页岩油气高效开发中的基础理论与关键力学问题

我国页岩油气开发刚刚起步,许多基础理论和关键科学（力学）问题亟需明确和解决．本文按页岩油气开发的全过程自然地将其分为四个相互关联的科学问题展开介绍和讨论,包括：页岩工程地质力学特征与预测理论,地质力学找到气;多重耦合下的页岩油气安全钻井完井理论,钻井完井够到气;页岩地层动态随机裂缝控制机理与新概念压裂理论,体积压裂释放气;页岩油气多尺度渗流特征与开采理论,解吸运移产出气．本文提出用水力压裂创造页岩传气能力,用气体二次压裂页岩基质来解决气源问题,实现水力压裂创造的页岩传气能力与页岩基质气体供应能力相匹配,避免“断气”现象发生,最终达到页岩气可持续性开采．解决这些关键科学（力学）问题可以为页岩油气高效开发奠定可靠的基础,具有重要的理论意义和应用前景．     

页岩气开采中的若干力学前沿问题

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域:介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.      

页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂的关键力学问题

本文研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题. 提出了页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型, 指出了微观均匀假设与微观各向同性假设在页岩多孔弹性本构中的简化应用, 给出了横观各向同性多孔弹性岩石材料常数的简化测量方案, 讨论了基于修正的能量最大释放率下裂纹扩展的弱面模型, 提出了裂纹扩展禁止区现象. 阐述了钻井完井过程中的多孔弹性介质井壁稳定性和剪切破坏的时间效应, 提供了多种破坏模式下井壁许可压力范围的显式表达式, 并与传统广义胡克定律得到结果对比. 给出了水平井水力压裂缝网改造技术, 包含水力压裂的大物模实验技术、水力压裂过程中基于扩展有限元与有限体积法的耦合流体/固体/裂缝扩展的数值模拟方法, 并与黏性主导的水力压裂解析解结果对比, 针对性分析了川渝地区的水力压裂施工现场实践应用问题. 建立了基于数据驱动的页岩气采收率预测方法, 指出了机器学习中极限梯度爬升法在小数据集情况下的有效性.      

页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素. 本文基于断裂力学理论, 以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象, 依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系, 首先提出了可压裂度的概念, 给出了无量纲的定性曲线图, 涵盖了岩石脆性矿物质含量, 粘性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素. 接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数, 在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下, 依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距, 可作为工程参考指标. 本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程, 具有力学理论意义和工程应用前景.      

基于机器学习的页岩气采收率预测方法

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的状态赋存于泥页岩中的非常规天然气,我国探明储量丰富,地域分布广泛,埋藏深度普遍在3000米以下.页岩气开采的关键技术是水平井和水力压裂,而高效开采面临的更大困难和挑战是预测采收率.如果能够预测采收率,一是可以评估当前储层改造程度,二是可以获悉当前的施工参数对产气量的直接影响,便于动态指导施工.由于影响产气量的因素既包括储层自身参数,又受施工参数的直接调控,因此尚无合适的物理模型能够评估多种因素对产气量的综合影响.近年来,随着深度学习的兴起,该方法成为解决工程领域问题的热门手段.论文通过解读涪陵地区页岩气开采水平井的现场数据,分别使用深度神经网络、支持向量回归以及极限梯度爬升等三种机器学习方法,建立了从储层和施工参数到采收率的预测模型,分析了各类模型的优缺点,以及相关参数的重要性.在页岩气施工现场数据量较少的情况下,建立了合理预测采收率模型,具有工程应用前景.     

细观力学面临的新挑战国际会议简介

“细观力学面临的新挑战国际会议”(“InternationalConference on New Challenges in Mesomechanics”)于2002年8月26-30日在丹麦奥尔堡(Aalborg)召开,由奥尔堡大学(Aalborg University)主办.与会人数约120人,分别来自丹麦、中国、希腊、俄国、德国、美国、英国、日本等20多个国家.会议上报告论文100余篇.我国有12人(包括大陆、香港、台湾)参加会议,在会上作了10个报告.     

渗流力学的回顾与展望

简要回顾了渗流力学的发展过程,总结了渗流力学3个不同阶段的发展. 对渗流力学的应用进行了分类分析,并对渗流力学的下一步需要重点研究的工作进行了说明.     

