模拟物理——物理学的第三大分支

本文阐述了计算机模拟是物理学的第三种研究手段,介绍了模拟物理的形成过程以及模拟物理的方法。

模拟物理空间资源对麻疯树幼苗生长的影响

密度效应为常见的生态学术语,但对其本质缺乏认识。物理空间也是一种资源(M cConnaughay&Bazzaz,1991),为密度效应的认识提供了线索。本文利用密度与容器大小模拟物理空间资源对麻疯树幼苗形态与资源配置的影响,来阐明物理空间资源影响现象与机制。在密度栽植时,立地异质性无法抗拒无意中得到了空间限制的资源依赖性结果,增加了解释的复杂性与价值性。结果表明:1)大容器个体苗高、直径、头年生高度、当年生高度、叶片数量,叶生物量、根系生物量、头年生生物量、当年生茎生物量、总体生物量都明显大于小容器;2)大容器根系资源配置明显小于小容器,大容器当年生叶与茎生物量配置较高,而头年生茎生物量相对配置较低,表明空间不足限制了根系发育从而限制了地上部分生长能力;3)试验后测定容器土壤肥力,发现小容器肥力利用充足,元素浓度明显低于大容器;4)高密度组个体形态与生物量参数较大,中密度次之,低密度最低,这一意外结果与微地形造成的水分差异有关;5)高密度在资源充足,加剧了空间限制,使得当年生茎与根系生物量相对配置增加,而低密度因微地形可能水分缺乏明显,根系生物量配置增加。物理空间也是一种资源,这种资源与生态学中生态空间含义不同,单纯是一种资源因子。

超深井自动控制压井室内物理模拟试验及结果分析

现有超深井溢流压井技术依靠手动控制节流管汇,响应速度慢,井筒压力波动大,容易引发二次溢流、漏失等复杂情况,而自动控制压井技术可实现钻井时溢流压井作业稳定控制。为此,设计了比例–积分–微分(PID)与位移双层协同反馈的自动控制方法,开发了超深井自动控制压井系统,建立了自动控制压井物理模拟试验装置,开展了恒定目标压力、连续变化目标压力、压力突变干扰等条件下的自动控制压井试验。试验结果表明,自动控制压井系统能够在30 s左右完成节流阀开度的调节,节流压力波动范围小于0.02 MPa,与手动控制压井相比,自动控制压井系统具有良好的稳定性、准确性、反应速度和抗干扰能力。研究结果为超深井复杂地层安全压井提供了理论依据。

裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验

煤粉在煤储层裂隙中沉积会降低裂隙导流能力,制约煤层气井高效稳产开发。设计了裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验方案,通过裂隙中煤粉运移可视化物理模拟实验,分析了裂隙不同位置煤粉颗粒沉积面积的变化和沉积形态特征,揭示了煤粉运移、沉积的动态规律;通过裂隙中煤粉解堵可视化物理模拟实验,分析了解堵时间和流速对裂隙中沉积煤粉解堵面积的影响,揭示了煤粉启动、解堵的动态规律。实验结果表明:煤粉颗粒在裂隙不同方向和位置聚集状态不同,裂隙喉道由入口向垂直主运移方向的两端及主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐减少,支路通道沿主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐增加。裂隙喉道、支路通道和主路通道处煤粉沉积的形态分别呈鹰嘴状、层状和流线型,其原因是裂隙不同位置对含煤粉流体的阻力不同,导致煤粉在不同位置的沉积形态不同。在相同流速下,随解堵时间增长,煤粉解堵效果越好,但前期解堵面积大,后期解堵面积小,裂隙喉道处煤粉解堵效果明显优于支路通道,其原因是松散、易于解堵的煤粉颗粒会被首先解堵,随时间进行,剩余未被解堵的煤粉颗粒需要更大的启动流速。流速越大,裂隙喉道处和支路通道处的煤粉解堵面积越大,其原因是提升流速能增强煤粉颗粒的流动性。

