牙轮钻头牙齿破岩机理研究进展

井眼形成是通过钻头牙齿破碎岩石形成岩屑来实现的,对钻头牙齿侵入破岩机理的认识有助于优化钻头结构,提高工
具破岩效率。阐述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,分别从弹性力学、裂纹扩展、数值模拟等几个方面,综述了钻头牙齿
与岩石相互作用机理的研究进展,指出了今后的研究重点。虽然前人开展了众多的物理实验与数值模拟研究,但是由于钻头牙齿
破岩过程及井底环境的复杂性,目前为止其机理并没有被完全认识清楚。理论与实验研究证明,井底压力是影响机械钻速的重要
因素之一,针对钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,建议采用先进实验和数值模拟技术,将物理实验和数值模拟结合开展研
究,揭示井底复杂应力环境下钻头牙齿的破岩机理将成为未来的研究重点。      

基于单齿侵入理论的牙轮钻头钻速方程

考虑井底水平地应力、钻井流体压力及地层孔隙压力,基于单齿侵入理论推导单齿侵入井底岩石的侵深公式,建立纯滚动锥形齿、楔形齿和滚动、剪切复合运动锥形齿等牙轮钻头的钻速方程.通过实验分析刃尖角、井底液柱压力对单齿侵入深度的影响,以及转速、轴向载荷对微钻头、牙轮钻头机械钻速的影响.结果表明:随着牙齿刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的侵深呈指数递减趋势;随着井底液柱压力的增大,牙齿侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿降低速率大.在软到中硬地层中,牙齿侵入深度大,冲击侵入、回转剪切复合破岩方式的破岩效率高;在硬度地层中,牙齿侵入深度小,纯滚动冲击侵入破岩效率高.为分析实钻时牙轮钻头的机械钻速提供计算方法.     

气举反循环钻进中牙轮钻头的改进

众所周知,气举反循环施工中把钻具下入井内,只要混合器达到一定沉没比的深度并有满足其工作需要的水源补充,它就能进行正常的钻进.但在使用中如钻头选择不当,就不能获得较高的钻进工作效率,严重时还会造成堵管,使气举反循环无法工作,影响进度,延误工期. 我公司在坦桑尼亚的桑给巴尔岛施工民用供水井时,钻遇的地层主要是以珊瑚礁为主的较坚硬岩石,可钻性为4级～6级,部分达到10级.施工的供水井口径为30.48 cm,井深60 m～80 m,部分达到100 m.为提高成井效率,确保工期,我们在钻进工艺上采用气举反循环,并在选用钻头上先后做过多次试验研究、改进.最后,采用改进过的牙轮钻头进行施工,提前优质地完成了供水井施工任务,受到工程监理方、当地政府和驻地居民的一致好评.     

地下水均衡过程的数值模拟

利用电子计算机对地下水的均衡过程进行数值模拟,这是提高以均衡法评价地下水资源精度的有效途径之一。论证地下水的均衡过程应以足够多的地下水位系列观察资料为基础,这也是获得的地下渗流过程的最主要的信息。数值模拟过程包括数学模型建立、参数调整(系统识别)和模型运转(水位预报)。本文着重论述参数调整(初始流场确定和参数调整)和模型运转(预报未来水位、论证和对比开采方案),基于上述工作要求,以有限差分法为基础用 ALGOL 语言编成一套计算用的序列程序——初始流场调整程序、参数调整程序和开采方案下的水位预报程序。这些程序已多次应用在 DJS—6机上,完成了大量的计算工作。     

地貌分形理论模型的数值模拟

利用简单分形模型和分数布朗运动模型，分别对分形地貌研究中的多度域分形曲线和外营力作用下地貌剖线自仿射分形进行了模拟计算。模拟结果显示，不同机制作用下的地貌形态分维值差异不大的时候，从分维结构图上无法获得相应的多度域分维值，这时需要借助其它手段进行分析；不同起伏的地表形态可以具有相同的分维值，夷平作用并不改变由地表侵蚀作用形成的分维值，表现出外营力作用的相对稳定性，要全面描述曲线的起伏特性需要引入渡越长度。     

