流体-地质力学耦合建模表征水力压裂诱发地震:以加拿大Fox Creek地区为例

随着水力压裂技术在页岩气开发中的广泛应用,加拿大西部盆地的诱发地震活动显著增加.目前对于诱发地震的综合表征方法还不成熟.本文采用一种综合地质、岩石力学及流体力学的研究方法,对Fox Creek地区2015年2月8日发生的M 3.0诱发地震事件进行了综合表征.首先,利用高分辨率三维反射地震资料,采用蚂蚁体追踪技术识别潜在断层.其次,利用测井曲线和压裂施工数据等资料定量求取岩石力学及地应力参数,建立三维地质力学模型,明确水力压裂缝的空间扩展规律.最后,建立流体-地质力学耦合模型,计算水力压裂过程中断层附近的孔隙压力及局部应力变化,利用摩尔-库仑破裂准则判定断层激活的时间与空间位置,揭示本次诱发地震事件的触发机制并提出风险控制对策.结果表明,三条由Precambrian基底向上延伸至Duvernay地层的近垂直断层在水平井压裂过程中被激活.由于水平井的部分压裂缝与断层沟通,注入流体沿断层的高渗透破裂带向下迅速扩散,在基底位置激活断层并诱发M 3.0地震事件.其中孔隙压力增加是本例中断层活化的主要因素.现场措施表明,增大压裂水平井与已知断层之间的距离被可以有效地降低地震风险.因此在进行水平井钻井及压裂作业之前,明确地下断层的分布位置至关重要.

稠油油藏热-流体-力学耦合模型研究及应用

在稠油油藏开发中,由于原油黏度高一般采用注蒸汽开采。基于连续介质力学理论,考虑了热对流的影响,建立了蒸汽注入条件下对地层压力、变形和有效应力定量评价的改进的热-流体-力学耦合数学模型;应用全隐式顺序Galerkin有限元数值解方案对注蒸汽井热-流体-力学耦合过程进行了数值模拟。计算结果表明,由于地层流体高温膨胀引起的高压力,会导致位移、变形,甚至地层结构破裂;温度对地层破裂形态的影响显著。研究表明,这个改进模型比传统模型更加准确、实用,可以用于蒸汽注入速率优化和油藏、地质、热-流动力反应、地应力水平等综合作用效应研究。

提升管与气-固环流床层耦合反应器的流体力学特性及流动模型

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在一套提升管与气-固环流床层耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床层的流体力学特性。结果表明,在环流床层与提升管耦合操作的情况下,床层内颗粒环流存在两种推动力,分别为静压差推动力和颗粒喷射推动力;环隙与导流筒之间的整体平均固含率差随导流筒表观气速增加而增加,随颗粒外循环强度增加而降低;颗粒环流速度随导流筒表观气速和颗粒外循环强度增加而增加。通过对环流床层进行动量衡算,建立了提升管与环流床层耦合流动的数学模型,模型平均相对误差在15.95%以内。

2012年5月的艾米利亚-罗马涅地震是否为诱发型地震？耦合流动和地质力学模型评估

由流体的注入和采出所诱发的地震活动已成为一个围绕地下水资源和能源的科学讨论热点。本文展示了流动和地质力学耦合的模拟技术在2012年5月意大利北部卡沃内油田附近发生的破坏性地震(MW6.0和MW5.8)序列的震后分析中的应用。该序列引发了一个问题:这些地震是否可能由石油和天然气生产活动诱发。本文的分析强有力地表明,卡沃内油田流体的采出和注入的联合效应并不是观测到的地震活动的诱因。更普遍地,本文研究表明耦合流动和地质力学的计算模型可将地质、地震构造、测井、流体压力、流动速率和大地测量数据整合,并为评估和管理与诱发型地震活动相关的危害提供一种有希望的方法。

