原油裂解对油包裹体均一温度和捕获压力的影响及其地质意义

通过原油裂解动力学和石油包裹体热动力学模拟方法系统阐述了地质条件下原油裂解过程对油包裹体均一温度及捕获压力的影响.结果表明:初始裂解阶段(T_R＜13%,T＜160 ℃),油包裹体均一温度随原油裂解呈增大趋势,捕获压力呈减小趋势;随着裂解程度增大(T_R＜24%,T＜190 ℃),油包裹体均一温度随原油裂解呈减小趋势,捕获压力呈增大趋势,但此阶段油包裹体均一温度仍高于初始捕获时均一温度,捕获压力仍小于初始捕获压力;此后,随着原油裂解程度不断增大,油包裹体均一温度持续减小甚至到负值,捕获压力则持续增大甚至超过静岩压力.封闭条件下低程度的原油裂解(T＜160 ℃,T_R＜13%)只会形成常压或者低压;而较高程度的原油裂解(T_R＞40%)才会形成超压,甚至超过上覆静岩压力(T_R＞70%).深部原油裂解气勘探中要特别注意地层温度位于160~190 ℃范围内的常压到低压油气藏,而地层温度高于190 ℃原油裂解气勘探应以找超压-超高压油气藏为主.      

淹没水射流关键参数对天然气水合物沉积物冲蚀体积的影响规律研究

高压水射流技术具有工作介质来源广泛与环保等优点,能够用于海底天然气水合物储层破碎。本文运用LS-DYNA有限元程序对淹没状态下高压水射流对海洋天然气水合物沉积物破碎过程进行数值模拟,研究了射流速度、喷嘴直径、靶距、入射角度四项关键参数对含水合物沉积物冲蚀体积的影响,得出以下主要结论：含水合物沉积物产生破碎需要满足射流速度大于临界流速;随着射流速度的增加冲蚀体积逐渐增大;喷嘴直径的增加会导致沉积物径向冲蚀体积的增大,从而使总体冲蚀体积增大;靶距的增加会使水射流在水域运动过程中能量损失增大,导致冲蚀体积的减小;在喷嘴入射角度增大过程中冲蚀体积将会先增大后减小最后趋于稳定,当入射角度为10°时冲蚀体积能够达到最大值。     

压实黄土变形影响因素与计算模型研究

为研究压实黄土的压缩特性和沉降计算模型,开展了不同压实度、不同含水量下的压实黄土侧限压缩试验,分析了压力、含水量、压实度以及结构性对压实黄土压缩变形量及变形过程的影响,提出了结构性的表示方法及结构强度的计算方式,引入割线模量表达法并推导出了压实黄土加压过程的结构性本构模型及增湿本构模型。结果表明:压实黄土的压缩性随着压实度的增大而减小且压力越大减小越明显;压缩性随着初始含水量的增大而增大且塑限前后差别明显;压实黄土具有增湿变形性质,增湿变形系数随压实度的增大而减小、随增湿含水量的增大而增大;高压实度下的黄土具有结构性且结构强度随着含水量的增大而减小、随着压实度的增大而增大,据此推导出的加压结构性本构模型和增湿本构模型精度更高、物理意义更加明确。     

基于Slide的某红层路堑边坡稳定性分析

红层具有特殊的工程性质,是有名的易滑地层。采用加拿大Rocscience公司研发的Slide软件对川南某红层路堑边坡稳定性进行模拟,分析边坡在不同工况下的稳定性。根据无支护边坡稳定性计算结果,为边坡支护位置和支护参数提供参考。川南地区降雨量充沛,持续降雨是诱发边坡失稳的一个重要因素。在饱和—非饱和渗流理论的基础上,模拟了降雨强度、降雨历时对该边坡稳定性的影响,分析坡体内渗流规律。模拟结果表明:随着降雨的进行,坡体内孔隙水压力不断增大,非饱和区最大基质吸力不断减小,岩土体抗剪强度不断降低,导致边坡稳定性系数不断下降。在相同降雨历时条件下,降雨强度越大,坡体内孔隙压力变化越快,边坡稳定性系数下降也越快。     

