基于分子动力学方法的致密砂岩储层CO_(2)驱油研究进展

随着致密砂岩储层CO_(2)-EOR项目的不断增加,亟需对CO_(2)与致密砂岩储层流体在孔隙介质中的相互作用机理进行研究,但室内实验难以观察到CO_(2)与流体在孔隙通道中的动态过程,而分子动力学模拟则可以弥补传统实验和数值方法的不足。为此,围绕该方法在CO_(2)-EOR研究中的2大重点——界面行为与受限空间运移行为,对包括萃取、溶胀、降黏、降低界面张力、最小混相压力、润湿性等6个方面界面行为的相关研究成果进行了系统梳理,结合前人对CO_(2)与致密砂岩储层流体在受限空间中运移行为的研究成果,提出了分子动力学在致密砂岩储层CO_(2)-EOR研究中的关键科学问题。研究结果表明:①分子动力学能够很好地将CO_(2)萃取原油中—轻烃组分的过程进行可视化,建议根据原油实际组分构成分析CO_(2)的萃取能力,从而弄清CO_(2)萃取原油中各组分的优先顺序及效率;②有关CO_(2)分子对原油溶胀降黏作用的研究,大多数成果中的原油组分体系较为单一,建议根据实际储层的原油组分,系统探讨高温高压条件下CO_(2)的溶胀降黏作用;③对于CO_(2)与油水两相之间界面张力的研究更多是在体相中进行展开,而在纳米受限空间界面行为的研究还有待完善;④有关地层水在孔隙壁面的润湿性研究,对不同因素之间的协同效应影响润湿性的机理尚不明确。结论认为,随着量子力学研究的不断深入以及计算性能的日益强大,该方法可以在更大尺度上进行复杂体系的计算,以其为基础的油藏、页岩油气藏CO_(2)-EOR机理等研究将会取得较大的突破。

天然气水合物开采的土力学问题:现状与挑战

有效确定含天然气水合物(以下简称水合物)沉积物的工程力学特性并厘清其随水合物分解过程的变化规律,是实现水合物安全、高效开采的前提和保证。为此,围绕水合物开采过程所涉及的关键土力学问题,从物理力学特性的关键测试技术、沉积物的力学特性、含水合物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程土力学多场耦合数值模拟等方面,分析和评述了国内外最新相关研究现状、存在的缺陷与不足,进而探讨了上述研究方向未来的发展趋势。结论认为,尽管经过20多年来的发展,有关水合物开采的理论、方法和技术均取得了显著的进展,但从岩土力学的角度来看,目前仍然面临着以下挑战:①大尺度含水合物沉积物试样的人工制备;②含水合物沉积物微细观组构的精细探测与定量表征;③组构变化对含水合物沉积物力学特性的影响机理与规律;④开采扰动下,流沙发生的条件及对储层稳定性的影响机制;⑤开采扰动下,多相多组分含水合物储层的多过程耦合问题;⑥水合物分解/生成条件下,含水合物沉积物的本构响应;⑦有关水合物开采过程数学模型的适定性问题;⑧高效稳定的水合物开采过程数值模型的全耦合解法。

含水合物砂土力学特性及本构模型

天然气水合物(以下简称水合物)的不当开发可能会带来一系列的地质灾害和环境问题,因此,开展含天然气水合物地层开采过程中的安全稳定性评估显得尤为重要,而建立能有效描述含水合物沉积物的力学行为的本构模型是安全稳定性分析的核心前提。在分析含CO_2水合物砂土的三轴力学特性的基础上,把含水合物沉积物视为水合物和土颗粒骨架组成的复合胶结性材料,参考胶结土体的建模思路,引入附加内变量描述水合物对土体的胶结影响,建立了含水合物砂土的屈服函数和非关联流动法则,建立了含水合物砂土的本构模型。通过模型验证及分析,模型能较好地模拟不同围压下和不同水合物含量下含水合物砂土的应力应变曲线,反映含水合物砂土的力学特性。

