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。本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、支持向量机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。     

基于仿真和数据驱动的先进结构材料设计

先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注, 这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能. 在早期的材料设计中, 有的基于设计者的丰富经验, 从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型; 有的基于生物系统的结构和功能特点提取出仿生力学模型. 然而, 仅依靠经验性的巧妙设计很难得到最优的设计方案, 通过反复迭代设计和试验来遍历设计空间也不切实际. 为此, 拓扑优化方法被成功应用于声子晶体、元胞材料等先进结构材料的优化设计中, 但现有的拓扑优化方法在实现精准的反向设计方面尚存挑战. 基于数据驱动的机器学习方法擅长建立数据空间多维变量复杂关系, 能够揭示传统力学研究方法难以发现的更深层次的力学机理和规律, 成为力学领域崭新的研究热点. 本文系统地回顾先进结构材料设计方法的发展历程, 对比阐述各种主流设计方法, 结合本课题组的相关工作介绍数值仿真和数据驱动在先进结构材料的智能化设计方面的应用现状, 并对该领域的未来研究趋势进行探讨和展望.      

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.      

颅脑爆炸伤致伤机制及防护研究进展

颅脑爆炸伤是现代战争中士兵面临的主要伤害之一,近年来受到广泛关注。冲击波经由颅脑传播带来的直接伤害被称为初级爆炸伤。目前,初级颅脑爆炸伤致伤机制尚不明确,可能是应力波传播、颅骨弯曲变形、颅脑空化及躯干压缩等多种因素共同作用的结果。该研究是涉及多学科交叉、多物理场耦合及短时和长时效应共存的复杂问题,需要通过建立描述冲击波和颅脑相互作用的高精度、多尺度和多物理场数值模型,发展测量颅骨应变、颅内压力、加速度等力学指标的物理测试系统,结合人体和动物病理、生理、行为学等综合因素分析,最终揭示颅脑爆炸伤致伤机制。本文中介绍了初级颅脑爆炸伤致伤机制,给出了颅脑爆炸伤的行为学、生理学相关的医学评价指标,以及颅骨应变、颅内压力等关键力学评估指标,提出了基于致伤机制和评价指标的防护结构设计方法,包括基于新型防冲击波材料的头盔系统改进、头盔缓冲系统设计、增加头部保护系统的封闭性等,最后展望了在精细化建模、原位实验及防护系统设计等诸多方面的发展趋势。     

固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。（1）建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度（200 nm~10 μm）晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;（2）建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;（3）通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。