真三轴下砂岩水力压裂物理模拟与声发射特征

为揭示水力压裂破岩机理,采用真三轴加载系统、声发射仪、高压柱塞泵建立了一套室内岩石水力压裂物理模拟系统,该系统可以研究水力压裂破岩机理。基于格里菲斯强度准则建立了岩石起裂的临界水压力和起裂位置,结果表明:当水压力远低于临界压力时,在水压上升期砂岩声发射特征较明显,在水压保持期砂岩声发射特征平静,产生的信号为砂岩原生闭合的微裂隙被压开;当水压力接近临界压力时,在水压上升期和保持期砂岩声发射撞击数、振幅、能量均聚增,产生的信号为砂岩破裂产生的新生裂隙扩展和贯通;裂缝起裂、扩展方向与最小主应力方向垂直,原生裂缝控制了砂岩的裂缝起裂和扩展方向。本研究成果可为煤矿细砂岩厚老顶强矿压水力压裂治理提供参考。

地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射原理与实例分析

相似物理模拟是研究地下工程变形破坏问题的重要手段,然而经典相似理论关于相似模型与工程原型之间的几何相似比和材料力学参数相似比的相互约束,导致室内物理相似模型尺寸和材料力学参数一直面临难以完全满足相似准则的困局,从而产生力学畸变和模拟试验结果解译困难。为此,提出了地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射处理方法,引进畸变系数和映射系数,通过耦合解析法或数值法来映射畸变效应,实现地下洞室物理模拟结果对原型力学行为的定量解译;以圆形隧洞为工程原型,采用水泥基3D打印隧洞物理模型进行相似物理超载试验,基于提出的耦合力学相似畸变法与解析法对物理模拟结果进行了定量分析和对比验证;以某水电站地下洞室群为研究原型,通过砂岩3D打印洞室群物理模型的超载试验获得洞室破坏的变形值,采用耦合力学相似畸变法与数值方法对物理模拟结果进行定量分析。实例分析结果表明,在物理相似模拟中几何相似比和力学相似比不满足经典相似准则条件下,该方法可实现圆形隧洞或复杂洞室群原型的相似物理模拟结果的定量映射分析,对非恒定相似比的地下洞室物理模拟畸变分析具有普适性。

煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响,具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息,因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾,重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展,其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景,分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足,并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平,从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

准噶尔盆地中部永进地区走滑断裂发育特征及成因物理模拟

永进地区位于准噶尔盆地中部,最近发现了多个与走滑断层相关的含油气构造,但关于走滑断层的发育特征及成因机制研究程度不够深入。本文通过三维地震资料精细解释,在研究区三叠系—侏罗系内识别出近东西向、北西西向以及北东东向的三组走滑断裂体系,平面上呈“网格状”展布,剖面上具有不同深度几何学形态差异展布特征。在此基础上基于相似性原理设计四组砂箱模拟对比实验,重现研究区构造演化过程。模拟结果表明,这类走滑断裂的形成与基底先存断层的发育位置有关,是受先存构造和地层属性双重控制的广布式走滑断裂系统,从而建立了研究区的断裂系统成因模式。研究成果对具有相似地质背景地区的走滑断裂成因解释具有借鉴意义。

渤海湾盆地惠民凹陷中央隆起带张扭性断裂演化的构造物理模拟研究

惠民凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷西部,新生代时期经历了南北向伸展,形成了典型的“北断南超”半地堑结构。平面上,惠民凹陷中央隆起带发育了NE至近EW向的张扭断裂体系;垂向上,中央隆起带断裂体系从深部到浅部呈现出由雁列式分段到逐渐连接贯通的特征。目前对惠民凹陷中央隆起带断裂体系的结构特征有了较好的刻画,但是对于该断裂体系形成的运动学过程及其控制因素仍然停留在描述阶段。文章设计了一组张扭构造物理模拟实验,以探究惠民中央隆起带断裂构造演化过程及其控制因素。实验再现了惠民凹陷中央隆起带断裂体系在平面上由早期孤立分段、侧向传播、最终贯通的三个阶段;在剖面上也很好对应了中央隆起带沿走向由共轭断裂系向阶梯式断裂的结构转变特征。基于粒子成像测速(PIV)的应变分析,文章构建了三阶段的应变—断层距离统计图,揭示了各分段断裂由早期无连接,经历侧向生长,从软连接到硬连接的构造演化过程。研究证实在南北向区域伸展作用下,盆地基底NEE向先存断裂的活化是惠民凹陷中央隆起带张扭构造形成的根本原因。文章利用砂箱构造物理模拟实验揭示了惠民凹陷中央隆起带断裂发育的机制,可为类似的张扭性断陷盆地的断裂演化与油气成藏研究提供有益的启示。