孔隙溶液对膨胀土力学性质影响

为研究孔隙溶液的浓度和组分对膨胀土力学性质的影响规律,对含不同浓度的Na Cl、Ca Cl_2溶液的膨胀土进行自由膨胀率试验和直剪试验。试验结果表明,随着溶液浓度的增大,自由膨胀率先快速降低,再平缓下降;浓度相同时含Na Cl溶液的膨胀土其自由膨胀率比含Ca Cl_2溶液的稍大,随着溶液浓度的增大,土样的剪切强度和黏聚力降低;溶液对内摩擦角的影响较小。分析试验结果认为,膨胀土表面具有固定的负电荷,颗粒表面会形成双电层;随着盐溶液浓度的增大,双电层厚度降低,颗粒间斥力减小,使得粒间应力增大,土颗粒沉降,降低了自由膨胀率;阳离子化学价越高,半径越大,对双电层的影响越显著,因此Ca Cl_2溶液比Na Cl溶液对自由膨胀率的影响更大。另一方面,盐溶液会改变膨胀土的结构,使其从集聚状变成絮凝状。盐溶液增大粒间应力,使膨胀土的强度增大,结构的改变会使强度降低,上述两种影响因素对强度呈相反的趋势,对该广西膨胀土,结构的作用超过了粒间应力的影响。

基于知识图谱的中国碳捕集、利用与封存领域研究历程

碳捕集、利用与封存(carbon capture,utilization,and storage,CCUS)技术是目前国际上应对气候变化的重要手段,对实现碳减排目标、促进可持续发展具有重要意义。该文首先梳理我国有关CCUS政策的发展历程,然后通过文献计量和科学知识图谱相结合的方法,基于中国知网数据库中2000年至2022年CCUS领域的研究文献(期刊论文和专利),利用VOSviewer和Excel软件统计分析论文的年度发文趋势、载文期刊、资助基金、研究机构、发文作者和研究热点以及专利的年度公开数量、主题及学科分布和发明人,并以二氧化碳吸收剂和二氧化碳驱油技术为例分析CCUS流程中的若干重点技术的发展进程和趋势。最后,针对现阶段CCUS研究存在的问题提出一定的建议。

浙江漩门湾软粘土物理力学特性的统计分析

通过现场原位取样与室内试验,对浙江漩门三期海堤地基软粘土的物理力学性质及其相关性进行了研究,并给出了各重要指标间相关性的经验公式。通过统计分析表明,各土层物理力学指标空间变异性较小,各指标沿深度的变化与土体的结构性相关。通过线性相关性分析表明,灵敏度与孔隙比的相关性较差,需要进一步的分析;而压缩系数与含水率和孔隙比之间的相关性较好,故可根据软粘土的物性指标进行土体压缩系数的预测,对工程设计初期具有一定的指导意义。

天然气水合物水平井降压开采多相渗流—传热—力学耦合数值模拟:方法和南海场地应用

为安全高效开采天然气水合物,研究开采过程中水合物储层的稳定性至关重要,THM耦合数值模拟能清晰认识水平井开采水合物过程中的力学响应规律,但由于模型常被简化为垂直于生产井的剖面来进行模拟,对真实地层变形空间的演化特征刻画不足。为此,基于水合物开采程序TOUGH+HYDRATE,引入对FLAC力学程序的交互接口,构建了适用于水平井大规模开采的多相渗流—传热—力学(THM)耦合模拟程序,并基于我国第二次水合物试采场地资料,在以水平井试采实际产气量约束THM耦合模型的基础上,研究了水平井中长期开发条件下的气水产出与地层变形规律。研究结果表明:(1)在7 MPa生产压力、300 m井长条件下,水平井开采1年的产气量可达1190×10^(4)m^(3),压降在游离气层中的影响范围较大,产气来源于游离气层和水合物层,水合物分解范围不大;(2)预测试采60天时的海底沉降约为0.16 m,开采1年后可达0.52 m。结论认为:(1)水平井开采水合物会引起较大范围的海底沉降,海底面呈线性持续下沉,空间上的沉降呈椭圆形分布;(2)水平井及其上方的变形(垂向位移)最大,是最易发生地层破坏的位置;(3)建议后期结合海底地形、峡谷展布、矿体空间厚度不均等特征,研究中长期开采下的海底变形和滑坡风险。