泥石流数值模拟方法研究进展

泥石流作为一种多相混合介质,所包含的物理过程和动力学特征非常复杂。针对泥石流问题的数值模拟方法随着数值计算方法和物理计算模型的发展而发展,基于物理过程的数值模拟方法为探究泥石流复杂物理现象背后的机理提供了一种有效手段。回顾了求解泥石流动力问题的数值模拟方法,从连续介质计算方法、离散介质计算方法和混合介质计算方法3个方面分析了不同数值模拟方法的特点和适用情况,介绍了在泥石流分析中常用的数值模拟软件及其特点,展望了求解泥石流动力学问题的数值模拟方法的发展趋势。结果表明:传统的基于网格的计算方法已有长足发展和较长的应用历史,相对比较成熟,但是在处理大变形、快速运移的自由表面流问题时,存在网格容易畸变等问题;基于粒子的计算方法在处理上述问题时无需网格的划分和维护,易于确定自由表面位置和多相间的界面,但存在边界条件处理困难等问题;混合介质计算方法在较小尺度范围内对固体颗粒物质与液相相互作用机理进行探讨时具有重要作用。     

化学驱数值模拟技术

随着化学驱技术在油田矿场的推广应用,现有软件的化学驱模拟功能越来越难以满足油田实际需求.通过调研化学驱数值模拟技术,阐述油藏数值模拟技术的发展现状,并将CMG、ECLIPSE、UTCHEM等8种软件分为综合型软件化学驱模块和单一化学驱软件两类,分析各软件的优缺点,对比各软件的综合性能及化学驱功能,指出化学驱数值模拟软件技术存在的主要问题及发展方向.现有软件在增强前后处理功能的同时,还需进行核心的完善.化学驱软件考虑众多物理化学因素,导致求解困难,需要在数值模拟的稳定性和机理描述的合理性之间进行适当取舍.虽然国产数值模拟软件在整体性能上弱于国外商业化软件,但是在化学驱数学模型和机理描述上具备较大优势.     

自动网格法程序的数值模拟测试

为了测试改进后的程序，原始网格图和变形网格图皆由计算机生成。在生成变形网格图时，考虑了刚体移动、刚体转动、一般变形这三种变形，另外还生成一幅中间缺少网格点的大变形图像。结果表明：在不同的变形情况下，尤其在中间缺少网格点的大变形下，虽然网格点分布不规则，但是程序仍然能够自动分割、编码，而且准确无误；呈二值化分布的网格点误差为0．0058像素以下，呈高斯分布的误差为0．00076像素以下。     

基于数值模拟的含水层参数识别

利用地下水流数值模拟软件Modflow耦合大型抽水试验和长观孔水位两个模型的方法,对含水层参数进行了识别与校验,该方法求得的含水层参数避免了只利用抽水试验模型校验所带来的不确定性.同时利用抽水实验数据进行抽水与恢复的全过程曲线拟合,水位降深模拟相对误差小于6%,并且对均衡水量、泉水的溢出量以及末流场拟合程度进行了分析,均衡水量模拟相对误差最大为2.6%,泉水溢出量模拟相对误差最大为8.14%,末流场拟合程度也较好,从而提高了含水层参数的准确性.实例研究表明,这种求参方法精度高、切实可行,可以推广到其他的含水层参数确定中.     

自动网格法程序的数值模拟测试

为了测试改进后的程序,原始网格图和变形网格图皆由计算机生成。在生成变形网格图时,考虑了刚体移动、刚体转动、一般变形这三种变形,另外还生成一幅中间缺少网格点的大变形图像。结果表明:在不同的变形情况下,尤其在中间缺少网格点的大变形下,虽然网格点分布不规则,但是程序仍然能够自动分割、编码,而且准确无误;呈二值化分布的网格点误差为0.0058像素以下,呈高斯分布的误差为0.00076像素以下。     

复杂起伏地表的POD数值模拟

对油气勘探和大地测量中的复杂起伏地表采用POD方法进行数值模拟.从大量的观测数据中提取出标准正交的基函数,用这些基函数对起伏地表进行拟合.模型试验表明:这种方法是高效可行的,可广泛应用于数据压缩、图像处理、信号分析和流体的优化控制中.     

火山地区重力场变化的数值模拟

推导了火山活动引起的重力变化与地面三维位移场变化的表达公式，讨论了火山活动引起重力场变化的时空分布特征。根据火山活动的特点，采用张开型矩形位错理论模型对火山活动过程引起的地面重力场变化进行了数值模拟，并对一些火山地区观测到的重力变化进行理论解释。     

岩溶地下水系统演化的数值模拟

为了研究岩溶地区泉域系统演化过程及对泉流量进行预测,耦合了渗流模型和岩溶动力模型,对均质性和非均质性2
种条件下泉域系统进行了溶蚀演化模拟。从模拟结果上可以看出,均质性泉域系统初期水位变化较小,中后期下降明显,而非均
质性泉域系统初期下降明显,中后期水位稳定;在裂隙张开度方面,非均质模型在相同时段内裂隙张开度的最大值却比均质性模
型要大4~5cm。2个泉域系统的泉流量都经过了初期较小,中后期迅速增大的过程,只是增大的时间和每个时间点的泉流量不
同,非均质性泉域系统增大时间更早,流量更大,可以分别用指数函数和多项式函数来拟合均质性和非均质性泉域系统泉流量过
程曲线。      