基于风洞试验的高速远程滑坡气垫效应再研究

为了研究抛射型高速远程滑体的运动规律,在低速风洞进行了滑体模型风洞试验。试验模拟了不同离地高度、运动速度、地形和气垫效应情况下,滑体凌空飞行的气动特性,测定了滑体飞行的空气动力学参数。试验结果表明:滑体运动速度的增大将导致升力系数减小,尤其是在飞行速度较小时;模型离地越近升力系数越大,地面效应越明显;沟谷地形的地面效应较平坦地形更为明显;在气垫效应和沟谷地形耦合作用下,升力系数显著增大且主要来自气垫效应。     

泡沫油稳定性主控因素实验研究

泡沫油在天然能量开采过程中具有"原油粘度高、生产气油比低、原油日产水平高、产量递减慢、天然能量开采采收率高"等特有的开采特征;而泡沫的稳定性是决定"泡沫油现象"存在时间长短的最关键因素。为定量描述泡沫稳定性的主控因素,自主研制了高温高压泡沫油可视化稳定性测试模型,并利用该模型开展了温度、溶解气油比、降压速度及孔隙尺寸对泡沫稳定性的单因素影响规律评价实验。实验结果表明,泡沫油中泡沫稳定存在的最高温度为60℃,最低极限原始溶解气油比为5 m3/m3,最低降压速度为0.08 MPa/min;同时发现,在越接近油藏实际孔隙尺寸的多孔介质中,泡沫的存在时间越长,表明在实际油藏天然能量开发过程中,"泡沫油现象"将会长期存在。以上认识有效地指导了MPE-3油藏天然能量开发,对于类似稠油/超稠油油藏确定合理的开发操作策略,实现经济高效开发具有重要指导意义。     

致密油油藏空气泡沫调驱机理实验

以长庆某致密油井区取心样品、注入水与地层水、优选的空气泡沫体系等为基础,利用一维长岩心驱替实验装置开展了致密油储层基质与裂缝岩心分别注入纯泡沫液、空气与空气泡沫的注入能力实验,揭示在实际储层条件下,空气泡沫体系无法直接进入致密油基质岩心,但由于泡沫剂受到储层吸附,消泡后的纯泡沫液与气体可以顺利注入致密油基质岩心实现稳定驱替。设计并开展了基质渗透率级差为10、基质与裂缝双重发育的三管并联岩心驱替实验,明确了空气泡沫封堵裂缝调驱机理。泡沫流体主要进入裂缝岩心并有效封堵裂缝,部分泡沫消泡后形成的泡沫液与空气进入并驱替基质中的剩余油,最终空气泡沫驱残余油饱和度比水驱降低了21.12%,驱油效率提高了32.89%,改善水驱后开发效果明显;为避免暴性水淹的低效阶段,应在含水90%以前尽早转入空气泡沫驱,提高采油速度与经济效益。     

多段塞泡沫凝胶调驱工艺参数优化研究

针对渤海绥中36-1油田注水过程中注入水沿高渗透条带、大孔道突进的问题,以驱油用聚合物为主剂,室内研发出适合SZ36-1油田油藏条件的泡沫凝胶体系;模拟绥中36-1油田油藏条件,对所研制的泡沫凝胶体系调驱工艺参数,即注入量、注入浓度、注入速度、注入方式以及段塞组合方式等参数进行室内实验优化,实验结果表明:最佳注入量为0.2倍孔隙体积,注入量为900 mg/L·PV,注入速度必须低于10 ml/h,在上述工艺参数下采用多段塞组合方式注入,段塞组合方式应为低浓度前置段塞、中浓度主体段塞、高浓度保护段塞。     

泡沫压裂液添加剂对煤层甲烷扩散影响的分子模拟

利用分子模拟软件Materials Studio（MS）建立了一定温度、压力条件下,考虑含水煤层、泡沫压裂液起泡剂、稳泡剂相互作用的狭缝孔分子模拟模型。基于分子扩散理论计算并评价了分别在常见的4种起泡剂以及4种稳泡剂影响下的甲烷分子扩散能力大小。结果表明,与原始含水煤层相比,加入起泡剂十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和甜菜碱后,甲烷自扩散系数分别降低了71.3%、74.7%、56.3%和54.0%。相比于仅加入起泡剂（十二烷基苯磺酸钠）的情况下,加入稳泡剂聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙二醇和羧甲基纤维素后,甲烷自扩散系数分别降低了63.2%、57.9%、55.3%和71.1%。据此可知,起泡剂是降低含水煤层中甲烷扩散能力的主要因素,而稳泡剂的使用会进一步降低甲烷扩散能力。在起泡剂和稳泡剂的共同影响下,甲烷自扩散系数降低超过了80%,这对煤层气产出极为不利。建议在保证泡沫压裂液泡沫性能前提下,通过优化起泡剂分子结构、减少用量以减小起泡剂和稳泡剂对甲烷扩散的影响,并尽量避免使用大分子稳泡剂。     

