水平井及大斜度井砾石充填α波砂床平衡高度随机概率模型及实验研究

α波砂床平衡高度预测是水平井砾石充填过程数值模拟及施工参数优化设计的核心问题之一。根据水流紊动理论,将砂床表面流体瞬时流速视为正态分布的随机变量,将颗粒运动状态转换视为随机事件,分析状态转换事件概率及最终状态概率的数字特征。根据最终状态概率代表颗粒运动趋势的原理,砂床高度的变化是床层表面颗粒运动状态转换的结果。由平衡砂床高度和摩阻流速及平均流速的关系,建立了同时适用于水平井和大斜度井砾石充填的α波砂床平衡高度预测的随机概率模型。利用研制的大斜度井砾石充填全尺寸实验模拟装置,进行井筒倾角、筛管偏置度、流量、砂浓度对α波砂床平衡高度影响的实验研究,对随机概率模型的计算结果进行了对比验证。随机概率模型与实验结果比较吻合,平均误差10.5%,进行必要的修正可以用于大斜度井砾石充填α波砂床平衡高度预测。     

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基于射孔完井水平裂缝中支撑剂均匀充填，考虑充填层强度、油层和流体 物性以及裂缝的渗流条件，研究了地应力及渗流引起的附加应力联合作用的支撑剂充填层渗 流模型和力学模型，并进行现场应用. 研究表明，所建立的模型对压裂油井支撑剂回采出砂 状况分析具有较高的符合率，油井总体符合率、不出砂井符合率和出砂井符合率分 别为84.66\%, 84.18\%和88.10\%, 为大庆油田压裂油井防砂措施实施方案制定提 供了决策支持，有利于提高措施有效率.     

垂直井筒井液携砂流动规律研究及其在油井生产中的应用

借助自建的实验装置，研究了油井出砂砂粒在流体中的沉降规律，以此为基础提出了井液携砂能力计算模型，然后将这一研究结果与常规有杆泵抽油井生产参数设计方法相结合，提出了有杆泵抽油系统在携砂生产条件下的参数设计方法。     

颗粒的堵塞行为对单向压制过程的影响

为了研究粉末冶金压制成形过程中粉体的堵塞状态并探索堵塞对粉体致密态的影响,利用离散元方法模拟了由多分散颗粒组成的体系在单向压制过程中的堵塞现象;分析了系统压力参数随密度参数的变化规律以及颗粒间偶关联函数的第一个峰值随体积分数的变化形式,并统计得出了临近堵塞状态下颗粒间量纲为一的接触力和颗粒运动方向的概率分布规律。结果表明:系统压力参数随密度参数的变化基本符合黄培云双对数压制方程;在临近堵塞状态下,偶关联函数的第一个峰值随着体积分数的增大迅速增大到一个稳定值,轴向运动颗粒减少而横向运动颗粒增加,且颗粒之间量纲为一的接触力达到一个相对稳定的分布状态;单向压制过程颗粒主要承受法向载荷,而切向载荷相对较小;颗粒的运动状况决定了系统的堵塞状态及其相对稳定的接触力分布,影响了系统致密化过程的密度分布。     

考虑二次梯度项及动边界的双重介质低渗透油藏流动分析

在传统试井模型的非线性偏微分方程中根据弱可压缩流体的假设,忽略了二次梯度项,对于低渗透油藏这种方法是有疑问的.低渗透问题一个显著的特点就是流体的流动边界随着时间不断向外扩展.为了更好地研究双重介质低渗透油藏中流体的流动问题,考虑了二次梯度项及活动边界的影响,同时考虑了低渗透油藏的非达西渗流特征,建立了双重介质低渗透油藏流动模型.采用Douglas-Jones预估-校正差分方法获得了无限大地层定产量生产时模型的数值解,分别讨论了不同参数变化时压力的变化规律及活动边界随时间的传播规律,还分析了考虑和忽略二次梯度项影响时模型数值解之间的差异随时间的变化规律,做出了典型压力曲线图版,这些结果可用于实际试井分析.     

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼 振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作 用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的 振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$ 随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta $的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast $值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV 响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态. 在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

缝洞型油藏三维离散缝洞数值试井模型

缝洞型碳酸盐岩油藏发育着大尺度的溶洞和裂缝,非均质性极强,缝洞型碳酸盐岩油藏问题的研究成为了世界级难题之一.由于大尺度溶洞和裂缝对储层的流体流动起主导作用,因此,基于连续介质理论的双重介质或三重介质模型已不适合其中流体流动的描述.根据大型缝洞分布地质特征,探索性地提出了一种板块组合的复合架构离散缝洞模型描述该类油藏中的流体流动,将三维空间大裂缝用板块描述,溶洞用高渗透率和高孔隙度不规则多面体团块描述.将裂缝面用二维三角形单元离散, 溶洞和基质用三维四面体离散, 利用三维混合单元有限元法对建立的不定常渗流模型进行求解,得到了三维渗流条件下的试井理论曲线及压力场分布.通过对试井理论曲线特征的分析, 获得了各敏感参数对试井曲线的影响规律.通过对1口井的实际测试资料解释结果的分析,并与实际地震反射资料及生产实际资料的对比,发现本文所建立的模型可以较好地反映裂缝和溶洞的地质动态状况,并与实际生产状况具有较好的一致性.这一结果说明了所建模型的正确性以及测试资料分析结果的可靠性.      