石英云母片岩结构特征及其物理模拟

石英云母片岩为典型片理岩石,以其特有的片理构造区别于层理或层状岩石,造成其破坏机制区别于常规意义上的层理或层状岩石.由于石英云母片岩石遇水易崩解,片理面倾角变化剧烈,造成系统多角度定向取样难度大,岩石变异性大,进一步导致其力学试验难以系统开展,而通过相似材料物理模拟试验定性探究岩石力学特性及行为方式是岩石力学领域经常采用的研究方法.首先,采用电镜扫描和偏光显微镜揭示石英云母片岩的结构和构造特征,并根据室内试验结果,从宏观及细观角度对石英云母片岩的变形破坏机制进行分析;其次,为较好模拟和体现片理构造特征发明一种制作片理岩石相似材料的装置和方法,并制作获得了相应的物理模拟材料.最后,通过不同片理面倾角单轴和三轴试验,研究此相似材料的力学行为、破坏特征及力学参数随片理面倾角和围压的变化规律.基于物质结构表观分析和力学试验结果对比验证所制作片理岩石相似材料装置的可靠性、方法的可行性及材料本身的相似性.

沿海氯盐环境下地铁车站结构地震响应规律

地铁车站结构抗震分析中,通常只对完好结构进行地震响应规律分析,然而,沿海城市地铁车站结构埋置于地下,易遭受氯离子侵蚀,导致材料性能退化。为此,针对沿海氯盐环境下不同锈蚀程度的地铁车站结构,建立相应的非线性土-结构相互作用有限元模型。采用整体式静力推覆分析,研究氯离子侵蚀对土-结构柔度比的影响,并基于非线性时程分析,研究氯离子侵蚀下地铁车站结构的地震响应规律。数值模拟结果表明:相对完好状态,10%和20%锈蚀率的车站结构土-结构柔度比分别下降6%和18%,然而,由于地下结构受到周围土体的约束,在相同地震作用下,底层中柱的最大层间位移角没有显著变化;底层中柱作为抗震薄弱环节,钢筋锈蚀造成中柱变形能力及承载能力的下降,导致地铁车站结构的安全系数下降10%和20%左右;锈蚀后结构中柱最大层间位移角增幅与场地响应有关,低频成分丰富的地震作用下,土体将产生大的剪切变形,使得中柱纤维截面中钢筋承担更多的剪力,此时钢筋锈蚀将对中柱层间位移角产生较大影响。

碱渣回填地下废弃盐腔室内一维沉降试验研究

盐矿水溶开采产出卤水的同时会在地下形成大量的废弃溶腔,而盐化工企业利用采出的卤水制碱时会产生大量的固体废渣(即碱渣),将碱渣与饱和卤水混合制成浆体注填到废弃盐腔的过程称为碱渣回填废弃盐腔。碱渣在充满卤水的溶腔内的沉降特性对回填效果会产生重要影响,作为初步研究,对两种不同类型碱渣与饱和卤水混合而成的碱渣浆进行了室内一维沉降试验研究。试验发现:黏粒含量少的碱渣浆絮团发育程度低,絮团小而相互独立,沉降类型为絮凝均匀沉降,黏粒含量多的碱渣浆絮团发育程度高,絮团大而联结成网,发生絮网沉降;碱渣浆沉降过程可以分为4个阶段:絮凝阶段、沉降阶段、主固结阶段和次固结阶段;对比两种碱渣的沉降过程发现,发生絮网沉降的碱渣浆在前3个阶段用时均较长;沉降基本结束后,形成的沉积体孔隙比较大,沉积体内仍含有大量的自由水。本研究揭示了两种不同类型碱渣的一维沉降规律,为进一步探索碱渣沉降固结机理及现场碱渣回填废弃盐腔工程提供一定参考。

