页岩气储层微观渗流机理研究

页岩气储层孔隙结构复杂,纳米孔隙所占比例大,而纳米孔内部气体流动机理不同于宏观流体流动,因此认识页岩气在纳米孔隙中的流动机理对页岩气的高效开采具有重要的科学意义.页岩气开采过程中,纳米孔的吸附解吸、应力敏感效应及滑脱效应使渗透率发生显著变化.为此,基于毛细管模型耦合考虑吸附变形修正应力应变的渗透率模型,在此基础上,考虑滑脱效应影响,建立页岩表观渗透率模型来描述气体流动.通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对表观渗透率的影响进行讨论.研究结果表明,新建页岩表观渗透率模型能够合理地描述页岩气真实储层条件下气体的流动,考虑了吸附变形、应力敏感及应力变化下纳米孔气体滑脱效应等微观机理.在围压恒定条件下,新建模型计算出的曲线均与实测值吻合较好;随孔隙压力升高,页岩表观渗透率呈指数函数降低.两种气体的表观渗透率随平均分子自由程的增大而增大;孔径越大,在压力区间内渗透率越高,且随孔隙压力升高,渗透率逐渐降低.页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量增大会导致在其压力阶段内有较高的渗透率;在孔隙压力升高过程中,裂隙压缩系数越小,渗透率越高;随温度的升高,页岩表观渗透率呈上升趋势.所建模型能为页岩气生产动态分析、产能预测和生产制度制订提供指导.     

基于XFEM的拱坝裂缝变形监控混合模型

鉴于扩展有限元可以快速建立不同扩展情况下的裂缝变形测点监控混合模型,不需要进行不连续面局部网格重划分,因此,本文利用基于黏聚性裂缝模型并考虑裂尖加强的扩展有限元法模拟裂缝的扩展过程,建立了混凝土拱坝黏聚裂缝的断裂模型,通过分析荷载变化和裂缝变形的关系,建立了裂缝开度监控混合模型.工程实例分析表明,基于扩展有限元的裂缝变形监控混合模型的计算值和实测值较为一致,比统计模型拟合结果更好,且可用于预测变形的发展趋势.本文的创新处在于首次将基于黏聚性裂缝模型的扩展有限元法引入大坝安全监测,并对结合黏聚性裂缝模型的扩展有限元法增加了裂尖加强以提高拟合精度.     

水力-机械系统特性分析中管道水体弹性模型研究综述

综述国内外在水力-机械系统特性分析中常用的基于泰勒展开的多种形式压力管道内水体的弹性模型，以及近几年研究的最新进展。针对具体算例，结合压力管道内水体的精确模型分析其他各模型的特点和应用条件。分析表明，基于变分理论和Ritz-Galerkin近似法得到的压力管道内水体的弹性模型形式易于解耦、便于应用，能够直观地描述压力管道内水体的高阶水力特性。提出有待进一步研究和分析的主要问题。     

基于模拟有限差分的嵌入式离散裂缝数学模型

嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而能够提高计算效率.并且该模型可以将现有成熟的油藏数值模拟技术和离散裂缝网络模型有机地结合起来,能精细地模拟流体在裂缝性油藏中的流动.本文模型求解采用模拟有限差分方法,该方法基于单个网格的节点和面信息构造数值计算格式,理论上适用于任何复杂网格系统,且具有良好的局部守恒性,将其推广到嵌入式离散裂缝模型后,克服了该模型基于有限差分方法求解时不能有效处理全张量形式的渗透率以及不适用于复杂边界形状裂缝性油藏的局限性.最后通过实际算例验证了本文方法的正确性和优越性.     

考虑孔隙压密的岩石非线性变形行为计算分析

含孔隙裂隙岩石的非线性变形对分析岩体工程中的力学响应和安全评价具有重要意义.需要考虑岩石的孔隙性建立能够反映岩石变形非线性特性的本构模型.本文首先分析了岩石非线性变形的力学机理,将岩石的全应力应变曲线分成两段.然后对两段分别建立本构关系:在压密闭合阶段,提出压密因子的概念,以表征孔隙率变化对岩石变形特性的影响;除压密闭合阶段外的另一阶段,基于损伤理论,采用岩石细观单元本构模型来描述,以最大拉应变准则和摩尔-库仑准则作为损伤判断准则.借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics,通过MATLAB编程实现对该模型的数值求解.为验证模型的正确性,将数值模拟得到的结果与试验数据进行对比.最后,对6种孔隙率不同但岩石基质相同的岩石进行了单轴压缩破坏过程数值模拟.研究结果表明:运用提出的压密因子所建立的本构模型可以很好地模拟岩石的压密闭合阶段的非线性,对同种岩石孔隙率越大单轴抗压强度越小,随孔隙被压密弹性模量越来越大.     