准噶尔盆地西北缘断裂带构造变形机制--基于物理实验模拟研究

准噶尔盆地西北缘发育以红车(红山嘴、车排子)、克白(克拉玛依、百口泉)和乌夏(乌尔河、夏子街)为代表的边缘断裂系统,是影响石炭纪—三叠纪地层发育特征和控制油气聚集的关键因素。准噶尔盆地西北缘断裂带属性及形成机制是地球科学界广泛讨论的问题,并一直存在争议。基于区域地质背景和前人研究成果,采用物理砂箱实验模拟准噶尔盆地西北缘断裂带构造变形机制。实验结果表明,乌夏、克白断裂带主要由一条西倾的主断裂控制,两侧断裂不对称分布,为不对称状花状断裂。红车断裂带主要由2条主断裂控制,呈雁列状分布,整体表现为近似对称的花状构造。通过物理模拟正演,认为准噶尔盆地西北缘早石炭世—晚三叠世演化过程可分为2个阶段,即残余洋盆俯冲阶段和右旋走滑阶段。准噶尔盆地西北缘构造石炭纪—三叠纪地层圈闭发育,可能是逆冲断裂和褶皱形成的断鼻、断块和排列背斜,这些伴生构造圈闭是准噶尔盆地西北缘油气成藏的关键因素。

志留系泥页岩滑脱层对大巴山前陆冲断带构造样式的影响——基于物理模拟研究

大巴山前陆冲断带处于秦岭造山带与四川盆地的过渡区,是四川盆地大中型油气藏探明储量的主要分布区,也是盆山耦合研究的典型区。该地区发育三套主要滑脱层,前人研究多以底层寒武系泥页岩和顶层上三叠统膏盐岩作为区域主控滑脱层,认为中间层志留系滑脱层使褶皱冲断带的构造样式复杂化,但是中间滑脱层对大巴山前陆冲断带的具体影响研究较少。本文通过物理模拟设计两组实验、四个模型,探讨了相同厚度的硅胶和玻璃微珠作为基底滑脱层时,中间滑脱层对于模型整体构造样式的影响,分析了其与基底及沉积盖层的相互作用。实验结果显示:①硅胶作基底滑脱层时,正向逆冲断层和反向逆冲断层数量相当,反冲断层多为自基底逆冲的断层。玻璃微珠作为基底滑脱层时,存在中间滑脱层的体系以正向逆冲断层为主,反冲断层多为浅部小型断层;②中间滑脱层的引入降低了整个体系的强度,使体系中构造变形更加复杂,模型中出现脱耦现象。中间滑脱层对前陆方向的变形起主导作用,促进了模型远端前陆方向的传播,垂向上沉积载荷的增大激活了中间滑脱层对挤压端构造样式的影响;③模拟表明,该地区志留系滑脱层使剖面出现脱耦,寒武系基底滑脱层为摩擦滑脱层,上三叠统之上发育较薄沉积盖层。

多孔介质中CO_(2)埋存机理物理模拟实验评价

为了弄清高温高压多孔介质中CO_(2)的埋存机理,采用室内物理模型,对多孔介质中CO_(2)埋存机理进行了物理模拟实验评价。结果表明,CO_(2)溶解埋存主要受温度、压力和地层水矿化度的影响;CO_(2)溶于地层水后与岩石中的矿物发生矿化反应,反应前后岩石矿物质量分数发生显著变化;气水交替驱可有效地延缓CO_(2)的突破,提高CO_(2)埋存率,从而提高原油采收率。

多薄层致密砂岩储层大型水力压裂三维物理模拟实验

鄂尔多斯盆地东北缘临兴气田以多薄互层型致密砂岩储层为主,储层岩性复杂、渗透率低,受多种因素影响且作用机理不明确,导致压裂施工难度大、效果差异大。为此,针对临兴气田致密砂岩储层不同岩石组分、黏土含量、粒径、沉积旋回、平面及纵向非均质性等特性,设计并开展了不同地质条件下的水力压裂室内大型三维物理模拟实验。根据相似准则,参照二叠系石盒子组三向地应力、岩石强度、井身结构参数、现场压裂施工参数,确定了实验基本参数。根据临兴气田典型井主力储层特征,制作了考虑不同岩石组分、黏土含量、粒径、沉积旋回组合、平面非均质性组合、纵向非均质性组合的15块立方体岩心,开展了15组压裂模拟实验,并从分析注入压力曲线和观察岩样破裂面两个方面总结了影响水力压裂缝扩展规律的储层主控因素。研究表明,岩石矿物和粒径、沉积旋回、平面及纵向非均质性对致密储层裂缝扩展形态有显著影响。砂岩粒度较大、胶结较弱、黏土含量较高、平面非均质性较强,使得裂缝面更易于屈曲,扩展压力增大,导致加砂困难;沉积旋回会使得水力压裂缝易于沿旋回层面扩展,从而形成水平缝,其中反旋回界面突破难度比正旋回大;由于砂—泥层间界面、砂—煤层间界面、天然砂岩弱面易被激活,从而产生“工”或“T”字形裂缝,对于砂泥多薄互层还会产生“工”+“T”+“十”字形的组合裂缝。实验研究揭示了不同地质条件下的水力压裂缝扩展形态,也为类似区块的研究提供了借鉴。