多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展

简要介绍了多尺度方法的分类及各自的适用范围,重点阐述了主要的多尺度分析方法------均匀化理论,详细论述了多尺度分析方法在纤维增强复合材料弹性、黏弹性、塑性、失效退化、热力学等力学性能中的研究进展,最后对多尺度分析方法的前景进行了展望.      

多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟

首先分析了研究区煤矿山西组煤层剖面和水文地质特征,针对多煤层联合开采的特点和覆岩的工程地质特征,采用工程地质力学模型实验、数值模拟计算相结合的综合研究方法,分析了多煤层开采的采动影响及岩层动态断裂机理,得出了有关岩层移动参数和多层煤同采时应力分布状态,计算得到了多煤层开采垮落带与导水裂隙带的发育高度分别为32m和81.5m,导水裂隙带高度影响范围已经达到风化带,未形成切冒,局部穿透粘土层。     

力学教育的几个问题及其对策

当前,力学教育迫切需要加强学生的基础科学素养,提升创新能力。虽然我国力学教育界对此已有共识,但在实践中仍有若干尚待解决的问题。本文基于人才成长规律、认知学习规律、实践创新规律,对课程体系优化、力学教材建设、实践创新拓展等三个问题进行分析,提出若干思考和建议。部分建议已经过实践,可望作为解决问题的方案。     

PERSPECTIVES IN MECHANICS OF HETEROGENEOUS SOLIDS

The Microand Nano-mechanics Working Group of the Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics organized a forum to discuss the perspectives,trends,and directions in mechanics of heterogeneous materials in January 2010.The international journal,Acta Mechanica Solida Sinica,is devoted to all fields of solid mechanics and relevant disciplines in science,technology,and engineering,with a balanced coverage on analytical,experimental,numerical and applied investigations.On the occasion of the 30 th anniversary of Acta Mechanica Solida Sinica,its editor-in-chief,Professor Q.S.Zheng invited some of the forum participants to review the state-of-the-art of mechanics of heterogeneous solids,with a particular emphasis on the recent research development results of Chinese scientists.Their reviews are organized into five research areas as reported in different sections of this paper.§I firstly brings in focus on microand nano-mechanics,with regards to several selective topics,including multiscale coupled models and computational methods,nanocrystal superlattices,surface effects,micromechanical damage mechanics,and microstructural evolution of metals and shape memory alloys.§II shows discussions on multifield coupled mechanical phenomena,e.g.,multi-fields actuations of liquid crystal polymer networks,mechanical behavior of materials under radiations,and micromechanics of heterogeneous materials.In §III,we mainly address the multiscale mechanics of biological nanocomposites,biological adhesive surface mechanics,wetting and dewetting phenomena on microstructured solid surfaces.The phononic crystals and manipulation of elastic waves were elaborated in §IV.Finally,we conclude with a series of perspectives on solid mechanics.This review will set a primary goal of future science research and engineering application on solid mechanics with the effort of social and economic development.     

与地下石油储备库有关工程地质问题研究现状和对策

我国将要兴建实施较大规模战略石油储备地下库面临一系列工程地质问题和挑战。为更好地服务于库址选择和规划,为工程设计和施工提供地质依据,本文在总结归纳已有工程实例和分类基础上,结合作者已经完成的两个石油战略储备基地选址评价,提出和分析了与地下油库有关工程地质问题及相应对策。     

恒稳推进的煤与瓦斯突出

本文建立理想的一维运动模型,对煤与瓦斯突出的机理进行了探讨,指出煤的破碎起动与瓦斯渗流的耦合是煤与瓦斯突出的内在因素,大型突出相应于恒稳推进的情况,通过分析给出了讨论煤与瓦斯突出的重要的无量纲参数以及突出判据的近似形式。     

井下管柱力学与控制方法若干研究进展

关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程, 取得了许多重要的研究成果, 并主要在油气井工程中获应用实效. 然而, 由于井眼约束和作业工况的复杂性, 目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为, 导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题. 本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络, 重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程, 然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题, 包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等, 分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等, 并在一定程度上进行了总结与展望, 以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.     

磁弹性簿板屈曲的研究进展和存在的若干问题

着重评述了近２０年来有关铁磁材料弹性薄板处在均匀横向外加磁场中发生屈曲这一新的磁－力耦合问题的理论与实验研究进展，在此基础上，介绍了笔者近年来围绕这一问题所开展的工作以及尚需进一步研究的几个问题。