页岩气储层改造的体破裂理论与技术构想

中国页岩气可采储量居世界第一位,但是中国页岩气开发面临气藏赋存条件复杂、地质构造运动剧烈、储层渗透性极低、气藏富集区水资源匮乏等一系列难题,迫切需要创新页岩储层改造的理论和方法,探索适合中国页岩气高效开发的非常规理论与技术.本文简要分析了目前储层压裂改造的主要方法、原理及面临的难题和挑战,提出了储层改造的体破裂理论及技术构想.定义体破裂是三维岩体在载荷作用下,内部孔隙、层理裂隙及人工裂隙互相作用、充分发展和贯穿、并形成新的三维裂隙网络系统这一完整力学过程,是岩体大尺度、多裂隙、高强度的破坏和能量释放的过程.指出页岩三维断裂形态和扩展机理、人工裂隙与结构裂隙相互作用、缝网形态和演化、实现高度体破裂的载荷类型、方式与介质以及真实三维断裂过程的可视化与计算模拟新技术等构建了体破裂力学理论的研究框架.基于早期实验室以及现场实验的探索,提出和分析了实现体破裂的新技术及有待研究的关键科学问题和技术难点.     

封面说明

<正>矿山岩体介质深埋于地下,传统的现场探测技术与实验方法难以准确地获知与直观表征地下开采引发的岩体介质内部孔/裂隙结构演化、应力重分布、流体渗流等"看不见、摸不着"的物理力学过程.数值模拟具有直观、定量、可重复、可预测和低成本等优势,成为解决上述难题的有力工具,但由于模型相似性、材料属性确定、特别是模拟结果难以验证等问题,岩体力学行为数值分析存     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

高超声速空气动力学研究进展与趋势

高超声速空气动力学是空气动力学研究的前沿,它随着现代高超声速飞行器的发展需求而发展.未来高超声速空气动力学的发展趋势可大致概括为:重视物理建模、预测的精细化;重视实用的高性能计算、海量信息的提取和理解;重视飞行器与流动的非定常、非线性的耦合运动及控制研究;重视多目标/多学科优化设计、发展新的交缘学科.建议学科重点发展方向为:高温气体、化学非平衡效应与材料耦合响应的物理建模;临近空间飞行器跨流域复杂非平衡绕流问题的数值模拟;高速飞行器动稳定性与控制;实用高性能计算方法与海量信息的提取;气动数据不确定度与多目标优化;多物理场耦合、多尺度数值模拟方法.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

纳米结构金属晶界塑性机理的原子尺度模拟研究进展

纳米结构金属中富含晶界,对材料微观结构演化与宏观力学性能调控具有重要意义.厘清纳米结构金属晶界塑性变形的原子尺度机理,将之与材料宏观力学行为相联系,是纳米结构金属力学研究关注的核心问题.近年来,我们围绕晶界塑性变形机制及其影响因素,采用原子尺度模拟方法,探究了晶界诱导孪生与界面宏微观自由度的关联规律,揭示了晶界位错往复滑移主导的纳米晶体循环塑性机制,提出了孪晶界滑移诱导纳米晶体极端剪切变形,发展了取向依赖的晶界迁移和滑移转变模型,为纳米结构金属晶界行为预测与调控提供了新思路.本文梳理了晶界塑性原子尺度模拟的研究现状,总结了本团队从原子尺度探究晶界塑性变形机理的相关进展,指出了纳米结构金属晶界调控理论与力学表征的难点和挑战.     

《功能与智能材料——结构演化与结构分析》

作者:王中林,康振川译者:孙家枢等出版日期:2002年5月 科学出版社出版定价:58.00元 本书从键合、分子轨道、配位出发,将原子尺度晶体结构基础与化学相结合,讨论了氧化物功能材料中的一系列晶体结构系统,把结构演化与稀土和过渡金属元素的混合价相联系,总结和探讨了功能和智能材料的性能与结构的本质联系和演化规律,从而为开发新型功能材料提供了理论基础.并从理论与实际方法上论述了分析、研究、表征这些功能材料原子分辨结构、化学和价结构分析的现代电子衍射和电子显微学方法. 本书可作为材料科学、物理学、材料现代测试分析技术等专业…     