圆柱形粗糙表面的弹塑性分形接触模型

基于分形理论建立了圆柱形粗糙表面力学模型,采用W-M函数模拟了与分形维数D,形貌尺度参数G有关的圆柱形粗糙表面的等效轮廓.推导了单个微凸体弹性、弹塑性以及塑性变形的存在条件,得到了圆柱形粗糙表面均分份数与微凸体尺度的变化关系.对传统的微凸体面积密度分布函数进行改进,获得各频率指数微凸体的面积密度分布函数,最终得到整个圆柱形粗糙表面的无量纲接触载荷与无量纲真实接触面积之间的关系.研究结果表明:粗糙表面中微凸体的临界接触面积是尺度相关的,微凸体的变形顺序为弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形.圆柱形粗糙表面的力学性能与微凸体的分布范围相关.当前6个频率指数的微凸体小于等于临界弹性频率指数,粗糙表面表现出近似的弹性性质,当前6个频率指数的微凸体处于临界弹性频率指数和临界塑性频率指数之间,粗糙表面表现出先弹性后弹塑性的性质.当前6个频率指数的微凸体大于临界塑性频率指数,粗糙表面呈现非弹性变形性质.     

顺煤层水力割缝抽采煤层瓦斯渗流规律数值模拟

为得到顺煤层水力割缝抽采瓦斯渗流规律以及预测水力割缝后瓦斯气体抽采量，结合渗流力学和弹塑性力学理论，建立了水力割缝抽采煤层瓦斯的固流耦合数学模型，同时给出了相应初始条件及边界条件。利用Madab计算得到顺煤层水力割缝后煤体应力场、瓦斯压力场以及瓦斯抽采量变化规律。数值模拟结果显示：水力割缝后，煤体有效体积应力得到释放；沿割缝方向储层卸压效果明显；煤层内裂隙、裂缝数量增加，长度和张开度增大；煤体渗透性能增强；煤层气抽采量较普通钻孔有较大幅度的提高。模拟结果显示了顺煤层水力割缝抽采煤层气的优势。此模拟方法对煤层气增产工业中确定水力割缝工艺参数以及预测瓦斯产量具有重要的指导意义。     

水平井多簇压裂裂缝的竞争扩展与控制

针对水平井多簇压裂多裂缝竞争扩展问题,通过近似解显式求解了多裂缝扩展时的应力干扰作用,建立了水平井多簇射孔裂缝扩展模型.模型采用了近似方法,在保证一定精度的基础上,简化了计算工作量,并通过隐式水平集算法验证了方法的可靠性.基于该模型,对不同射孔工艺条件下各簇裂缝缝长、缝宽与进液量进行了数值模拟.结果表明:射孔摩阻和多裂缝应力干扰作用共同决定各簇裂缝流量分配.多簇裂缝同步扩展时,中间簇裂缝由于受到外侧裂缝的挤压作用,进液量、缝长和缝宽均小于外侧裂缝.缝间距增大会削弱中间簇裂缝流量、宽度和缝长减小的趋势.通过减少每簇射孔数量、射孔直径或者采用非均匀射孔的方式,可以促进各簇裂缝均衡进液与延伸.该研究为多裂缝展布形态优化与控制方法提供了理论依据与参考方法.     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

致密气藏裂缝岩心渗透率非稳态测试理论研究

准确评价致密气藏裂缝和基质系统渗透率对评价其可采储量和产能等方面具有重要意义.基于致密气藏裂缝岩心非稳态测试流动特征和物理模型,建立了裂缝岩心非稳态测试流动数学模型,采用Laplace变换和Stehfest数值反演,得到了上游和下游腔室的无因次拟压力解和特征曲线,分析了不同参数对无因次拟压力特征曲线的影响.结果表明,裂缝岩心的非稳态渗流可划分为3个阶段:裂缝渗流阶段、基质渗流阶段和系统平衡阶段.在裂缝渗流阶段,裂缝渗透率越大,持续时间越短;裂缝孔隙度对该渗流阶段基本没有影响.在基质渗流阶段,基质渗透率越小,达到平衡所需时间越长;基质孔隙度越小,平衡系统压力越大.本文研究为评价致密气藏裂缝岩心属性提供一种评价方法.     