爆炸挤淤作用对海相软黏土压缩特性的影响

浙江漩门三期围垦项目中采用爆炸挤淤置换法进行筑堤工程,为了对爆炸置换后海堤的固结沉降预测及稳定性评价提供可靠的试验参数,取爆炸前后地基范围内的海相软黏土,进行一维压缩和各向等压固结试验,并对该地区软土的压缩变形与结构特性进行初步研究。试验结果表明,海相软黏土存在一定的结构特性,表现出与其重塑土不同的性质;通过引入孔隙指数的概念,研究该地区软黏土的结构性,证实土体结构性的存在是其压缩特性不同于重塑样压缩曲线的内在原因,在高压力范围内其压缩曲线趋近于固有压缩曲线。爆炸挤淤作用对海相软黏土产生较强的扰动效应,也对其基本物理性质与压缩特性均产生重要影响;扰动效应造成软黏土的结构屈服应力降低,结构强度下降,采用新定义的结构破坏比来定量评估爆炸挤淤作用对海相软黏土结构性的破坏程度,可为爆炸挤淤置换法处理软基的海堤工程提供一定的理论基础。

颗粒级配对粗粒土强度与变形特性影响的研究

采用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土变形特性的颗粒流模型。通过粗粒土三轴试验,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了5种不同级配下粗粒土在3种不同围压下的变形特性。试验结果表明,曲率系数对粗颗粒土变形特性影响较大,当其有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低。以较大曲率系数与较大不均匀系数组合的粗粒土受力性能较好,但此种级配的粗粒土压缩性大。级配良好且不均匀系数较大,其应力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。

多孔介质中气泡尺寸对流动阻力的影响

多孔介质中的泡沫能够封堵某些孔道,降低气体流动性。由于直接观察多孔介质中的泡沫流动比较困难,所以关于泡沫流动性与气泡尺寸之间的关系研究较少。利用Navier-Stokes方程与守恒的水平集方法耦合模拟孔隙介质中气泡尺寸对流动阻力的影响,结果证实,气泡尺寸是影响流体阻力的重要因素。当气泡半径小于孔喉半径时,气泡不受孔道约束,气泡流动过程中流动阻力较稳定,此时含气泡流体流动阻力与纯液态流体流动阻力相等,所以小于孔喉尺寸的气泡对孔道无封堵作用。当气泡半径大于孔喉半径时,孔道影响气泡变形,其流动阻力存在波动性,最大流动阻力随气泡体积变大呈线性增加。当气泡体积增加到使最大流动阻力达极大值时,继续增大气泡体积,最大流动阻力随气泡体积增大而线性降低。最大流动阻力随气泡体积增大而线性增大与减小变化具有周期性,周期为单位孔体体积。

压缩过程中非饱和膨胀土体变特征与持水特性的水力耦合效应

土体压缩是岩土工程领域的基本问题。压缩过程中非饱和土的力学与水力学行为是同时发生且相互影响的,有必要统一考察体变特征与持水特性的水力耦合效应。为此,以荆门弱膨胀土为研究对象,开展土中水密度试验、饱和与控制吸力下的非饱和一维压缩试验,准确测量了压缩与卸荷回弹过程中孔隙比–重力含水率–吸力–竖向净应力关系,探讨了水力耦合状况下非饱和膨胀土的体变特征与持水特性规律,并建立相应本构描述。结论如下:1加载段,非饱和压缩曲线均发生明显转折,体现出屈服行为;随吸力增大,压缩曲线依次发生"穿越"现象;卸载段大体呈线性,其斜率随吸力增大而降低。提出能够描述干缩、压缩、卸荷体胀、屈服、压缩性与卸荷回弹性随吸力变化等行为的非饱和土体变方程,可直接用于分层总和法计算。2不同吸力下重力含水率变化存在较大差异;压缩至2941.8 k Pa时,不同吸力下含水率非常接近。吸力与竖向净应力对含水率变化的耦合影响可用3参数Logistic函数描述。3压缩过程中饱和度随竖向净应力增大而增大,卸荷过程中随竖向净应力降低亦增大。采用饱和度或重力含水率,对压缩过程中的水力路径会出现"湿化"与"脱湿"的不同判断,即水力耦合状况下土体表现出复杂的持水状态变化特征。

基于NMM的EFG方法及其裂纹扩展模拟

数值流形方法 (numerucal manifold method,NMM)通过引入数学覆盖和物理覆盖两套系统来统一处理连续和非连续问题.通过用移动最小二乘插值(moving least squares interpolation,MLS)中的节点影响域构造数学覆盖,得到了基于数值流形方法的无网格伽辽金法(element free Galerkin,EFG).该方法在保证前处理简单的同时,又能方便处理如裂纹等不连续问题.建立了适用于小变形和大变形的裂纹扩展计算格式,并通过对曲折裂纹(kinked crack)的处理,在不加密的情况下实现了任意小步长的裂纹扩展,大大提高了在固定网格中模拟裂纹扩展的实用性.大小变形的结果对比表明,按照不考虑构型变化的小变形计算,结果可能偏于危险.