爆炸力学高精度数值模拟研究进展

爆炸问题的高精度数值模拟在武器弹药设计及毁伤评估、工业重大爆炸灾害等国防和民用问题中具有重要的理论价值和应用前景.本文对近十几年来爆炸力学高精度计算的研究作了回顾与评述,结合作者近年来的研究工作,着重总结了高精度数值模拟保正性、高精度边界条件、自适应网格技术和多物质界面处理等方面的研究进展.推广并发展了WENO格式和RKDG格式,构造了守恒型高精度保正计算格式,在复杂爆轰波问题的数值模拟中很好地解决了出现负密度和负压强的问题,清晰地捕捉了爆轰波阵面结构和流动特征;提出了基于笛卡尔网格的高精度Inverse Lax-Wendroff复杂边界处理方法,该方法通过Inverse Lax-Wendroff获得一阶的法向偏导数值,所有其他的高阶法向偏导数值由五阶WENO类型的外插方法获得,实现了含复杂边界爆轰问题的高精度数值模拟,并具有较好的稳定性和鲁棒性;将后验误差估计方法应用于求解Euler方程中,采用网格的后验误差作为细分的判据,网格细分时在空间上利用高阶WENO插值,时间上采用Hermite插值.对于不需要细分的网格,本文采用点对点的直接赋值方法进行合并;发展了多介质界面处理的Local Level Set方法,对计算域内速度场进行修正,有效避免了速度场间断在求解界面位置时引起的误差;将GFM(ghost fluid method)和RGFM(real ghost fluid method)界面处理方法相结合,避免了GFM方法处理物质界面强间断时引入的虚假物理解,克服了RGFM方法处理弱间断时,重复求解Riemann问题引起的计算资源浪费.最后,对爆炸力学高精度计算的发展前沿进行了展望.     

磁性液体数值模拟研究进展

磁性液体(magneticfluid)是一种力学性能受磁场调控的磁流变智能材料,在医学与工业生产中有广泛应用.近年来,随着计算机性能的发展,数值模拟日益成为研究磁性液体力学行为细观机理的重要方法.本文综述并评价了磁性液体理论与数值模拟领域的最新研究进展,介绍了磁性液体在剪切、挤压和阀模式3种工作模式下的力学模型,对磁性液体的现有模拟方法进行了总结,讨论了磁性液体数值模拟的研究现状,并展望了数值模拟的发展前景.磁性液体的数值模拟亟待开展以下三方面研究:(1)建立涵盖多种微观相互作用的精细理论模型,研究颗粒表面包覆、添加剂等非磁性成分对磁流变效应的影响;(2)将不同数值模拟方法相结合,建立磁性液体的多尺度模型,进一步提高模拟精度,利用机器学习协调不同尺度的数值模拟,压缩计算量,已成为一种可行思路;(3)将力学模型与电、磁学模型相结合,发展多尺度、多物理场耦合的数值模拟方法,模拟磁性液体其他物理性能.最终为高性能磁性液体的研制及其应用研究提供技术和理论支撑.     

页岩水力压裂的关键力学问题

页岩气的开采成为我国绿色能源开发的新领域.尽管北美页岩气革命取得了成功,水力压裂是成功的开采方式,目前采收率仅为5%~15%,问题出在哪里呢?由此给力学家提出了巨大的挑战和机遇.本文针对页岩水力压裂的关键力学问题,阐述理论、计算和实验的研究进展和技术难点,主要内容有:页岩人工裂缝扩展的大型物理实验模拟平台;考虑时间相关性的各向异性本构模型;页岩起裂、分叉及多裂缝相互作用的断裂力学准则和模拟方法;裂缝簇稳定性扩展的力学条件和创造缝网的多尺度有限元模型;耦合断裂力学和流场压力的裂缝网扩展数值模拟方法.     

磁场-渗流场耦合作用下的铁磁流体多孔介质流动数值模拟

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从而耦合磁场-渗流场给出其流动方程,并采用全隐式有限体积法形成相应数值离散格式;通过二维均质填砂平板流动实验验证了模型和算法的正确性,在此基础上,对比了平面及纵向非均质多孔介质中注水及注铁磁流体的驱油效果,计算结果表明通过控制铁磁流体的驱替路径可以提高驱替波及范围继而提高采收率,为提高原油采收率提供了新的思路和方法.     

正交各向异性介质波动问题的理论与实验

建立了正交异性动态光弹性实验方法,它利用正交异性双折射材料在宏观范围研究正交异性材料的动力行为,同时,基于弹性动力学基本理论,阐述了各向异性介质的时域边界元数值计算模型,提出了结构强度分析所关心的应力计算方法,并将上述两种方法综合应用于对各向异性介质波动问题的研究。     

现代油气渗流力学体系及其发展趋势

油气渗流是油气藏开采的科学核心问题,以连续介质假设和达西方程为基础的传统渗流力学在常规油气资源开发中发挥了重要作用.近年来,非常规油气藏成为油气行业勘探开发的主要阵地,其开发理论和技术尤其是渗流问题也成为学术界研究的热点问题.非常规油气藏其岩石多孔介质具有明显的多尺度特征,尺度差异达到6个数量级之多,而且采用大规模的水平井分段压裂开发模式,储层应力强烈作用.因此,传统的油气渗流理论已无法准确描述非常规油气藏的流动特征.实质上,非常规油气资源的开发过程是一个典型的多场作用下的多流动模式的多相流体(油气水)在多尺度多孔介质的流动过程.为此,本文提出了"多场作用下的多流动模式的多相流体在多尺度多孔介质中流动动力学体系"的现代渗流力学体系的概念,并从纳微尺度油气流动模拟、流动模拟的多尺度升级、非常规油气藏的宏观流动模拟、大尺度缝洞碳酸盐岩油藏的流动模拟以及油气渗流物理模拟等方面系统阐述了其研究现状及发展趋势.     