二维趋化-流体耦合模型解的稳定性分析

考虑在二维有界凸区域Ω上具有信号产生机制的chemotaxis-Navier-Stokes方程组{n_(t)+u·■n=△n-■·(nS(n)■c),x∈Ω,t>0,c_(t)+u·■c=△c-c+n,x∈Ω,t>0,u_(t)+(u·■)u+■P=△u+n■Ф,x∈Ω,t>0,■·u=0,x∈Ω,t>0的初边值问题,其中n和c满足齐次Neumann边界条件,u满足Dirichlet边界条件;S(n)和Φ是给定的足够光滑的函数,且满足|S(x,n,c)|≤C_(S)(1+n)^(-α).此前的研究结果表明:该模型在二维有界凸区域中存在整体有界经典解.进一步研究了此模型解的大时间渐近行为:在α>0,C_(S)足够小的情况下,当时间t趋于无穷时,模型的经典解以指数形式收敛到常数平衡态(n_(0),n_(0),0),其中n_(0)=1/|Ω|∫_(Ω) n_(0),dx,n_(0)=n(x,0).

楚雄盆地砂岩型铜矿床构造-流体耦合成矿模型

砂岩型铜矿床是楚雄陆相红层盆地的典型矿床类型。在构造-流体-成矿体系的动力学演化中,该类矿床的形成经历了沉积-成岩成矿作用、改造成矿作用及后期断裂作用的演化过程:燕山中晚期形成煤-铜-盐"三色建造"和盆地流体;喜马拉雅早期构造-热演化形成褶皱圈闭盆地流体,来自基底的富铜流体沿同生断裂(隐伏断裂)上升将一些亲铜元素从深部带入煤层而被吸附,形成富铜的还原性流体(H2O-SO2-CO2-CH4(C3H8-C2H6)-HSO4-HCO3-型),还原性流体沿次级断裂、隐伏断裂和层间断裂及轴面变形带上升,与大气降水深循环淋滤膏盐层形成高盐度的氧化性流体(H2O-SO2-CO2-N2-CO-HSO4-型)在砂(页)岩相遇时发生水-岩相互作用,并封闭于高孔渗的砂(页)岩储层,在褶皱翼部或核部的中细粒砂岩和层间断裂带中形成层状、似层状矿体;喜马拉雅中期由于构造改造,在更次级断裂带中形成脉状矿(化)体。所以,该类矿床是褶皱构造圈闭盆地流体-含矿岩相和构造裂隙封闭成矿流体定位成矿的产物,是铜矿源、构造与流体三者耦合作用的结果,更好地解释了矿床既沿褶皱分布又沿含矿层定位及矿物、元素分带的主要原因。故建立了该类矿床的构造-流体耦合成矿模型。

趋化-流体耦合模型研究进展

从经典的Keller-Segel模型出发,简述趋化方程组的生物学背景、一般研究方法和最新研究进展。特别对趋化-流体耦合模型的起源、研究进展、研究困难进行详细的分析,并指出此类方程组研究中一些尚待解决的问题。

流-固耦合模型试验用的新型相似材料研制及应用

为研究隧道突水、突泥过程中断层及围岩各物理场变化规律,根据地质力学模型试验相似原理,通过大量多组别配比试验,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及围岩相似材料。其中,断层相似材料以砂为粗骨料,滑石粉为细骨料,石膏、膨润土作为胶结剂,液态石蜡作为调节剂;围岩相似材料以砂为粗骨料,重晶石粉、滑石粉为细骨料,白水泥及乳胶作为胶结剂。通过大量室内试验,对比分析原岩及相似材料变形特征及强度破坏特性,重点对单轴抗压强度、渗透系数、重度、泊松比、弹性模量等重要变形及水理特性参量进行调控,系统研究不同配比对材料参数的影响规律。试验结果表明:该材料力学参数变化范围广、性能稳定、操作工艺简单,可用来模拟不同渗透系数的低、中等强度岩体材料。将该相似材料应用于吉莲高速公路永莲隧道断层突水、突泥三维地质力学模型试验中,力学性能及水理特性均达到试验要求,能够有效地模拟突水、突泥的发展演变过程,真实反映断层灾变过程中各物理场响应规律。