利用黏滞剩磁进行水平地应力定向的试验研究

为了快速准确地对地层水平地应力进行定向,指导页岩气的水力压裂开采,研究利用岩心的黏滞剩磁定向方法。该方法可以克服一般古地磁定向的不足,在不考虑地层年代和复杂构造运动的情况下还原岩心在地层中的原始方位。利用热退磁手段分离出黏滞剩磁,对岩心进行定向,并对取自重庆涪陵地区某页岩气井多个层位的岩心进行了古地磁测试。结合声发射Kaiser效应测得的地应力资料,对测试结果进行处理,得到取心层位最大水平主应力的方位角,与先期地震资料的结果进行比较,二者具有较好的一致性。研究结果表明,利用黏滞剩磁进行水平地应力定向的方法是可行、而且有效的。

海上CO_(2)地质封存监测现状及建议

海上二氧化碳(CO_(2))地质封存是中国应对滨海地区温室气体排放的重要举措,是实现“碳达峰、碳中和”目标不可或缺的关键技术。中国沿海地区工业发达、碳源丰富,近海盆地具有良好的储盖层物性和圈闭特征,封存潜力巨大,目前中国首个海上CO_(2)地质封存示范工程已在南海珠江口盆地正式启动。CO_(2)监测作为CCUS技术的重要组成部分,贯穿CO_(2)地质封存的全生命周期,是确保封存工程安全性和合理性的必要手段。然而,中国海上CO_(2)地质封存技术处于起步阶段,海上监测任务颇具挑战。文章回顾了国际上海上CO_(2)地质封存的相关代表性研究工作以及示范项目案例,对监测指标、技术、监测方案等进行分析,提出海上CO_(2)地质封存监测技术筛选优化方法和监测建议,旨在为中国海上CO_(2)地质封存示范项目的开展提供参考依据。

考虑土水吸附效应的黏土收缩曲线方程

在干燥条件下土体逐渐失水产生收缩变形,对土体开裂、地基承载力及边坡稳定性产生重要的影响.因此,有效预测含水量变化下土体的体积收缩变形具有重要的意义.本研究提出了能考虑土水吸附效应的全含水量范围内的土体收缩曲线数学方程.该方程能够同时描述脱湿过程中结构性与非结构性黏土的收缩体变.通过考虑土水吸附效应对土体收缩变形的影响,引入1个参数描述低含水量条件下土体收缩斜率,仅用1个方程即可预测从饱和到干燥条件下土体的完整收缩行为,尤其是低含水量条件下土体的体变特性.通过方程的预测曲线与文献中实测数据的对比,证实了所提出黏土收缩曲线方程的可靠性.同时,与现有方程的预测能力进行对比,表明提出的方程能够很好地描述低含水量条件下黏性土的非0收缩段与非0收缩斜率行为,证实了低含水量条件下土体收缩变形预测中考虑土水吸附效应的必要性与重要性.

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。

考虑多因素的固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法

受井壁表面粗糙度、钻井液残留和温压扰动等因素的影响,固井二界面是整个环空封隔的最薄弱环节,且极易发生张拉破坏导致环空密封失效,但已有的评价方法只能获得固井二界面的胶结剪切强度,不能很好地评价固井二界面抗拉破裂性能。为此,考虑岩性、界面粗糙度、钻井液残留、冲洗液清洗和水泥浆等主要因素,建立了一种固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法,从冲洗效率、胶结细观结构、抗拉强度、破裂形貌等多个维度对固井二界面胶结抗拉性能进行了系统评价。研究结果表明,该评价方法科学合理、步骤清晰、简单适用、试验结果离散性小,不同因素下测试结果区分度好,进一步完善了固井二界面胶结强度评价方法,具有较高的推广应用价值。