考虑桩头约束的水平受荷单桩响应分析

基于m法的基本假定推导了考虑桩头转动约束程度、桩身自由长度和埋深比的水平受荷单桩响应解析解,获得了更具一般性的通解形式;基于该计算公式讨论了桩头转动刚度km、量纲为一的固定因子C、桩头约束度λ三种桩头约束定量表征参数间的关系;分析了桩身埋入深度和自由长度对桩头约束表征参数和单桩响应的影响。研究表明:桩头约束度λ(即有约束单桩桩头所受弯矩与桩头嵌固条件下桩头弯矩之比)不受桩和桩周土参数的影响。通过λ取0(表示桩头自由)和1(表示桩头嵌固)之间的数值有效表征桩头约束效果;采用桩身抗弯刚度和水平地基比例系数对桩头转动刚度进行量纲归一化获得系数β,在桩身埋入深度和自由长度给定的条件下,β和λ具有一一对应关系,β成为λ与单桩和桩周土体参数间相关联的关键参数。进一步的研究表明:在β相同的条件下,刚性桩的λ值大于弹性长桩,自由长度越大桩头约束度越大;桩头位移和土面下桩身最大弯矩随λ的增大呈线性变化;对于刚性桩和自由长度大于2倍桩土刚度系数的弹性长桩,自由长度变化对桩头位移比(有约束单桩的桩头位移与桩头自由单桩的比)随λ变化规律的影响不大;桩身土面下最大弯矩点深度随λ的增加而增加,随自由长度的增加而减小;在λ小于0.5时,刚性桩和弹性长桩的最大弯矩点深度基本一致,且此规律不受自由长度的影响。     

基于逾渗理论的机械密封界面静态泄漏预测方法

针对现有机械密封泄漏机理研究存在的不足,利用Hertz理论研究机械密封界面接触力学问题,揭示了孔隙率随端面形貌、端面载荷等参数的变化规律;基于逾渗理论,探讨了不同网格层数下密封界面的逾渗阈值与孔隙率的关系,建立了密封界面泄漏通道模型,以及泄漏率与端面形貌参数关系表达式;研制了机械密封静态泄漏测试装置,测试了6组不同端面形貌试件在一定介质压力下的泄漏率.结果表明:密封界面的初始孔隙率?0随着分形维数D的增大而增大;端面比压pc增大,孔隙率?减小,并随着D的增大和尺度系数G的减小,?快速减小,直至填实.在端面比压作用下,密封界面的孔隙率均大于0.593,密封界面泄漏通道可以简化为单层网格逾渗模型.密封环的表面越粗糙,其密封界面的孔隙率越大,而由孔隙连通形成的泄漏微通道孔喉尺寸就越大,致使密封界面的泄漏率越大;泄漏率理论预测值与试验结果具有良好的吻合度,验证了本文泄漏预测方法的合理性.     

非牛顿流体在非均质油藏渗流压力场实验

在非均质油藏模型上进行非牛顿流体流动物理模拟实验，对比研究水驱、聚合物驱和交联聚合物对提高石油采收率的影响．通过布置高精度的压差传感器测量不同驱替过程模型中的渗流压力场的动态变化，成胶后的交联聚合物封堵了高渗条区，改变了油藏内流体流动方向，驱替出低渗区内油，提高了采收率．     

非饱和土半空间Lamb问题及能量传输特性

地球表面绝大多数土层处于非饱和状态, 故采用传统饱和两相介质理论进行动力学分析时, 结果往往与实际情况不符. 针对这一问题, 本文以非饱和半空间作为研究对象, 基于连续介质力学和多孔介质理论, 考虑非饱和多孔介质中各相的质量守恒方程、动量守恒方程、本构方程以及有效应力原理等基本方程, 建立了以骨架位移、孔隙水压力和孔隙气压力为基本未知量的动力学控制方程. 针对非饱和半空间表面在竖向集中简谐荷载作用下的动力学响应及能量传输问题, 建立了频域内经典Lamb问题的轴对称计算模型, 采用Helmholtz分解法, 通过引入势函数Φ和Ψ表示骨架的位移分量, 结合本构方程获得了不同边界条件下半空间表面位移场和能量场等物理量的解析解答, 并通过数值算例对荷载参数(激振频率)、材料参数(饱和度、渗透系数)等影响因素进行了分析与讨论. 结果表明: (1)饱和度的升高或者激振频率下降, 都会提高非饱和半空间的表面位移幅值; (2)当渗透系数下降至一临界值时, 地表位移幅值会趋于一极限值, 并且透水(气)边界与不透水(气)边界条件下渗透系数的影响表现出明显的差异性.      

