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.      

单裂缝中携砂液流动规律研究

裂缝中携砂液流动是一种固液两相流,携砂液的运移与支撑剂的铺置是水力压裂裂缝保持导流能力的关键.本文基于FLUENT流体计算软件,采用双流体模型,将颗粒看作拟流体,携砂液按照牛顿流体处理,分析了支撑剂体积分数α_s、阿基米德数Ar、颗粒雷诺数Re以及裂缝入口边界对流动规律的影响.研究结果表明:携砂液在裂缝中的流动过程中,发展成为支撑剂体积分数不同的四个区域,包括砂堤区、颗粒悬浮区、颗粒滚流区和无砂区;支撑剂的沉降程度随着支撑剂体积分数和阿基米德数的增加而增加,而随着雷诺数增加而降低;入口为网眼型时,进入裂缝后过流面积的增加导致流速突降,使得支撑剂更容易在入口处产生堆积,在同一入口流速下,较均匀入口的工况铺砂高度大.     

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根据实验结果,将泥石流的流变关系分为稀性和粘性泥石流两类情况进行了分析,并由流变模型绘出明渠中泥石流的垂向速度分布．     

降压开采模拟试验的水合物分解阵面演化过程

水合物分解阵面演化过程与开采安全性和产气效率密切相关,是开采原位监测的重要组成部分。在玻璃砂样品中进行了甲烷水合物降压开采模拟试验,探讨了水合物饱和度对渗流阵面和水合物分解阵面演化过程的影响,结合已有理论模型,分析了水合物分解阵面传播速度的关键影响因素。结果表明:渗流阵面和水合物分解阵面的传播距离均与时间平方根呈近似线性关系,传播速度均随水合物饱和度的增加而减小;水合物分解阵面的传播速度随多孔介质的有效渗透率和降压幅度的增加而变快,随孔隙率的增加而变慢,粗砂质地层更有利于水合物降压分解阵面的传播。     

一种新的海洋浅层水合物开采法——机械-热联合法

天然气水合物是国家的战略能源之一.天然气水合物分解相变使其开采难度高于常规化石能源.国际天然气水合物试验性开采表明通过降压、注热等方法难以满足商业化开采的需求,尤其在水合物位于浅层、软土情况下,持续稳定且高效率的热量供给是其瓶颈.天然气水合物机械-热联合开采是一种新概念模式,即通过粉碎水合物沉积物通过管道输运并在内部分解,这样既增加了传热的表面积,又利用海水热量和对流传热提高了能量供给效率.分析表明:利用该方法开采时水温过高会导致水合物分解过快而产生不稳定流,温度过低又导致水合物二次生成或结冰;水流流速既要能使被粉碎的水合物沉积物颗粒悬浮和流动,又不能导致流动失稳.为了实现高效安全的机械-热水合物开采,经过初步分析提出原位水合物地层粉碎的颗粒直径设定在0.1~1.0 cm之间,控制水流速度为0.22~0.67m/s,温差保证在5K以上,混合物中水的体积分数大于0.85.      

评析谈庆明的近作《Dimensional Analysis》

量纲分析是解决实际问题的一个有力工具,不仅可以用来合理地简化及处理问题, 而且可以导出新知识、获得新信息. 越是新现象、新问题、复杂的问题, 越能体现量纲分析的优越性.      

天然气水合物分解对地层稳定性影响的离心机实验模拟

水合物分解后将引起地层强度的降低,可能造成海床沉陷、滑塌以及海洋结构物基础的破坏。针对该问题,首先以南海浅层粉砂为沉积物骨架,采用生物厌氧发酵技术合成水合物沉积物,然后进行水合物热分解引起地层响应的离心机实验模拟,获得了水合物分解引起地层变形与滑塌的特征以及孔隙压力发展的物理过程,为研究水合物分解引起海床失稳的条件进行了新的尝试。     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时, 试样强度迅速上升, 呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用. 粉质黏土沉积物粒径细小, 渗透性差,难以通过渗透作用传递压力, 提高了沉积层的破裂压力. 此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响. 适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触, 会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.      

岩土介质中局部化变形研究的一些新进展

岩土中的剪切带产生通常是断裂和失稳的前兆, 常引起滑坡等地 质灾害, 对油气或水合物等矿藏的开采容易导致压实带形成. 压实带的产生使岩土孔隙减小, 颗粒破碎, 从而导致沉陷、对油气的挤压等.本文重点对剪切带的宽度和压实带的研究现状作综述, 阐述在该问题的研究上从微观 观测到宏观表述的重要性. 通过分析, 认为还有如下问题值得研究: 怎样 准确得出局部化变形带的宽度和方向?局部化变形带形成后孔隙水和油气的渗流会发生什么 变化?颗粒层次的微结构特性是通过什么方式影响宏观表现的等等.     

饱和土中剪切带宽度的研究

主要对饱和土在简单剪切和耦合载荷下的剪切带宽进行了理论分析. 在模型中考虑了剪胀、孔压耗散、惯性及孔隙水和土颗粒之间阻力等因素的耦合效应，将有效应力考虑为应变、应变率和孔隙压力的函数. 通过对模型的简化分析得到简单剪切和耦合应力状态下的剪切带宽度的近似计算公式. 分析表明，当土体失稳后，会出现有限厚度的剪切带, 且其形成是一个后期过程，可以忽略惯性效应. 剪切带的厚度依赖于孔隙压力特性和土体骨架的剪胀特性，但是不依赖应力状态. 最后将分析与实验结果进行了对比，在一定程度上，两者是符合的.