水力压裂力学机理新探索

引入分形理论、岩石损伤力学和岩石断裂力学等相关领域的最新研究成果,综合采用理论分析、试验研究和数值分析等手段,主要对油气藏水压裂缝的分形特征、水力压裂裂缝起裂延伸的损伤力学模型和裂缝几何形态模拟的损伤力学模型等方面进行分析研究,力图对上述水力压裂力学机理研究中关心的问题进行深入细致地理论分析与探索,分析了相应的力学模型和计算方法,并进行了探索性的算例分析,为水力压裂力学机理的研究提供了新的方向和新的思路。

地应力对水压致裂裂纹扩展影响的数值模拟

研究岩石在渗流-应力作用下裂纹萌生、扩展的破坏机制问题,采用岩石破裂过程分析软件对不同地应力水平和含不同倾角裂纹下水压致裂裂纹扩展进行了数值模拟研究,结果表明:在内孔水压作用下,随着地应力由80 MPa逐渐减少到45 MPa时,形成的平直裂纹由垂直于水平主应力方向逐渐向偏离水平主应力的方向发展,同时周围伴随着许多随机裂纹;预制裂纹水压致裂可以看出水压是穿过预制裂纹的,该成果为石油工业提高石油开采率提供了理论基础和科学依据.

轨道交通网络级联失效影响范围研究

轨道交通系统因多因素干扰引发客流集中、车站拥挤,并相继传播至周边车站,形成级联失效.把握拥挤在轨道交通网络的传播范围,是减少交通突发事件影响的基础.基于轨道交通拥挤传播机理分析,将物理结构、网络初始交通状态、客流量融合进耦合映像格子模型(Coupled Map Lattice,CML)中,通过历史客流数据量化参数,构建轨道交通拥挤传播模型,展开3种不同情景下拥挤传播过程分析.实例验证结果表明,轨道交通车站的初始状态、耦合系数对拥挤传播影响显著,网络结构对拥挤传播范围的影响并不明显.根据网络结构、初始值和耦合系数,可以掌握拥挤传播规模,识别拥挤车站的影响范围,有助于提高轨道交通系统的可靠性.

基于改进PFC流固耦合算法的页岩水力压裂裂缝扩展研究

针对颗粒流软件PFC中传统流固耦合算法的局限性,提出使用几何图形定义流动管道替换接触定义流通管道的流固耦合分析技术,解决基本算法中因为接触破坏而流动管道失效的问题,能更准确地描述页岩破坏后裂缝的优先流效应。在此基础上,通过设定额外属性区分管道流和裂隙流,提出水力压裂裂缝开度的计算公式,并建立储层页岩水力压裂模型,分析不同地应力作用下的完整页岩裂缝扩展模式,验证水力压裂模型的可靠性。研究结果表明:不同地应力组合的压裂裂缝扩展模式不同,不同方向的地应力相差较大时,裂缝依然沿着最大主应力方向延伸,当层理倾角不同时,压裂裂缝以较大角度逼近层理面,且较易穿过层理面,当压裂裂缝逼近角较小时,易被层理捕获并延伸;注水压力增大时,基质裂缝迅速萌生扩展,流体流入扩展的裂缝中,压裂裂缝的延伸模式差异显著;当页岩层理密度越小时,起裂注水压力越大,但层理密度较大对裂缝延伸的阻碍效应更明显。

基于波传播分析的水下粘弹性复合圆柱壳振动功率流研究

采用波传播分析方法,讨论了外部敷设粘弹性自由阻尼材料的无限长圆柱壳在流场中受径向简谐激励的振动功率流。用复模量形式计及粘弹性阻尼的损耗因子,研究了自由阻尼圆柱壳在外激励作用下的输入功率流和沿壳体传播的功率流。结果表明粘弹性阻尼层可以明显降低激振力输入壳体的功率流,加快振动波在结构内的衰减,为潜艇结构和水下各种管道的减振降噪提供了一定的理论参考。

热扰动冲击下的高温超导电缆失超恢复特性

高温超导(HTS)电缆在运行过程中,不可避免会遇到热扰动冲击,当热扰动能量足够大时会引起高温超导电缆的局部失超,并沿着电缆轴向传播。该文通过建立等效电路模型和一维传热模型,实现电场和温度场的耦合求解,得到高温超导电缆在热扰动冲击下的失超恢复特性,并考虑热流脉冲和液氮流速对电缆失超恢复过程的影响。结果表明:当热扰动能量低于临界恢复能量时,高温超导电缆在液氮冷却下逐渐恢复至超导态;否则,电缆的失超段将沿着轴向传播,导致电缆整体失超。随着努塞尔数的增大,临界恢复能量呈指数增大。电缆恢复时间与液氮流速呈幂律关系。该文计算结果对高温超导电缆的正常运行具有指导意义。

