流体(水、石油、气/汽等)和固体(岩石、土等)的相互作用问题广泛存在于众多地下工程(如矿山、交通、水利水电等)应用中,受工程地质和水文地质条件、流体和岩体力学性质以及工程扰动条件等复杂因素的影响,会产生不同的工程灾害或工程难题。作为一种非均质的多孔介质,岩石的微观孔隙特征决定了其力学性能、热力学性能以及内部流体的输运特性,是开展岩石热—流—固耦合细观机理研究的基础。以孔隙尺度模型为基础,研究岩石在热—流—固三场耦合条件下孔隙结构的演化规律以及对其中流体输运特性的影响,对诸多工程实践具有重要的理论意义和应用价值。本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,基于渗流力学、岩石力学、图形图像学和计算力学的多学科交叉理论,通过宏观与微观研究的相互渗透,围绕岩石微尺度模型重建、孔隙微流体输运方程改进、微尺度模型渗透率预测、油水驱替规律以及温度和应力对水驱油效果的影响等问题,开展了岩石热—流—固细观耦合机理及孔隙结构变化对油田开发过程的影响研究,为直观描述和定量分析油田开发过程中岩体温度及应力变化对储层渗流规律的影响提供理论支撑与解决方案。主要研究内容和成果如下：①利用蔡司Xradia MICROXCT-400成像设备开展了岩芯CT成像的实验研究。基于典型岩芯的CT图像,分析了不同图像分割方法对模型孔隙度的影响,以三维岩芯微观图像为基础,研究了采用Matlab软件提取岩样孔隙度及孔径分布的统计计算方法,为后续岩芯微尺度模型重建提供了图像数据。②针对当前多数商业软件采用的Navior-Stokes方程不能准确描述岩石孔隙微尺度流动过程的缺陷,基于微流边界层理论,分析了微流道中流体分子和固体分子间的相互作用力,给出了孔隙流体的黏性系数表达式。研究表明,毛细管流体实验出口流量低于Navior-Stokes方程计算得到的理论值；采用修正后的数学模型,模拟结果与实验结果较好吻合,验证了修正模型的准确性。以该模型为基础,通过合理设置模型润湿角和微流边界层系数的大小和分布区间,再现了因固体壁面处矿物组分的非均质性造成的微流边界层系数和润湿性的非均质性。③针对微观水驱油渗流实验存在的制备过程复杂、耗时较长、出口两相流体的实时计量不准确等问题,借鉴二维玻璃平板微观渗流实验,提出了基于二维图形轮廓线的微尺度模型重建方法。将该模型应用于二维水驱油的数值模拟研究,模拟结果与室内实验结果的较好匹配验证了重建方法的有效性。在此基础上,研究了水驱过程中油水相对渗透率的变化规律、残余油的形成和分布规律,分析了C02微观驱油的过程与特点。④针对等效孔隙网络模型原算法易导致不合理高配位数的缺陷,利用Amira软件的距离排序同伦细化算法,优化了中轴线的搜索过程以及孔隙和喉道的分割方法。以该方法为基础,得到了参数化的岩芯三维等效孔隙网络模型,获得了岩芯孔径分布、孔隙配位数分布及孔喉形状因子等一系列关键参数。采用英国帝国理工大学开发的两相流程序获取了与实验结果较好吻合的绝对渗透率数据和毛细管力曲线,预测了不同润湿性条件下岩样的毛管力及相对渗透率的变化规律,分析了等效孔隙网络模型在拓扑结构及两相驱替过程预测上的不足。⑤针对等效孔隙网络模型拓扑结构与真实岩芯差异较大、水驱油结果不合理的缺陷,结合岩芯微观CT图像提出了基于Mimics和ICEM软件的非结构化网格模型构建方法。该模型的网格质量满足有限元软件分析的最低要求,实现了岩石骨架与流体场耦合边界网格的完美装配,再现了岩样原始微观CT图像的复杂结构特征。利用非结构化网格模型预测了不同方向上的渗透率数据,通过与原始实验结果的对比分析验证了建模方法的有效性。以此为基础,开展了微观尺度水驱油过程的数值模拟,再现了驱替过程中油水的驱替规律及残余油的分布规律,研究了油水相对渗透率的变化规律。通过单相流—固耦合的数值模拟,分析了应力作用下岩石孔隙结构特征的动态演化规律,研究了模型渗透率随围压、孔隙压力的变化特征。⑥针对非结构化网格模型不能真实再现孔隙原始结构特征、网格质量差的不足,提出了基于Matlab软件的结构化网格建模方法。通过减小图像分辨率优化了模型的网格数目,开展了单相渗流、水驱油两相渗流的数值模拟研究,通过与室内实验结果的对比分析,验证了该建模方法的可靠性。开展了等效孔隙网络模型、非结构化网格模型和结构化网格模型的对比分析研究,研究表明结构化网格模型完美再现了岩样微CT图像所呈现的拓扑结构,且网格质量较高,数值模拟结果与实验结果的吻合程度高于其他两类模型,但网格数目相对较多,计算工作量大。⑦微尺度模型和力学参数是进行非均质岩石微尺度变形机理研究的基础。基于砂岩微米级CT图像构建的岩石骨架结构化有限元模型,以被测岩样的微米压痕实验结果作为输入参数,开展了单轴压缩条件下岩石变形的数值模拟研究。结果表明,微米压痕实验测得的弹性模量均值高于单轴压缩实验,且二者的差值随孔隙度的增大而增大；综合考虑砂岩微结构与微尺度力学参数,模型整体弹性模量与单轴压缩实验结果较好吻合,表明岩石微米压痕实验的结果可以很好地适用于微米级别的岩石力学参数。采用数值模拟再现了微米压痕实验的加卸载过程,通过与压痕实验曲线的对比分析预测了微米尺度下岩石的屈服强度,为岩石热—流—固三场耦合研究提供基础力学参数。⑧以岩石结构化孔隙网格模型和微米级力学参数为基础,研究了油田注水开发过程中的水驱油机理,分析了油水界面张力系数、驱替液黏度、注入速率以及模型润湿性对水驱油过程的影响,优化了注水开发过程中的注入液参数。在此基础上,研究了热—流—固三场耦合作用下岩芯孔隙度及渗透率的变化规律,分析了应力和温度对模型水驱油效果的影响。