页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展

页岩气储层水力压裂数值模拟既要考虑页岩储层岩石的特性,又要兼顾水平井分段压裂施工工艺,是一个非常棘手的力学难题.本文简述了页岩气储层岩石具有的地质力学特征和页岩气储层开发常用的水平井分段压裂技术;详述了扩展有限元、边界元、离散元在水力压裂裂缝模拟上的应用现状,指出了它们在处理裂缝问题的局限性和优越性,总结出边界元三维位移不连续法是模拟多裂缝扩展的有效方法.     

渗流力学问题中的数值反演解

介绍了一种拉普拉斯变换数值反演的新方法——Ｃｒｕｍｐ方法以及它在渗流力学问题中的应用。在数值解例中，将Ｃｒｕｍｐ方法和精确解及Ｓｔｅｈｆｅｓｔ方法进行了比较，Ｃｒｕｍｐ方法的解与精确解吻合良好，较之Ｓｔｅｈｆｅｔ方法有很大改进。在油气井现代试井分析中，用Ｃｒｕｍｐ方法绘制的典型曲线更精确     

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.      

岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型

从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、Biot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.     

三峡工程中的若干力学问题

简要介绍了三峡水利枢纽工程概况，工程建设中主要技术难点，以及几个主要工程力学问题，包括流体力学、固体力学、二相流及爆破力学等问题．结合三峡工程侧重叙述岩石（体）力学应考虑的新问题．大型岩土工程是庞大的复杂系统，岩石力学涉及众多学科．建议应用系统工程的理论和方法研究岩石（体）力学，使其在国民经济中发挥更大作用，在岩石（体）力学研究中还需针对不同的目标、任务考虑各种非线性问题．因此，岩石（体）力学应与工程问题更紧密地结合．     

页岩气开采中的井底压力并行计算

根据页岩气流动特点建立了考虑混合气体高压物性参数、渗透率与孔隙度随压力变化的页岩气流动方程,通过定义拟压力函数将页岩气流动的偏微分方程线性化。针对页岩气开发采用水平井多段压裂技术,采用Newman乘积原理得到地层拟压力流动方程的解析解表达式。依据解析解的特征将解析解分解成适合并行计算的无限求和及积分形式,提出了一套基于CUDA的页岩气地层压力算法,将地层拟压力函数解析解划分为多个并行度较高的步骤,利用GPU的并行计算能力,设计每个步骤的CUDA核函数,在英特尔i3 540CPU(3.07GHz主频,4GB内存)和NVIDIA的GTX 550显卡上,计算了页岩气的井底压力,分析了井底压力特征。实验结果表明,页岩吸附影响曲线变化剧烈程度,而扩散主要影响曲线发生变化的时间,在GPU上的页岩气压力计算可达近40倍的加速比。     

大地构造分析中的一些力学问题

综述了应用固体力学连续介质理论分析大地构造运动的问题,讨论了它们和通常力学问题的差别。主要的不同在于这里是反演问题:从地表的大地构造表现模拟出内部过程,从当前的资料追索它们的历史。依靠地球科学家所收集到的资料来引导这些反演。在数值模拟中建立适当的本构关系和破坏准则是头等重要的环节。最后提出固体力学中有关的研究课题。      

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．     

数值仿真在岩石力学教学中的应用

岩石力学作为一个重要的力学分支,是土木工程、水利水电、采矿工程等应用型学科的重要基础。本文首先调研了岩石力学教学中存在的难点,分析了数值仿真技术在教学中的优势。随后,以岩石单轴压缩实验为例,采用图像采集与颗粒流模拟相结合的数值仿真技术,演示了岩石瞬态破坏过程,揭示了岩石在受到外力时的破坏方式和破坏机理。表明了数值仿真技术在岩石力学教学中具有“全尺度、全维度、全时程”等优点。展示了数值仿真技术在描述岩石破坏过程中形象、直观的教学效果。

     

Mechanical frontiers in shale-gas development

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.     

Vibration Problems in Selected Torsional Mechanical Systems

The paper deals with vibrations of mechanical systems torsionally deformed. These problems can be discussed using two-dimensional or one-dimensional models. After the presentation of basic equations for two-dimensional problems, the study is focused on one-dimensional problems for discrete-continuous systems with a local nonlinearity and on the effect of the local nonlinearity on the behaviour of these systems.     

