2024年4月9日发(作者：声卡什么牌子的音质比较好)

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FLAC

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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CO

2

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CO

2

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FALC

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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FLAC

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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FLAC

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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、CO

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隔离、地热能量提取、伴随地表变形的自然生成的CO

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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FLAC

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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FLAC

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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