页岩气复杂孔裂隙真实气体传输机理和数学模型

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考虑了截面类型(圆形和矩形)和形状对气体传输的影响.用公开发表的分子模拟数据验证模型.结果表明:(1)本文模型能够合理地描述页岩气复杂孔裂隙气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;(2)页岩气孔裂隙截面类型和形状影响气体传输能力,相同截面面积,圆形截面孔裂隙气体传输能力大于矩形截面孔裂隙气体传输能力,矩形截面孔裂隙气体传输能力随纵横比增大而减小;与截面类型相比,截面形状对气体传输能力的影响更大;(3)真实气体效应提高了气体传输能力,且这种影响随压力增大而增大,随孔裂隙尺度减小而增大;(4)与圆形截面相比,真实气体效应对矩形截面气体传导率影响更大,且随矩形截面纵横比增大而增大.本文模型能为页岩气准确数值模拟奠定一些理论基础.     

摩擦阻力对水蒸气超音速流动自发凝结的影响

建立了一维有摩擦损失条件下的喷管内水蒸气超音速流动自发凝结数学模型，对水蒸气在喷管内的超音速流动自发凝结过程进行了数值计算，结果表明，模拟结果与相关文献实验结果基本一致．利用上述数值模型系统研究了摩擦阻力对水蒸气超音速流动自发凝结的影响，结果发现摩擦阻力的大小对喷管内水蒸气超音速流动自发凝结参数有着直接影响，在喷管设计过程中，准确考虑流动阻力的影响对于保证喷管的工作性能是重要的．     

气体吸附对页岩裂缝表观渗透率和页岩气采收率的影响

页岩气以及无水压裂技术采用的二氧化碳都可使页岩发生吸附变形,影响其裂缝表观渗透率,同时表观渗透率还受到有效应力和流体流态的影响.页岩气渗流过程中多种物理场相互耦合使得吸附应变对表观渗透率的影响不易被分析,常被忽略.本文基于多孔弹性理论和页岩吸附变形的特点,建立了适用于多种边界条件的页岩裂缝表观渗透率模型,提出了分析吸附变形对表观渗透率影响的方案,并分析了一组富有机质页岩样品中吸附应变对其表观渗透率的影响,最终结合页岩气多尺度渗流模型分析了吸附变形对页岩气采收率的影响.研究结果表明:采用不同边界条件和气体测量页岩表观渗透率时,其主控机理并不相同;基于此特点,结合"固定围压"和"固定孔隙压力"条件下的非吸附性气体和吸附性气体测量所得的页岩表观渗透率数据,可以确定内部吸附变形对表观渗透率有较大影响,不可忽略;此外,相较于内部吸附变形,气体吸附引起的页岩整体变形对表观渗透率和页岩气采收率有更大影响.     

致密砂岩气水相对渗透率模型

致密砂岩富含微米级孔隙,其气、水两相流动复杂,如何建立可靠的相对渗透率模型是目前亟待解决的问题.基于流体单管流动方程耦合二阶滑移模型,结合分形理论,建立了致密砂岩储层气、水相对渗透率模型,该模型考虑了气体滑脱效应、孔喉结构参数、含水饱和度分布,模型的可靠性通过多个已发表的气水相对渗透率实验数据验证.结果表明:1)建立的模型可用以描述致密砂岩储层微米尺度孔隙中的流体流动行为; 2)压力和含水饱和度增加都会减小滑脱效应对气相相对渗透率的提高作用,当压力小于1 MPa时,气相相对渗透率对压力极为敏感;温度对气相相对渗透的影响有限,可忽略; 3)孔径分布分形维数和孔隙迂曲度分形维数增加,有利于气相相对渗透率的提高,但会降低水相相对渗透率,且孔径分布分形维数的影响更大.     