缝洞型油藏波动和流动耦合模型井底压力分析

缝洞型油藏储集介质包括基质、裂缝和溶洞.在缝洞型油藏的研究中,由于其复杂的孔隙结构和流动机理,裂缝-溶洞-基质之间的相互作用通常被简化为粒间窜流,然而实际地层中如果溶洞体积很大,会导致流动过程中压力变化很大,所以溶洞并不能被简化为一种介质.通过联立力学三大守恒方程,洞中的压力是以波的形式在溶洞中传播(类似于一种压力降的形式)的理论首次被提出,进而形成了波动和流动耦合的缝洞型油藏新的试井模型,并与外部地层渗流方程相结合形成新的完备的控制方程组,再通过Laplace变换和数值反演,得到了井底压力及压力导数的双对数曲线典型图版.结果表明,井底压力曲线形态受流动和波动相关的无量纲参数以及与外部地层性质有关的无量纲参数的影响,针对各个参数进行了敏感性分析.同时与新疆油田的某实例井相拟合,发现曲线拟合效果很好,地质解释结果与实际结果符合.

水流量标准装置的流量和压力快速控制

针对流量和压力调节相互耦合导致控制系统快速性降低的问题,以水流量标准装置为例,分析了流量和压力的耦合关系;以调节阀开度为流量主控制量,变频器工作频率为压力主控制量;提出了神经网络结合PID的快速控制方法;建立了神经网络模型,并进行了模型预测精度验证和控制特性实验验证。预测结果与实验结果表明,变频器工作频率预测相对误差在±0.6%以内,调节阀开度预测相对误差在±5%以内;BP神经网络结合PID的控制效果良好:与串行PID控制相比,流量和压力的调节时间减少38.5%～87.3%;与并行PID控制相比,流量和压力的调节时间减少25.4%～83.7%。

页岩气储层四维地应力演化及加密井复杂裂缝扩展研究进展

油气藏流体运移及地层岩石形变贯穿油气开发始终,是油气开发的核心科学问题。页岩储层天然裂缝发育、地层流体流动机理多样、岩石力学参数呈现非均质性和各向异性等特征,致使页岩气储层气藏渗流—地质力学耦合问题异常复杂。页岩气井生产过程中井筒周围储层产生不同程度的压降,扰动压降区的原地应力,储层应力随开采时间不断演化,即四维动态地应力。准确预测页岩气储层四维动态地应力场是页岩气加密井压裂和重复压裂设计的前提。因此,本文系统总结了油气藏渗流—地质力学耦合及加密井裂缝扩展的数值模拟方法,深入讨论了页岩气藏多场耦合模拟进展和最新研究成果。目前油气藏渗流—地质力学耦合模型多种多样,按照耦合求解形式可划分为全耦合、顺序耦合、单向耦合及拟耦合,通过一种或多种软件结合实现复杂的耦合计算,但各类计算方法的计算时效性及适用性存在差异。由于页岩储层地质特征复杂,目前四维地应力演化模型在传统模型基础上进行了改进,其主要为基于全耦合方法的连续介质模型和离散裂缝模型,以及迭代耦合模型。页岩气开发过程中,三向地应力随孔隙压力的减小而降低,应力方向也会随之发生偏转。相对于连续介质,裂缝会影响储层地应力分布规律和变化趋势。这种地应力状态演化会使加密井裂缝扩展发生偏转及产生"Frac-hit"现象,并引起"微地震屏障"效应。页岩气藏开发过程中的储层渗流—地质力学耦合及裂缝扩展研究是多物理场、多维度、多尺度的耦合问题,本文建议深入研究地质工程一体化的解决方案,开展四维地应力演化条件下页岩气藏水平井重复压裂及加密井压裂过程中复杂裂缝扩展机理研究、页岩气储层立体化开发复杂裂缝空间干扰机理研究、重复压裂及加密井压裂时间优化研究,以及水平井压裂套管损伤机理研究等,为我国页岩气藏的持续高效开发提供理论支撑。

基于随机车流-桥梁耦合振动的板梁桥铰接缝裂缝扩展分析方法

为明确公路空心板梁桥铰接缝在随机车流荷载长期作用下的裂缝扩展情况,提出一种基于随机车流-桥梁耦合振动的铰接缝疲劳裂缝扩展分析方法:首先,基于Monte-Carlo法建立随机车流模拟模型;其次,将随机车流荷载作为外部激励,并结合车桥耦合理论,建立随机车流-桥梁耦合振动分析模型;最后,基于Paris疲劳裂缝扩展模型,开展铰接缝裂缝扩展行为分析。以一座公路空心板梁桥为分析对象,进行缝裂扩展规律探究,结果表明:空心板梁桥铰接缝裂缝在随机车流作用下的扩展形式以下缘混凝土轴拉疲劳开裂为主;实际工程中,应重点关注与行车道中心线较近的铰接缝健康状况,其次应关注距超车道与行车道的总中心线较近的铰接缝状态;铰接缝裂缝的扩展速度随车重、超载车辆数目及初始裂缝高度增加而加快。