基于DIC的受载砂土颗粒体系的细观参数及运动分析

本文结合DIC方法对砂土体系进行可视化的直剪试验。通过对所采集的数字图片进行预处理,得到利于计算砂土体系细观参数的优质图片,经过图像分割和区域标记,最后利用MATLAB计算得到体系孔隙率、定向率和各向异性率等细观参数。对图像进行DIC计算分析,得到砂土颗粒体系的位移等值线云图,分析了体系内的砂土颗粒在直剪试验中的运动情况,并定性描述了位移突变对体系部分力链传递过程的影响。     

电动潜油离心泵流道堵塞振动模型研究

电动潜油泵以其独具的特点和优势在油田生产过程中得到了日益广泛的应用,但过高的故障率给油田开发带来效率和经济上的损失。其核心部件离心泵也是故障易发部件,经常出现流道堵塞,严重影响机组的正常运转。本文结合电潜泵机组的工作特性和力学性能,建立了一套潜油离心泵流道堵塞的振动识别模型,并推导了振动模型的运动方程。利用自建的大型实验装置,模拟了该类故障井的实际生产并测得了井口三维振动信号,绘制了信号的时域图和频域图。此外,本文引入小波分析方法对信号进行了细致化分析,研究了此类故障的振动特性并验证了所建模型的可靠性。     

钙质砂与结构接触面的本构模型研究

基于接触面的宏、细观物理特征,建立了单调加载条件下钙质砂与结构接触面的弹塑性增量本构关系。从接触面的宏观条件上考虑,该模型将弹性模量取为法向压力的指数函数,采用非关联流动法则和Mohr-columb屈服函数,以及切向塑性功为硬化参量,适用于多数接触摩擦问题。在细观上将滑动面抽象为锯齿面,同时将摩擦系数取为塑性功的双曲线函数,以考虑钙质砂颗粒破碎对接触面力学特性的影响。模型概念简单、参数较少,通过理论计算与钙质砂拉拔试验结果比较,显示了模型的合理性。     

聚合物驱交替注入改善吸液剖面的力学机制及效果评价方法

开发实践表明,聚合物驱采用单一段塞注入方式,暴露出了易发生剖面返转的问题。鉴于此,研究了通过交替注入方式改善吸液剖面的新型驱油方法。应用渗流力学基本定律,结合实验数据,论证了单一段塞注入剖面返转及交替注入抑制剖面返转的力学机制。结果表明,注聚合物过程中高、低渗层阻力系数表现规律不同,而交替注入方式能够使高、低渗层阻力系数表现规律趋同,是单一段塞注入方式发生剖面返转、交替注入方式抑制剖面返转的根本原因。本文建立了用低、高渗层累积阻力系数的比值作为吸液剖面改善效果的评价方法,该比值越小,低渗层吸液比例越高,吸液剖面改善效果越好。     

沙漠砂混凝土动态力学性能实验研究

采用直锥变截面式Φ74mm分离式霍普金森压杆,对不同替代率沙漠砂混凝土进行冲击压缩实验,得到了不同替代率沙漠砂混凝土在不同应变率下的应力应变曲线。分析应变率对沙漠砂混凝土峰值应力、峰值应变和比能量影响,揭示了沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土峰值应力影响规律,并对沙漠砂混凝土动态破坏模式进行研究。研究表明:随着应变率增加,沙漠砂混凝土峰值应力、强度增强因子、比能量和峰值应变逐渐增大;在同一应变率下,随着替代率增加,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小。本文研究结果可为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。     

平头弹穿透间隙式双层靶的穿甲模式

平头弹贯穿单层金属靶,随着靶厚的增加和弹速的增高,穿甲模式均可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换。因此,对于双层或多层靶的穿甲,其不同层的靶板失效模式可能是不同的。本文中对相关的平头弹穿甲Weldox 700E单层及双层间隙式钢靶的实验数据进行分析,讨论其穿甲模式。弹速较高时,贯穿第1层靶发生绝热剪切失效,弹速降低,贯穿第2层靶板发生绝热剪切失效或剪切冲塞失效, 最终失效模式为绝热剪切和剪切冲塞混杂。     

Liquefaction and displacement of saturated sand under vertical vibration loading

In order to investigate the influence of the vertical vibration loading on the liquefaction of saturated sand, one dimensional model for the saturated sand with a vertical vibration is presented based on the two phase continuous media theory. The development of the liquefaction and the liquefaction region are analyzed. It is shown that the vertical vibration loading could induce liquefaction. The rate of the liquefaction increases with the increase of the initial limit strain or initial porosity or amplitude and frequency of loading, and increases with the decrease of the permeability or initial modulus. It is shown also that there is a phase lag in the sand column. When the sand permeability distribution is non-uniform, the pore pressure and the strain will rise sharply where the permeability is the smallest, and fracture might be induced. With the development of liquefaction, the strength of the soil foundation becomes smaller and smaller. In the limiting case, landslides or debris flows could occur. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (40025103, 10202024)