预应力锚杆复合土钉墙支护体系增量解析方法

以预应力锚杆复合土钉支护体系受力变形为分析对象,假定潜在滑裂面为平面,并考虑土体分层开挖过程,将施加预应力作为一个施工工况,建立了预应力锚杆复合土钉支护体系受力变形的增量解析方法。锚杆预应力和设置位置影响分析表明,随着锚杆预应力值的增加,潜在滑裂面的倾角逐渐减小,对基坑整体稳定性的贡献先增大后减小;锚杆设置越低,增加预应力对基坑整体稳定性的贡献越大。通过实际基坑支护工程的数值模拟分析与施工过程监测结果的对比分析,验证了考虑预应力锚杆施工过程特点的复合土钉支护体系增量解析方法的合理性。     

高速远程滑坡飞行数值分析

许多大型高速远程滑坡在近程活动阶段呈现凌空飞行运动,其飞行过程必须考虑空气动力学效应和地面效应,但是直接求解高速滑体凌空飞行运动的偏微分方程是困难的。因此,以往的研究只给出了定性分析或粗略的计算结果。本文将以头寨沟滑坡为例,使用数值模拟方法研究高速滑体凌空飞行的运动规律。结果表明,高速滑体凌空飞行时空气动力效应更多地表现为对滑体的抬升作用;高速滑体因空气动力效应的影响而产生不断增大的水平推力和竖向抬升力,使得水平加速度不断增大,竖向加速度不断减小,导致滑体的水平速度不断增大,而竖向速度则趋于稳定值,当水平速度远超过竖向速度时,滑体的飞行姿态将接近于平行于地面。因此,与不考虑空气动力学效应的情况相比,高速滑体凌空飞行时间更长,飞行距离更远,更加符合滑坡的实际情况。     

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。     

基于数值模拟的劈裂注浆浆液扩散范围分析

地面高压超前区域注浆已成为煤矿水害防治的首选工程方法,注浆浆液扩散机理受到普遍关注,且分支孔间距设计多依赖现场经验,具有一定的盲目性,制约着工程效果及效益。基于淮北煤田恒源煤矿注浆现场实际工况,利用COMSOL Multiphysics软件,开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液扩散数值模拟研究及浆液扩散影响因素分析,探讨地面高压注浆浆液扩散机理。结果如下：(1) 煤层底板石炭系太原组第三薄层灰岩(简称三灰)裂隙发育,通过模拟发现,8~12 MPa高压注浆时很可能发生劈裂作用,期间渗透系数增大4~5个数量级。(2) 不考虑重力影响时,以分支孔为中心,浆液向周边扩散距离相等,且在分支孔附近,浆液浓度较大,体积分数达20%以上;考虑重力作用时,水平向浆液扩散范围相对增大,垂向上浆液主要向下扩散,表现为“上短下长”。(3) 浆液扩散模拟得出,扩散范围为41.2 m;浆液扩散范围现场实测显示,扩散范围为38.3~44.0 m,浆液扩散现场实测验证了扩散模型的正确性。(4) 浆液扩散范围与浆液相对密度、静水压力、浆液动力黏度、浆液屈服强度及孔隙率呈负相关,与裂隙隙宽、渗透系数呈正相关。其中浆液相对密度越小,其扩散范围响应越明显;随动力黏度增加,扩散范围减小得越来越慢。研究成果可为煤系底板水害区域注浆治理工程合理设计提供参考,具有较好的参考应用价值。

     