计算爆炸力学及相关进展

爆炸力学是研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的利用和防护的学科. 爆炸力学的数学模型是一组非线性偏微分方程, 过去用理论分析的方法研究爆炸力学问题, 主要是根据问题的性质将方程简化便于求解, 但其准确性和应用范围非常有限. 随着数值计算方法的不断发展和计算机处理能力的不断提高, 计算爆炸力学成为爆炸力学的新学科分支. 自20 世纪60 年代以来, 各国的爆炸力学工作者进行了大量爆炸力学数值计算工作, 极大地推动了计算爆炸力学的发展. 本文主要对国内在计算爆炸力学领域取得的相关成果进行评介.     

激光熔覆再制造零件中超声传播及缺陷检测数值模拟

激光熔覆再制造零件在具备优良性能的同时,其弹性性能呈现出声学各向异性,为声学检测带来困难,深入研究各向异性激光熔覆层及基体材料中超声波的传播特性,可以为这类再制造零件的超声无损评价提供重要的理论依据.本文建立了激光熔覆再制造零件中超声传播及缺陷检测数学模型,通过计算获得了Fe314激光熔覆再制造涂层、45钢基体两层介质中超声波探头辐射声场的分布特征.研究结果表明:材料的各向异性对入射声场的影响程度与材料的慢度值有关,声束的偏转方向由慢度面的法矢量决定,声束的聚焦、散焦行为由慢度面的曲率决定.应用建立的模型模拟了激光熔覆再制造零件中横通孔、裂纹缺陷的回波信号.比较了数值模拟与实验测量结果,二者的幅值和相位都具有很好的一致性,有效验证了本文所建立的超声检测数学模型的正确性.     

基于金相图片输入的功能梯度板件力学分析

建议一种细观元方法, 将材料金相图片信息替代传统力学分析的材料参数输入, 来进行力学行为分析, 完成材料细观结构与构件宏观响应间跨尺度分析. 细观元法在结构的常规有限元内部设置密集细观单元以反映材料细观构造, 又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度, 再上机计算. 此方法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析, 而计算单元与自由度又等同一般常规有限元, 为解决具有细观结构新材料与构件跨尺度分析提供一种新的有力工具. 直接从材料金相图片提供的复杂细观结构图形出发计算功能梯度板件力学响应, 给出了宏观力学量三维分布形态以及细观骨架上等应力线走向图.     

脉冲激光全息干涉术在岩石力学研究中的应用

在岩石力学研究中,经常需要测量岩石各点的变形情况,即需要观测岩石的变形场。例如在和地震预报有关的岩石力学研究中,需要研究地震断层面形成过程中变形场的时空规律。激光全息干涉术是进行这种全场性测量的重要手段。70年代以来Spetzler、Soga、Sobolev等应用连续激光进行过这种全息干涉测量。最近我们成功地利用脉冲激光全息照相进行了干涉测量。     

三维非均质多孔介质渗透系数和孔隙度的上升尺度

首先提出渗透系数场为非高斯分布、高方差条件下三维非均质多孔介质的渗透系数上升尺度的经验计算公式, 所考虑的因素包括砂质包裹体的体积百分含量、空间统计几何尺寸、空间连通性以及各水文地质相渗透系数的算术平均值. 系统对比结果表明, 该经验公式优于常用的传统计算方法. 然后提出三维非均质多孔介质的孔隙度必须提升尺度的概念. 这是因为在多孔介质含水系统中, 污染物趋向于沿着高渗透性物质构成的三维优势通道快速运移, 其有效运移速度与经提升尺度获得的单一渗流速度差别很大, 迫使我们对孔隙度进行尺度提升. 含水系统中高渗透性物质含量的变化引起孔隙度尺度提升特征的非线性变化, 其上升尺度值介于0.004~1.5之间. 当高渗透性物质含量低于30%时, 孔隙度的尺度提升对于正确求解污染物运移尤为重要.     

计算热辐射学的进展

描述辐射能传输过程的基本方程为辐射传递方程. 在三维半透明介质中, 辐射强度是七维变量的函数, 多数情况下只能通过数值计算的途径进行近似求解. 数值模拟方法已成为半透明介质内热辐射传递理论研究和工程应用的重要手段. 本文对国内学者在计算热辐射学方面取得的主要研究进展进行了综述, 提出了今后计算热辐射学研究的重点.     

数字体图像相关方法研究进展

数字体图像相关方法是可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学方法.通过匹配由数字体成像设备获取的被测物体变形前后的两组数字体图像,该方法能够获得物体内部亚体素精度的三维位移场和全场应变.得益于新型体成像设备的不断涌现、图像配准算法的持续改进以及高性能并行计算技术的快速发展,数字体图像相关方法已在生物医学、固体力学、岩土力学、材料科学等领域获得许多令人瞩目的重要应用.本文对过去20多年数字体图像相关方法中出现的各种位移和应变测量算法进行了系统回顾和评述,分析了该方法当前的局限和所面临的挑战.可以预期,数字体图像方法在实验力学领域中将扮演更为重要的角色,并有望在更多科研和工程领域中获得应用.