Mechanical behavior of amorphous polymers in shear

Based on the non-equilibrium thermodynamic theory, a new thermo-viscoelastic constitutive model for an incompressible material is proposed. This model can be considered as a kind of generalization of the non-Gaussian network theory in rubber elasticity to include the viscous and the thermal effects. A set of second rank tensorial internal variables was introduced, and in order to adequately describe the evolution of these internal variables, a new expression of the Helmholtz free energy was suggested. The mechanical behavior of the thermo-viscoelastic material under simple shear deformation was studied, and the “ viscous dissipation induced“ anisotropy due to the change of orientation distribution of molecular chains was examined. Influences of strain rate and thermal softening produced by the viscous dissipation on the shear stress were also discussed. Finally, the model predictions were compared with the experimental results performed by G‘ Sell et al. , thus the validity of the proposed model is verified.     

认知神经科学中蕴藏的力学思想与应用

该文系统总结了作者团队在脑科学领域内提出的神经能量理论与方法,以及力学与神经能量理论之间的内在联系.着重介绍了如何运用分析动力学的思想构建一个与H-H模型等效的W-Z神经元模型.并以此为基础,在神经科学领域内提出了以神经能量为核心的大尺度神经科学模型和大脑全局神经编码的理论框架.在包括视知觉等多个感知觉神经系统的信息处理、大脑的智力探索以及预测神经元新的工作机制、解释神经科学难以解释的实验现象等方面,证实了这个新颖的神经元模型所展现出来的独特功能与优势.由于可塑性是认知神经科学与智能行为的核心,通过蛋白质分子机器的经典力学分析,进一步阐明了神经元的可塑性和神经发育不仅仅只是生物化学反应过程,力学的作用与贡献也是不可或缺的重要因素.表明了力学科学在神经科学、生命科学中的研究思想及其内在逻辑的深远影响.这些研究对于今后推动实验神经科学与理论神经科学的融合,摒弃神经科学领域中还原论与整体论研究方法中的不足,并将它们各自的优点进行有效地整合,促进力学科学的理论与方法的渗透是极其重要的.      

电动力学中衰减机械系统的非线性振荡方法

衰减机械系统的非线性振荡可用来研究长约瑟夫逊结的电动力学方程式，而这方程式等同于弱衰减机械系统的非线性振荡。本文应用的方法是将控制方程线性化及结合谐波平衡法（线性谐波平衡法）而产生色散关系，再把平均法应用在弱非线性的耗散系统中得到非常准确的瞬变反应。在此提出的方法不仅考虑能量耗散，而且利用简单的线性代数等式关系来代替冗长及复杂的分析近似解。     

Mechanical stresses in a long cylindrical current-carrying solenoid

Expressions for mechanical stresses and strains in a multilayer cylindrical solenoid carrying direct current are derived and analyzed. The results are valid for both an ordinary and a superconductive solenoid whose length is large compared with its transverse dimensions.     

Mechanical annealing under low-amplitude cyclic loading in micropillars

Mechanical annealing has been demonstrated to be an effective method for decreasing the overall dislocation density in submicron single crystal. However, simultaneously significant shape change always unexpectedly happens under extremely high monotonic loading to drive the pre-existing dislocations out of the free surfaces. In the present work, through in situ TEM experiments it is found that cyclic loading with low stress amplitude can drive most dislocations out of the submicron sample with virtually little change of the shape. The underlying dislocation mechanism is revealed by carrying out discrete dislocation dynamic (DDD) simulations. The simulation results indicate that the dislocation density decreases within cycles, while the accumulated plastic strain is small. By comparing the evolution of dislocation junction under monotonic, cyclic and relaxation deformation, the cumulative irreversible slip is found to be the key factor of promoting junction destruction and dislocation annihilation at free surface under low-amplitude cyclic loading condition. By introducing this mechanics into dislocation density evolution equations, the critical conditions for mechanical annealing under cyclic and monotonic loadings are discussed. Low-amplitude cyclic loading which strengthens the single crystal without seriously disturbing the structure has the potential applications in the manufacture of defect-free nano-devices.