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。

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。

贵州化处矿区煤炭地下气化物理模拟试验

为了深入探究贵州六枝化处矿区贫煤气化工艺参数,稳步推进贵州煤炭地下气化工程示范,开展了系列地下气化物理模拟试验和理论分析。通过构建综合模型系统,模拟了不同氧气浓度、气化炉结构和煤层湿度等条件下的气化过程,系统地探究了贫煤地下气化的特性、气化效率和气化工艺参数等。试验结果表明,气化炉结构差异对合成气组分有显著影响,同时,气化通道的支护方式、气化剂浓度、煤层含水量也会影响合成气组分。在适当的氧气浓度下,贵州六枝化处地区的贫煤能够稳定气化产出合成气,70%以下富氧环境下,随着氧气浓度的增加,煤气有效组分逐渐提高,煤气热值也相应增加;超过70%富氧时,有效组分中CO含量开始下降;温度场方面,气化过程的推进会直接影响温度场推移方向,且在煤层中会存在高低温区交叉分布的特征,主要是由于煤层中煤块之间存在裂隙,形成绕流燃烧而引起的。后期实际生产中,要控制气化剂氧气浓度,提高气化效率;钻井底部加强支护,采取热胀冷缩保护;增加辅助措施维持气化炉内温度场稳定性;为了提高H_(2)、CO组分浓度,需注入雾化水,增加还原性。通过深入探究不同工艺参数条件下贵州化处矿区贫煤地下气化特性,为下一步实际生产中气化工艺参数优化、气化效率提高和煤气质量提升提供了科学数据支撑。

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。

板坯连铸机中间包内钢液流动的物理模拟研究

依据相似原理,建立包钢双流板坯连铸机中间包几何相似比为1∶4的物理模型,采用物理模拟的方法研究控流装置对中间包内钢液流动状态的影响。结果表明,板坯中间包采用优化的控流装置,中间包内钢液的峰值时间和平均停留时间增加,中间包内钢液的死区体积降低,钢液的峰值时间增加比率为240.98%,钢液的平均停留时间增加比率为2.37%,死区体积减少了7.56%,优化了中间包内钢液的流动状态,促进夹杂物在中间包内碰撞、聚集、上浮、去除,保证了钢液的洁净度。

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。

降雨作用下古滑坡复活机理物理模拟试验研究

水是导致古滑坡复活的重要因素,而经历长久固结的土石混杂滑坡体通常渗透性较低,降雨形成的地表水如何入渗并诱发古滑坡复活的机理尚未明晰。文章在古滑坡复活案例调查和分析的基础上,采用滑坡物理模拟试验研究了降雨与裂缝共同作用下古滑坡复活机理。结果表明:(1)裂缝影响降雨渗透速率和渗透深度,当坡体表面无裂缝时,滑体渗透系数较小,降雨只能引起浅表层滑动;当坡体表面发育裂缝时,雨水沿裂缝快速渗入至深部滑带位置,诱发古滑坡复活。(2)裂缝的位置影响古滑坡的复活模式,无裂缝时,古滑坡表现为渐进式的溯源侵蚀复活;有裂缝时,首先出现溯源侵蚀复活变形,并沿前缘预设裂缝处逐渐扩张滑动,然后沿后缘预设裂缝发生拉张变形并出现向前推挤现象,最终在前部牵引和后缘推挤作用下发生整体复活滑动。(3)滑坡在临滑前,深部孔隙水压力和土压力均急速上升,而在滑动后快速释放,故可将孔隙水压力和土压力值的骤变作为古滑坡复活失稳的临界判据。

可视化三维物理模拟实验技术在油气成藏研究中的应用——以塔里木盆地顺北地区S53-2井为例

油气成藏物理模拟实验技术是研究油气运移聚集过程的重要技术手段,可以在实验室条件下,实现油气运移成藏动态化、可视化、定量化研究。但传统二维物理模拟实验技术存在细微现象缺乏、含油性测量难、观察面单一等不足。针对这些问题,同时为了揭示超深层油气成藏特征,研发了一种可视化三维油气成藏物理模拟实验技术,并成功模拟了塔里木盆地顺北地区S53-2井的成藏过程。明确了超深断控油气藏油气成藏影响因素;揭示了断层和缝网系统在断控油气藏形成过程中扮演双重角色,其既作为油气运移通道,也是重要的油气储集空间;提出了主断层、缝网及缝网一侧的地堑断层是油气的优势聚集区;建立了“浮力垂向运移、先核部后破碎带、先主干后地堑、缝网输储一体、主次断裂各异”的油气成藏模式。新技术使实验过程更加清晰,实验参数更加准确,实验现象更加立体,可为实验室油气成藏模拟工作提供新的支撑。

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。

基于物理模拟实验的致密油储层含油性特征及影响因素分析

油性是储层重要属性之一,其特征是致密油储层评价的关键参数。本文以酒西坳陷青西凹陷白垩系下沟组致密泥质白云岩储层为研究对象,通过致密泥质白云岩岩心充注物理模拟实验,查明泥质白云岩致密油的含油性特征,并分析其控制因素,为研究区致密油有利区优选提供依据。物理模拟实验结果显示,随着模拟油的不断注入和驱动压力的逐步增高,岩心中孔隙水不断被驱替,岩心含油饱和度随之增加,含油饱和度呈明显的三段式增长演化规律:初期缓慢增长阶段,中期快速增长阶段,末期稳定阶段,样品最终含油饱和度可达45.3%~56.8%。烃源岩生烃量、成藏流体组成、驱动压力大小及储层物性是影响致密储层原油富集成藏的主要因素。

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。