混凝土强度等级对全珊瑚海水钢筋混凝土梁抗剪性能的影响

通过对全珊瑚海水钢筋混凝土梁(coral aggregate reinforced concrete beam, CARCB)和普通钢筋混凝土梁(ordinary aggregate reinforced concrete beam, OARCB)进行斜截面抗剪性能试验,研究了混凝土强度等级对CARCB的裂缝发展、破坏形态、跨中变形及抗剪承载能力的影响,建立了弯矩-跨中挠度、挠度-梁长、荷载-最大裂缝宽度的关系,探讨了CARCB抗剪承载力(Vcs)的计算模型.结果表明:随着混凝土强度等级的提高, CARCB正截面开裂荷载(Vcr)、斜截面Vcr和Vcs均逐渐增大.不同混凝土强度等级的CARCB,其裂缝宽度均随着荷载的增大而增长,加载初期,在梁跨中附近出现正截面弯曲裂缝,裂缝宽度开展非常缓慢,随着荷载的增加,在支座向集中力作用点处出现斜裂缝,斜裂缝宽度迅速增大,最终导致梁破坏.在C60的CARCB中采用有机新涂层钢筋能有效抑制钢筋锈蚀.最后,综合考虑箍筋锈蚀和高强珊瑚混凝土(coral aggregate concrete, CAC)的影响,提出了更加合理的CARCB抗剪承载力计算模型.     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

二氧化碳埋存对地层岩石影响的室内研究

利用XRD,SEM,三轴岩石实验系统及岩心驱替实验装置研究了二氧化碳溶蚀对储层岩石矿物组分、孔隙结构及力学性能的影响.结果表明,在一定条件下,二氧化碳对岩石的溶蚀主要受岩石的结构和构造、流体组成及外部动力条件的影响,即具有层理构造的岩心,其层理面是优先溶蚀区域,应力变化时这些部位微裂纹的产生及扩展的几率最大,主应力也有一定的控制作用;在稳定水体环境控制的块状构造的岩心中,CO2的溶蚀导致岩心孔隙变大,并产生次生孔隙;裂缝的形成受溶蚀、流动方向及应力的共同控制.在二氧化碳水溶液注入过程中,出口端气体流速有一个突然大幅度增加的过程,表明流动过程中发生的溶蚀作用产生了2种变化:(1)岩石微裂缝的产生及闭合;(2)岩石颗粒的运移.静态溶蚀实验表明,随着溶蚀时间的增加,岩石的抗拉强度及抗压强度均下降,证实了胶结强度的明显下降.渗透率的增加及微裂纹(或裂缝)的产生造成封存的效果变差,从而影响了封存的效果.     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

阶梯溢流坝水流数值模拟及特性分析

针对Mixture模型,考察了Realizable k-ε模型,SSTk-ω模型,v2-f模型,LES模型等4种湍流模型对阶梯溢流坝水流数值模拟的适用性.通过对非掺气区域坝面平均流速、旋度大小、边界层厚度的计算,并与实验结果进行分析比较,结果表明：Realizable k-ε模型考虑了流体微团的旋转效应,提高了对较大曲率流动、旋流流动和涡旋运动的计算精度,对阶梯溢流坝有很好的适用性.以Realizable k-ε模型计算结果为基础,进一步分析了边界层内的速度分布、阶梯面压力分布等坝面水流特性.     

一种表征煤储层压力与流体饱和度关系的数学模型

目前,针对生产过程中煤储层内部气、水两相渗流的研究尚薄弱,已建立的煤层气产能预测模型或产能分析方法中,一部分假设煤储层内部为单相渗流即单相水或单相气,一部分忽略流体饱和度和压力变化梯度,另一部分通过物质平衡方程建立平均地层压力与平均含水饱和度间关系,进而研究储层饱和度分布对气井产能的影响,但平均含水饱和度无法表征储层内部的饱和度分布.故现有模型均未考虑储层流体饱和度分布特征对气井产能的影响,导致现有产能模型预测值与实际煤层气井产出动态始终存在较大误差.鉴于此,根据气、水两相渗流微分方程,考虑应力敏感、基质收缩与气体解吸效应,建立了一种能够表征煤储层压力与流体饱和度间关系的数学模型.结合气、水两相相渗曲线与各生产时刻的储层压力分布曲线,提出迭代算法求解该模型,得到各生产时刻的流体饱和度分布规律.该模型的可靠性通过与商业数值模拟软件结果对比得到验证.该模型的提出填补了目前煤层气开发理论的空白,有助于准确计算气、水两相拟压力,为煤层气藏产能的准确预测奠定理论基础.