布特征的影响

图 2  高渗裂缝和低渗屏障对不同时刻应力分布特征的影响

图 3  高渗裂缝和低渗屏障对流体压力和有效应力变化的线分布特征的影响

　　相关研究成果以“Fully coupled hydro-mechanical modeling of two-phase flow in deformable fractured porous media with discontinuous and continuous Galerkin method”为题发表在 国际著名计算与岩土力学期刊 Computers and Geotechnics（2023, 164: 105823，一类期刊），丹麦科技大学马天然研究员为论文第 一作者，力学所沈伟军副研究员为论文通讯作者，论文合作者来 自英国帝国理工学院、丹麦科技大学和中国地质科学院等单位。 研究工作得到了国家自然科学基金（No. 12202483, 12172362, 42002255 和 42372286），中石油创新基金（2021DQ02-0204）和 中国科学院青促会人才项目（No. 2023024）等资助。