变形多孔介质温度-渗流-应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。

流-固全耦合新模型研究

在油藏开采过程中,储层岩石体变形与流体的流动是相互耦合作用的,并且流体渗流时的压力、饱和度也是不断变化的。假设岩石体变形为弹性小变形,建立其变形方程。由达西定律,考虑油、水两相流体耦合渗流时的饱和度变化,经过推导变换,得到了油、水两相流体的耦合渗流方程,从而得到了以岩石质点位移、流体压力和流体饱和度为未知量的流-固耦合数学模型,并给出了求解数学模型所需的定解条件。新模型拓宽了以前以岩石质点和流体压力为未知量的流-固耦合数学模型,实现了岩石变形和流体渗流的真正意义上的耦合,丰富了流-固耦合理论,为考虑流-固耦合影响下的油藏数值模拟奠定了理论基础。

井眼周围可变形储层流-固耦合数学模型

基于该储层模型假设,运用岩石力学和渗流力学的有关理论和方法,建立了流-固耦合变形的本构方程、几何方程、平衡方程和渗流方程,导出了可变形储层的流-固耦合渗流与变形基本模型。该模型不仅考虑了介质变形对流体质量守恒和孔隙流动压力对介质变形平衡的影响,也考虑了变形对流体流动的影响以及岩石力学性质的动态变化特征。该模型可用于研究井眼周围储层的变形及渗流规律。

大型风力机叶片前缘的雨滴冲击动力学响应机制

随着近年海上风力机设计的大型化,叶片前缘的雨蚀失效问题变得愈发突出,不仅影响机组的风能转化效率,对结构的稳定运行也构成潜在威胁。采用光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)法研究雨滴内部的本构关系,以有限元法(finite element method,FEM)建立叶片前缘的代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,两者相互耦合,研究雨滴在叶片表面形成的冲击响应过程。考虑自然降雨的实际工况,建立与降雨强度相关联的雨滴尺寸模型,以及雨滴的空间分布模型;通过单雨滴的冲击仿真,研究叶片表面冲击载荷以及雨滴内部的速度分布,从而解构雨滴冲击的物理过程,并通过冲击的应力、应变场分析,为潜在损伤区提供评价;建立多雨滴冲击的仿真模型,研究冲击应力场之间的耦合作用以及涂层表面的塑性应变累积效果。研究结果表明,水锤冲击是造成塑性应变累积的关键因素,虽然横向喷射阶段的应力响应幅值小并呈现一定的无序特征,但如果存在多雨滴耦合冲击的情况,则会在耦合区内出现应力峰值,并对叶片变形和失效存在潜在影响。

压电微流体泵液-固耦合系统流动特性

该文采用厚度积分平均的浅水模型和有限元法,得到压电微流体泵液体-硅振动片动力耦合振动方程。液-固耦合系统的模态分析给出硅片一阶模态自然频率和振型,以及硅片振幅-频率关系曲线。在模态分析基础上,加入压电效应,计算压电-硅片在外加电场作用下的振动响应。文中采用有限体积法计算微流体泵周期流动,得到微泵流量-频率的特征曲线,以及泵腔周期流动规特征。数值结果表明,在给定外加电压时,可以确定一个使微泵流量最大的工作频率。

风沙运动过程的颗粒流体动力学模拟

采用颗粒流体动力学方法,在考虑沙粒与床面碰撞、沙粒-沙粒的空中碰撞及沙粒与气流的耦合作用后,对自然沙组成的风沙流发生、发展及达到动态稳定的这一个过程进行了数值模拟。数值模拟结果表明,该模型能够实现自然界风沙运动的沙粒蠕移、跃移的基本特征,如风沙流达到稳定的持续时间、输沙率、入射/溅射速度分布、入射/溅射角度分布等,且都与实验结果吻合。同时,在模拟中还发现,沙粒-沙粒在床面以上运动时的碰撞是不容忽视的,当摩阻风速为0.23 m/s,沙粒当量直径为0.228 mm时,其碰撞次数可占总碰撞次数21.5%。