不同岩性火山岩孔隙度压力敏感性及其影响因素：以长岭断陷火山岩为例

为了解不同岩性火山岩孔隙度的压力敏感性,笔者选取长岭断陷安山岩、角砾凝灰岩和凝灰岩的代表性岩样,分别进行3.4、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa多个覆压条件下的气体法孔隙度测量。结果表明,随着压力的增大,3种岩性岩样的孔隙度呈不同幅度的减小,幅度减小程度由大到小的岩性依次为凝灰岩、角砾凝灰岩、安山岩;说明凝灰岩的孔隙压力敏感性较强、角砾凝灰岩的孔隙压力敏感性居中、安山岩的孔隙压力敏感性最弱。经X射线衍射全岩分析、偏光显微镜下岩石薄片鉴定、高压压汞仪实验和基于CPMG脉冲序列的核磁共振实验分析显示,岩石组份、颗粒分选、孔径分布是影响孔隙压力敏感性的关键因素;塑性矿物体积分数越大、颗粒越小、孔径越小,相应孔隙度的压力敏感性越强。     

温度和压强对花岗岩中矿物微观物理力学特性的影响

岩石工程性质取决于岩石中不同矿物的微观特征,本次研究将从微观角度计算北山花岗岩中主要矿物（石英、黑云母和钠长石）的物理性质和力学性质。矿物的微观物理性质使用体积和密度来表征,矿物的微观力学性质使用杨氏模量和泊松比来表征;矿物的初始晶体结构、初始晶胞参数、单晶胞模型和超晶胞模型使用公开数据库获得;矿物晶胞的稳定构象由几何优化方法来实现;使用分子力学模拟,得到了不同矿物稳定构象的微观物理性质参数和微观力学性质参数;使用分子动力学模拟,分析了温度和压强对这些微观物理力学性质参数的影响。结果表明,花岗岩的3种主要矿物中,晶胞体积大小顺序是钠长石、黑云母、石英,晶胞密度大小顺序是黑云母、石英、钠长石;石英的杨氏模量为161.70~168.78GPa、泊松比为0.25,黑云母的杨氏模量为164.85~579.93GPa、泊松比为0.16~0.31,钠长石的杨氏模量为110.72~112.49GPa、泊松比为0.27;压强为0.0001GPa、温度从300K变化到500K时,石英晶胞体积增大0.17%、密度减小0.15%、杨氏模量和泊松比没有明显变化,黑云母晶胞体积增大0.24%、密度减小0.26%、杨氏模量增大140.55%、泊松比减小26.92%,钠长石晶胞体积减小3.76%、密度增大3.91%、杨氏模量增大319.71%、泊松比减小7.41%;温度为298K、压强从0.010GPa变化到0.020GPa时,石英晶胞体积、密度、杨氏模量和泊松比没有明显变化,黑云母晶胞体积和密度没有明显变化、杨氏模量增大53.79%、泊松比减小23.81%,钠长石晶胞体积和密度没有明显变化、杨氏模量减小36.24%、泊松比增大29.41%。研究结果对分析岩石宏观物理力学特性的微观机制具有一定的参考价值。     

黏性土包气带中流体迁移规律

以黏土模拟低渗透包气带环境,探究了混溶流体在包气带中的迁移规律。实验结果表明:混溶流体在横向和垂向的最大迁移距离与流体泄漏量均符合幂函数变化规律y=axb。随着流体注入体积的增加,横向和垂向迁移距离不断增大,迁移速率逐渐减小。文章提出以横纵比作为反映流体在包气带中迁移变化规律的重要指标。横纵比总体呈下降趋势,具体分为两个阶段:流体注入体积为0~3 046 m L时,横纵比呈先上升后稳定的趋势,横纵比大于1。此阶段流体以横向发育为主,污染羽剖面呈扁平状椭圆;当流体注入体积大于3 046 m L,横纵比逐渐减小到1以下并持续减小。此阶段流体以垂向发育为主,污染羽剖面逐渐转变为竖直长条状椭圆。     