三峡水库蓄水重力效应数值模拟

运用精密数值模拟算法。计算了三峡水库库首区不同蓄水高度的重力效应;对比分析了首次蓄水前后局部重力监测网观测到的重力异常与模拟计算结果。得出结论：三峡水库蓄水引起的重力效应非常明显．蓄水过程中的重力异常是多种效应的综合反映,其中蓄水本身的直接重力效应是主要的重力效应。     

毛细饱和带横向渗流数值模拟

自主编写计算机程序构建了分别基于达西定律和非线性渗流规律的渗流数值模拟技术,并开展了稳定毛细条件下多孔介质中的横向渗流实验,揭示了多孔介质毛细饱和带中渗流流场的分布特征及其变化规律:①在渗透性良好的多孔介质毛细饱和带中的渗流,当补排水水位差增大时,总水势等势线在各区域均增大,分布得更为密集;压力势水平向梯度在各区域亦均增大;压力势垂向梯度在上升流动区增大,在下降流动区减小,在中部近水平流动区变化不大;毛细饱和带厚度在上升流动区减小,在下降流动区增大,在中部近水平流动区变化很小,且仍近似等于水静止时的毛细饱和带厚度。②在低渗透性多孔介质毛细饱和带中的低速渗流,在整个渗流区域,按达西定律推算的相同总水势值的等势线比按非线性渗流规律推算的更靠近排泄区;在水势梯度较小的区域,按达西定律计算出的总水势等势线分布比按非线性渗流规律推算的更稀疏;反之,在水势梯度较大的区域,按达西定律计算出的总水势等势线分布比按非线性渗流规律推算的更稠密;结果表明,以非线性渗透规律为基础的数学模型对低渗透多孔介质毛细饱和带中低速渗流规律的刻画更为准确。      

长沙市SO_2浓度分布的数值模拟

本文用数值解扩散方程的方法模拟了长沙市SO_2的浓度分布,并比较了两种扩散系数模型的模拟结果,认为作者曾经给出的扩散系数较取扩散系数为粘性系数时为好。最后提出了一种评价、比较模式的方法     

植被变化引起我国气候变化的数值模拟

使用区域气候模式RegCM3,进行植被变化对中国区域气候影响的数值模拟试验。模拟结果表明：植被退化使气候变得更加恶劣,退化区降水减少,大气变得干燥,气温升高;而植被增加使得降水增加,大气湿度增大,气温降低。地表植被的变化可通过地气问相互作用激发出大气偏差风环流,从而影响大范围气候,乃至全球气候。     

滇西北地区近年来应力场的数值模拟研究

建立滇西北地区三维有限元地质模型,将2009~2016年GPS速度场数据作为数值模拟的位移边界条件,模拟获取该地区的构造应力场。结果表明,在楚雄至滇西北地区整体显示张性应力区;出现由“洱源鹤庆断裂-红河断裂-程海断裂”圈起的低值张性区,区域内部张性应力明显低于外部,这种张应力低值区尤其在区域四周断裂边界处,往往是地壳断裂活动的频发区;曲江断裂北端及元谋-绿汁江断裂南端出现张性应力集中区,是今后重点关注的断裂结点。     

面波频散反演的数值模拟

大量的数值模拟表明,SVD和LSQRD在面波频散网格反演两步法中的应用效果都很好.但SVD可以用分辨矩阵、信息矩阵和协方差矩阵对解估计进行数学上客观有效的评价;而对于大型稀疏方程组的求解,LSQRD确是一种内存需求小、计算速度快以及分辨抗噪能力都较强的算法 .在现有计算机运算速度较快、内存可以扩充较大的条件下,实测数据量不很大时,应采用SVD算法进行线性反演.     

植被变化引起我国气候变化的数值模拟

使用区域气候模式RegCM3,进行植被变化对中国区域气候影响的数值模拟试验。模拟结果表明：植被退化使气候变得更加恶劣,退化区降水减少,大气变得干燥,气温升高;而植被增加使得降水增加,大气湿度增大,气温降低。地表植被的变化可通过地气问相互作用激发出大气偏差风环流,从而影响大范围气候,乃至全球气候。