水平井砾石充填数值模拟研究进展

综述了水平井数值模拟研究的最新进展,内容包括：水平井砾石充填 机理及技术难题、充填过程中平衡砂床高度、临界流速的计算模型,描述了筛管/井筒环空砂 浆流动、冲管/筛管环空纯携砂液流动以及它们之间流体的交换和向地层的滤失过程. 重点介 绍了$\alpha$波充填过程中流动数学模型的研究现状及影响水平井砾石充填的各个 因素和存在的问题.     

防砂井挡砂介质堵塞规律实验及堵塞程度定量预测模型

防砂井挡砂介质堵塞造成降产已成为困扰油气井防砂的关键问题。已开展的大量堵塞规律研究主要涉及机理和定性描述,尚未形成可用的堵塞程度定量预测方法。针对这一问题,本文在广泛应用的砾石充填防砂条件下,利用挡砂介质堵塞评价驱替实验装置,进行了砾石层堵塞机理和规律实验,着重考察了砾石层堵塞渗透率比随驱替时间、砾砂中值比、流体流速、流体粘度、粘土含量、细质含量等生产条件的定量变化规律。根据实验数据,首先拟合砾石充填层堵塞渗透率比随时间的定量关系,引入综合堵塞系数和单项堵塞系数表征各生产条件对堵塞规律的影响,然后拟合了堵塞系数与各生产参数的经验关系,整合得到一个根据防砂参数和生产条件预测砾石充填层堵塞程度随时间变化规律的定量模型。结果表明,不同生产条件砾石层渗透率在投产早期下降较快,然后下降速度减缓并趋于基本不再变化,达到堵塞平衡状态。具体变化规律由防砂参数和生产条件控制。使用实际防砂井资料进行了模型应用案例分析,结果和规律与现场实际基本相符。该模型进一步修正后可用于防砂井动态产能预测与评价。     

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.     

竖直管道中固—液两相流动流态化实验探讨

主要探讨竖直管道中不同颗粒级配、流体流速条件下的固-液两相流动的流态化规律.首先通过量纲分析获得关键控制参数,然后以玻璃珠(粒径:0.25 mm～2.0 mm)、粉细砂(d10=0.044 mm)两种固体和水为实验介质,开展了两相流动流态化实验,考虑流体流速(相对于管道雷诺数介于640～3 300之间)和颗粒级配的影响.通过分析发现:具有均匀粒径分布的玻璃珠床,床层膨胀高度随流速的增加而增加,流速与浓度的对数呈线性关系,与Richardson--Zaki公式一致;具有较宽粒径分布的粉细砂,细颗粒随水流逐渐流出管道,剩余颗粒质量与雷诺数呈指数递减趋势.     

油水两相分层流界面波变形及破坏力学特性研究

油水两相流在管内从分层流到分散流流动状态的改变主要由界面波形态改变引起,但目前具体转变机理仍未知,为此,本文结合振幅稳定性给出油水两相分层流界面波的正弦波模型,从受力平衡的角度出发,提出界面波所受力的计算模型,得到其变形及破坏的临界预测方程,根据预测方程即可判断界面波状态,并通过数值拟合发现油水界面波的变形与管道倾角及...     

水雷冲击掩埋的一维-三维模型预测

当圆柱体或非圆柱体海军水雷通过空气、水和沉积物下落时,水雷冲击掩埋状态预测模型建立了一段时间历程.模型的输出是预测水雷在空气和水柱中的运动轨迹、在沉积物中的掩埋深度和方向,以及雷体在掩埋物中凸出部分的高度、面积和体积.模型的输入包括环境、水雷特征和初始释放状态等参数.综述近30年来水雷冲击掩埋预测模型从一维到三维的发展情况:(1)一维模型预测了在水雷降落角度恒定时的水雷质心的垂向位置;(2)二维模型预测了水雷质心在(x,z)二维平面中的位置以及绕y轴的旋转情况;(3)三维模型预测了水雷质心在(x,y,z)三维空间里的位置以及绕x,y和z轴的旋转情况.这些模型均通过从水雷冲击掩埋试验中获得的实验数据进行了验证.一维模型只求解了在沿z轴方向运动的一个动量方程,它不能很好地预测水雷的运动轨迹和掩埋深度.二维模型仅限于水雷在(x,z)平面中的运动状态预测,而且要求雷体周围的流体是静止的,另外,使用了不准确的阻尼系数和不精确的沉积物动力学.因此,二维模型在水雷的运动轨迹和埋藏深度的预测上误差很大(比在Monterey湾砂底观察的深度大6～10倍).三维模型能很好地预测圆柱体、近圆柱体以及实验用的Manta和Rockan等水雷的运动轨迹和掩埋深度.     

颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究

颗粒介质由大量离散的颗粒聚集而成,因而与传统固体和流体不同,运动过程中的颗粒介质中可能同时存在多种流态及其相互间复杂的转换过程. 颗粒介质弹性失稳机理、不可恢复应变量化是研究颗粒介质固态和流态及固-流态转变的关键. 在前期建立的双颗粒温度热力学(two-granular-temperature, TGT) 理论基础上,确定了颗粒介质的弹性稳定性条件,建立了不可恢复应变流动法则,搭建了描述颗粒固态-液态及其相互转化的简单模型. 颗粒堆积体坍塌过程是典型的颗粒介质固态和流态及其转变过程,因此本文首先开展了25 167 个陶颗粒堆积体坍塌过程的实验研究,并使用基于TGT 理论的物质点方法和离散元方法对物理实验进行了模拟. 结果表明,模型数值结果与物理实验在颗粒堆坍塌过程中的形态、速度分布等细节上吻合很好,同时也发现了现阶段所使用的物质点方法和TGT 理论的不足. 初步说明TGT 理论可以实现颗粒介质固态和流态,以及状态转变的描述.      

雾层两相耦合流场及气溶胶颗粒物的动力学性质

雾层气溶胶系统涉及复杂的动力学演变过程:碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸发、成核、沉积、表面化学反应等.因此,发展雾层与气相流场耦合的Eulerian-Lagrangian两相流模型、颗粒动力学及随机轨道模型,考虑重力、曳力、布朗力、Basset力等对颗粒相的作用.基于SIMPLE和多重Monte Carlo算法求解颗粒群平衡方程,自行开发了FAD程序首先对室内燃烧源细微颗粒物的扩散实验展开数值模拟,计算结果与实验数据吻合较好.将建立的模型和方法数值研究气溶胶污染物在雾环境中的输运过程,分析雾消散阶段颗粒相浓度、平均尺度的时空分布.结果显示:当时间演化至60 min,雾滴的平均尺度减小到初始的65.67％,而气溶胶颗粒最大数目对应的尺度为0.006 μm.     

多孔介质中气泡的生成机理及流动特性研究

根据组成多孔介质的颗粒直径、颗粒排列方式、孔喉比、束缚水饱和度,将多孔介质简化为一簇变截面毛管组成的毛管束.利用质量守恒原理和动量定理,推导出单个孔隙单元内液相压力梯度和壁面剪切应力的计算公式,得到泡沫稳定流动状态时多孔介质中的压力分布以及泡沫当量直径的计算方法.通过对喉道处气泡的受力分析,推导了截断再生气泡的当量直径计算公式.利用长U型填砂管对多孔介质中稳定泡沫的流动特性进行了实验研究.研究结果表明:稳定泡沫流动时多孔介质中的压力分布呈线性下降,孔喉结构和泡沫干度是影响泡沫封堵能力的主要因素.     

基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

基于分形理论和Mori-Tanaka方法的颗粒土渗透注浆加固体性能预测方法及应用

在注浆加固工程中, 为了避免空间变异性导致的支护结构受力过大而失稳, 提出合理的注浆加固体刚度及强度预测方法十分必要. 本文利用分形理论描述颗粒土类型的隧道围岩的孔隙特征, 基于迂曲度经验公式建立了地层体孔隙率和面孔隙率的转换关系. 以体孔隙率为变量, 结合Mori-Tanaka方法, 提出新的注浆加固体的宏观刚度预测方法. 利用能量法求解连通孔隙不同屈曲半波分布形态下的临界载荷作为加固体的单轴抗压强度, 从而建立了新的注浆加固体的强度预测理论模型. 以玉京山隧道为工程算例, 将本文方法在FLAC3D中进行二次开发, 通过对不同的地层单元随机生成孔隙率, 并利用本文方法计算并赋予地层单元不同的物理力学性质, 实现了围岩空间变异性的模拟, 数值模拟和现场监测得到的隧道洞身水平收敛的最大绝对误差仅为8 mm. 数值模拟结果表明, 对玉京山隧道回填区域进行注浆加固可以降低50%~90%的围岩位移, 极大地降低围岩不良区域对应的支护结构弯矩, 降低支护结构扭矩至0, 并将支护结构变形控制在10 mm以内, 但注浆加固难以改变灰岩和回填体之间的载荷分配规律.      

纸页受力微损伤演化过程的声发射及多元统计特征

纸页受载后的损伤断裂行为涉及其使用性能,对其损伤断裂过程的研究不仅有助于揭示纸页破坏行为的物理本质,而且有助于对纸页质量及其生产、加工工艺作出更加科学合理的评定。本文基于声发射(Acoustic Emission,AE)实验研究纸页内部微损伤演化过程,给出了评估纸页宏观损伤断裂性能的定量描述方法。首先,根据AE信号与微损伤事件之间存在本质上的关联性,通过采集和观测纸页试样受载过程中的AE信号来研究纸页损伤断裂的基本特征;其次,针对所采集AE信号的数据量大、蕴含信息丰富导致数据分析和处理困难的特点,本文采用多元随机变量的分析方法。利用概率熵和Andrews曲线法等统计分析手段对AE数据展开研究分析,并最终利用一条损伤状态轨迹曲线实现了对纸页微损伤演化过程的完整宏观描述。结果表明,纸页微损伤演化过程呈现明显阶段性变化特征;Andrews曲线的聚类结果有效地区分了不同损伤阶段的相似性和差异性,同时,不同损伤阶段中纸样的微观形貌观测提供了实验性的证据。本文以一种典型的牛皮箱板纸为试件,验证了上述方法的有效性。