基于优化PSO-BP算法的耦合时空特征下地铁客流预测

为提高地铁客流预测的准确性,以西安地铁1号线为例,分析了地铁客流的耦合时空特征,提取了影响地铁客流变化的5个主要因素,包括节日、非节日、时间段、站点和天气,构建了反向传播(BP)神经网络,预测了地铁客流;利用引入自适应变异与均衡惯性权重的粒子群优化(PSO)算法,优化了BP神经网络,形成了考虑复杂因素影响的地铁客流预测系统;选取了换乘站、非换乘站的首站与中间站,引入天气、节日、非节日因素,对比了不同时间段下的BP神经网络模型,优化了PSO-BP神经网络模型的预测误差。研究结果表明:考虑天气、节日、非节日因素,换乘站点分时段优化PSO-BP神经网络模型预测的平均绝对误差、均方根误差和平均绝对百分比误差,较不分时段的优化PSO-BP神经网络模型分别平均下降了40.13%、31.46%和23.89%,较分时段的BP神经网络模型分别平均下降了17.50%、17.86%和17.32%;非换乘站点分时段优化PSO-BP神经网络模型预测的平均绝对误差、均方根误差和平均绝对百分比误差,较不分时段的优化PSO-BP神经网络模型分别平均下降了16.50%、20.99%和32.59%,较分时段的BP神经网络模型分别平均下降了11.48%、12.10%和17.73%;各站点分时段优化PSO-BP神经网络模型预测的平均绝对误差、均方根误差、平均绝对百分比误差,较不分时段的优化PSO-BP神经网络模型分别平均下降了24.37%、24.48%和29.69%,较分时段的BP神经网络模型分别平均下降了13.49%、14.02%和17.59%,因此,利用考虑多影响因素的优化PSO-BP神经网络模型能提高地铁客流预测的准确性。

页岩气储层四维地应力演化及加密井复杂裂缝扩展规律

页岩气储层天然裂缝发育,非均质性和各向异性强,储层压力、地应力等地质力学参数随着页岩气开采不断演化,使得老井与加密井裂缝扩展存在明显差异,这对后期加密井部署和压裂改造设计具有重要影响。综合考虑页岩气储层地质力学参数、天然裂缝等的非均质性和各向异性,提出了一套基于储层四维地应力演化的页岩气藏加密井水力压裂复杂裂缝扩展模拟方法,建立了气藏渗流-地质力学耦合的水力压裂复杂裂缝交错扩展模型,并通过现场试井数据、压裂施工参数、微地震监测数据等进行验证。以四川盆地X1页岩气井组为例,开展了页岩气储层长期开采过程中四维地应力动态演化及其对加密井复杂裂缝扩展的影响规律研究,研究结果发现:目标区域长期开采后,老井附近储层三向地应力均减小,但水平两向主应力差和垂向应力差增大,且地应力差增大程度在老井井筒处最大,越靠近加密井处则越小;受地层应力状态变化影响,加密井水力压裂复杂裂缝扩展规律与老井相比存在明显差异,相比老井,加密井水力压裂裂缝在井筒附近较复杂,越靠近老井越简单。

考虑车车与车路通讯并存的路侧单元优化布设方法

路侧单元(Road Side Unit,RSU)作为车路协同系统(Cooperative Vehicle Infrastructure System,CVIS)中路侧感知控制网与网联化车辆自组网的重要节点,其布设方案对车路交互效能、系统建设成本与协同服务水平均产生较大影响。现有RSU优化布设研究主要基于车路(Vehicle to Infrastructure,V2I)通讯,忽视了车车(Vehicle to Vehicle,V2V)通讯的转发和中继作用,也缺乏对RSU设备及线网布设成本的相关考量。针对上述问题,面向V2V和V2I通讯并存环境,考虑信息覆盖正向收益与设备/线网布设负向收益,构建面向综合收益最优的RSU布设方案优化模型。首先结合信息流-交通流耦合模型获取传播时间矩阵,提出权重约束可达性算法,构建布设方案与信息覆盖正向收益之间的关系方程。然后针对动态最优布设方案条件下的最优线网布设问题,提出改进的最小生成树模型,并以此设计综合收益最优的RSU优化布设模型。最后,基于井字形算例路网,进行模型验证和关键系数敏感性分析;并基于Sioux Falls路网,将所提出的模型与现有未考虑信息流-交通流耦合特性的RSU优化布设模型进行对比。研究结果表明:所构建的布设方法可较好地反映实际信息流传播状态,覆盖率误差在5%以内;RSU最优布设方案与交通流运行状态密切相关,交叉口及路段中节点均有成为最优节点的可能;RSU布设方案将受线网/设备布设成本和信息生命周期的直接影响;对比现有模型,在Sioux Falls路网和所给定参数的条件下,所提方法在信息覆盖率和布设后的综合收益方面相较现有方法均提升了30%以上。