X区块化学驱改善开发效果物理模拟实验研究

本研究旨在探讨X区块化学驱技术在改善油田开发效果中的应用及其效率。通过采用物理模拟实验的方法,本文分析了不同化学驱油剂的注入对油藏渗透率以及采收率的影响。实验选取了不同类型的化学驱油剂,并在模拟油藏中模拟了它们的注入过程。通过对比实验前后的油藏性能数据,评估了化学驱技术对提高原油采收率的贡献,实验结果显示,化学驱技术能够有效提高油水界面张力,扩大波及体积,降低残余油饱和度,从而显著提升采收率。此外,本研究还考察了化学驱油剂的最优组合和注入参数,以期找到最有效的化学驱提高采收率的策略,物理模型驱油效率实验结果表明,在岩心渗透率为500×10^(-3)μm^(2),水驱至含水率98%+0.3 PV聚合物(2500万1000 mg/L聚合物,μ=100 mPa·s)+后续水驱体系中,最终采收率达到了62.41%。本研究为X区块化学驱技术的应用提供了重要的理论依据和实验数据支持。

基于相似原理的基板玻璃铂金通道澄清物理模拟试验研究

玻璃液澄清作为基板玻璃生产关键工艺环节,其运行环境温度高且有耐火材料包覆,包括一系列物理与化学反应,过程非常复杂,无法进行在线研究。为实现对基板玻璃澄清排泡过程的研究,基于相似原理,构建铂金通道澄清物理模拟试验模型,借助澄清物理试验模型对玻璃液澄清排泡过程进行试验验证,为大流量下铂金本体设计和澄清工艺探究提供参考依据。

榆树泉矿煤层开采覆岩破坏物理模拟试验研究

为研究煤层开采覆岩破坏情况,以榆树泉矿为工程背景,采用物理相似模拟试验,分析了煤层开采过程中覆岩的破坏规律,结合经验公式计算,确定了煤层开采覆岩导水裂隙带高度。结果显示,随着煤层开采,覆岩裂隙在纵向上的发育速度减缓,横向裂隙发育速度加快,范围扩大,且近工作面处的裂隙逐步向破碎型裂隙发展。覆岩形态在横向、纵向以及整体上呈现出先扩展延伸而后趋于稳定的特点,覆岩形态最终趋于“马鞍形”。覆岩位移量随着距煤层工作面垂直距离的增加而减小,并且位移量由两侧向中部递减。模拟导水裂隙带的发育最大高度为65 m,与经验公式计算的结果吻合,裂采比约为16。研究结果可为榆树泉矿顶板水害防治提供科学依据。

地层倾角及侧向摩擦对滑坡影响的物理模拟研究

滑坡是黔北地区常见的地质灾害,政府每年都投入大量的资金开展相关的治理和研究,但是针对滑坡变形及其演化影响的模拟分析,目前所开展的工作仍然十分不足。为此,结合黔北地区典型滑坡野外的勘察和调查,设计了不同地层倾角和摩擦条件的6组物理模型对滑坡变形进行了研究,并应用PIV技术对滑坡变形演化过程中的应变速率场进行了分析探讨。研究表明:(1)地层倾角对滑坡具有强烈的控制作用。低地层倾角条件下,坡体的变形演化存在穿时现象;而高地层倾角条件下,坡体主要是从后缘到中部,再到前缘的逐步扩展变形。(2)侧向摩擦强度影响坡体的几何形态,具有较高侧向摩擦力的滑坡,形成的坡体几何形态呈条带状分布特征;相反,具有低摩擦力的滑坡,则形成近似椭圆形状的坡体。该物理模拟结果可为黔北地区滑坡演化过程的理解提供构造物理学证据。