灌溉作用下浅表层黄土滑坡变形破坏机理实验研究

为有效减少泾阳地区大面积灌溉活动诱发黄土滑坡对社会和经济带来的巨大损失,开展灌溉型滑坡室内实验研究,研究坡度在灌溉条件下对黄土滑坡变形破坏过程影响,具有重大的现实意义。本次实验设计了可用于坡顶和坡面的灌溉装置,同时进行了45°斜坡和60°斜坡的两组室内灌溉模型实验,且每组斜坡内埋设体积含水率传感器、基质吸力传感器和孔隙水压力传感器三种传感器记录其内部变化。通过对两组实验过程及结果进行对比分析,进而得出灌溉条件下浅表层黄土滑坡的变形破坏规律,总结出该类滑坡的破坏模式及其诱发机理。实验结果表明,实验前期随着体积含水率不断增大,基质吸力逐渐减小至基本稳定,土体强度随之减小;实验后期上部土体饱和,斜坡产生的变形和土体排水不畅产生了超孔隙水压力,有效应力随之减小,土体强度减小至最小,导致滑坡产生。同时,坡度越大,滑坡越易发生,滑面深度和滑动距离越小。     

松辽盆地增强型地热系统(EGS)地热能开发热-水动力耦合过程

增强型地热系统地热能开发涉及到热和水动力的耦合,对应的温度和压力场时空变化特征是评价地热开发效果的关键问题。基于松辽盆地徐家围子深部地质条件,采用TOUGH2进行了地热能开发过程中裂隙-孔隙介质系统中温度和压力变化的数值模拟,分析了不同埋深水平情况下地热能开发的差别,研究了孔隙基质和裂隙介质的渗透率和孔隙度、岩石导热系数、井径、注入压力、注入温度及裂隙周围基质因素对地热能开发的影响。结果表明：采用定压力开发时生产井抽出控制整个区域的压力分布,压力梯度在注入井区域较大,并随着开发的进行,注入井的注入对压力的影响逐渐增大;温度由注入井到生产井逐渐增大,并随着开发的进行温度降低范围逐渐向生产井扩大;质量和热提取速率随时间逐渐减小。不同埋深位置的模拟结果显示,埋深大的温度相对较高,水的流动性较强,质量和热提取速率较高,压力和温度变化幅度均较大。裂隙系统的渗透率、注入井/生产井压力和注入温度、井径对深部地热开采过程中的压力和温度影响较大,从而影响热的提取效率;而孔隙基质的渗透率和孔隙度、裂隙介质的裂隙度和岩石的热传导系数的影响并不明显。     

水化钠蒙脱石微观物理力学参数的分子动力学模拟

钠蒙脱石是一种层状黏土矿物, 可使用分子动力学方法来模拟这一矿物的水化性质和微观物理力学参数。本文通过建立所含水分子数不同的钠蒙脱石模型, 分析了能量优化前后钠蒙脱石晶胞参数和能量的变化, 研究了不同含水量和温度条件下钠蒙脱石体积与密度的变化情况, 使用径向分布函数研究了钠蒙脱石的水化性质, 得到了水分子数不同情况下钠蒙脱石的物理力学参数。结果表明, 与优化前相比, 钠蒙脱石晶胞形状在能量优化后变得更加不规则, 优化后, 钠蒙脱石中的扭曲能有所上升, 其他形式能量和总能量都有不同程度地下降, 随着水分子数的不断增多, 钠蒙脱石体积逐渐增大, 密度逐渐减小, 环境温度上升时, 钠蒙脱石体积增大, 密度减小, 钠蒙脱石的水化性质、物理力学参数与水分子数有关。     

动水压力型滑坡对库水位升降作用的响应以三峡库区树坪滑坡为例

三峡库区涉水型滑坡众多,库水位周期性涨落引起库岸滑坡岩土体物理性质的改变,还使得滑体内渗流场发生变化,进而影响滑坡体稳定性。为研究库水位升降作用对涉水边坡稳定性的影响,基于三峡库区重大涉水滑坡分类,对动水压力型滑坡进行分析。以三峡库区秭归县树坪滑坡为例,利用Geo-Studio软件的SEEP模块及SLOPE分别对滑坡渗流场与稳定性进行计算,分析不同滑体渗透系数及不同库水位升降速率对动水压力型滑坡的影响规律。结果表明:对于动水压力型滑坡,库水位上升过程中,地下水位线有下凹趋势,稳定性系数有所增大; 库水位下降过程中,地下水位线有上凸现象,且稳定性系数明显减小; 库水位升降速率越大,滑体渗透系数越小,库水位变动对滑坡渗流及稳定性影响越明显。