牙齿热疼痛流体动力学假说的证实与完善

基于牙齿热疼痛流体动力学假说,建立了牙体组织层状结构的生物热-力耦合模型,模拟了冷热刺激下牙本质小管的变形以及牙本质小管液的流动,从理论上证实了冷热刺激下牙本质小管的热变形是导致小管液快速流动的主要机理,阐释了牙髓神经放电特征,成功解释了牙齿在冷热刺激下分别表现为锐痛与钝痛的现象.首次从理论上证实并完善了1962年Brnnstrm等人针对牙齿冷热疼痛机制提出的流体动力学假说.

耦合运动的襟翼-翼型气动特性数值仿真

为了研究采用主动后缘襟翼的智能旋翼在高速前飞状态下,耦合运动对襟翼-翼型的气动特性和动态失速特性的影响,通过数值求解Navier-Stokes方程来模拟作挥舞-变距耦合运动的襟翼-翼型的气动特性.湍流模型为雷诺平均的Spalart-Allmaras模型.结果显示,与单纯变距运动相比,当与变距运动同频、同相的挥舞运动耦合后,耦合运动会引起更大的气动系数超调和滞回环;耦合运动会增大黏性干扰区域尺度,使襟翼-翼型失速类型由动态轻失速变为动态深失速;耦合运动会增大力矩系数对流场变化的敏感度.

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。

流体的几种简化模型在输水隧道抗震计算中的应用

随着我国西部开发中水利水电工程建设的展开,有关软土中的输水隧道的抗震安全问题益见重要。这里重点研究了水体的几种简化模型在软土浅埋输水隧道的地震反应分析中的应用。分别采用水体的不同简化方法(等效密度、Housner模型、Westergaard公式)与水体假设为势流体时的流-固耦合的水固统一模型对一实际输水隧道进行地震反应分析。数值分析结果显示:不论采用水体的简化模型还是采用势流体的流-固耦合模型,其结果均相差不大。

页岩气老井重复压裂时机优化方法

基于多孔介质弹性理论、嵌入式离散裂缝模型及有限体积法,考虑页岩气微观渗流机制,建立适用于裂缝性页岩气储集层的渗流-地质力学全耦合模型,并提出了重复压裂时机优化方法,采用四川盆地涪陵页岩气井资料分析了重复压裂时机的影响因素。研究表明:受地层压力衰竭影响,最大水平主应力反转面积占总面积的百分比随时间的延长先增加后减小,且距人工裂缝越近的区域,应力反转面积百分比曲线出现峰值的时间越短,最终归零(恢复到初始状态)的时间也越短。重复压裂的最佳时间受基质渗透率、初始应力差、天然裂缝逼近角的影响:基质渗透率、初始应力差越大,应力反转面积百分比曲线出现峰值、恢复到初始状态的时间越短,采取重复压裂措施的时机越早。天然裂缝逼近角越大,裂缝附近越难发生应力反转、重复压裂最佳时间越早,人工裂缝末端以远区域越易发生应力反转、重复压裂最佳时间越晚。对于基质渗透率很小的储集层,其单井产能递减快,为保证经济性,可采取关井或注气补能等措施恢复应力,提前实施重复压裂。

无阀压电微流体泵工作特性与结构参数

根据平面无阀压电微流体泵的结构特点,采用厚度平均的浅水模型和有限元法,得到微流体泵液体-振动片耦合方程。耦合方程的模态分析给出硅片一阶模态自然频率和振型,以及硅片振幅-频率关系。在模态分析之后,加入压电力考察振动片响应、微泵流动特征和微泵流量。同时研究微泵结构参数(微泵压电片半径、扩散管长度、最小宽度、扩散张角)对微流体泵液—固耦合系统的自然频率、振动片振幅和微泵流量的影响,得出对微流体泵优化设计有重要意义的结果。