封面故事

正煤炭地下气化是通过将气化剂注入到地下煤层中,使煤在煤层发生一系列物理化学反应,生成氢气、一氧化碳和甲烷等可燃气体的化学采煤方法。该方法不仅可以开采浅层难以开采的煤,而且能开发深层煤甚至超深层煤资源,是解决我国能源危机拓展天然气资源的有效手段之一。封面图为目前流行的"U"型井开发模式的工艺流程及煤炭气化反应和热流机理图。     

煤炭地下气化关键力学问题的数值研究进展

煤炭资源的清洁高效利用已成为“双碳”背景下科学研究的重要方向和新课题.在众多相关技术中,煤炭地下气化技术近年来得到快速发展并展现出巨大潜力.然而,由于室内实验和现场试验的实施成本非常高,气化机理认识和控制运行工艺优化方面的研究均受到很大限制.近年来,运行成本低、操作简单、实施周期短的数值模拟方法成为重要的研究工具,得到越来越多的关注.由于煤炭地下气化过程极其复杂,数值模拟方法在数学建模和数值求解方面均面临巨大挑战.对此,本文开展了以下工作:对煤炭地下气化过程进行了详细分析,阐明各个运行空间的物质和关键问题,厘清煤炭地下气化的本质;归纳出流体动力学问题、热力学问题、材料应力问题以及化学反应动力学问题等4类关键力学问题;详细介绍每个关键力学问题数值研究的最新成果和发展历程;介绍煤炭地下气化数值研究的工程应用,并指出其发展趋势.本文工作对推动煤炭地下气化数值方法的发展以及指导我国煤炭地下气化先导试验设计和现场实施有积极的理论意义.     

钻井完井液浸泡弱化页岩脆性机制

页岩脆性是页岩地层钻井、水力压裂设计的关键参数之一,目前针对钻井过程中工作液浸泡对页岩脆性的影响还未引起关注.通过开展钻井完井液浸泡前后页岩三轴力学实验,利用脆性评价模型分析了页岩脆性变化特征.结果表明,延长组页岩脆性强于龙马溪组页岩;油基和水基钻井完井液浸泡均能导致页岩脆性降低,且油基钻井完井液浸泡后的页岩脆性降低幅度更大;龙马溪组页岩浸泡后脆性减弱幅度较延长组页岩大.页岩脆性弱化机制包括:(1)由层理面胶结强度不同引起的脆性强弱差异;(2)由毛管自吸作用导致的高孔压、高应力强度因子、低临界断裂韧性;(3)由碱液侵蚀导致的页岩溶蚀孔形成及矿物颗粒碎裂;(4)由黏土矿物水化膨胀产生的膨胀应力;(5)由钻井完井液滤液润滑导致的页岩破裂面摩擦系数降低.延长组页岩层理面强度较龙马溪组页岩低,导致延长组页岩脆性强于龙马溪组页岩.其次,和水基钻井完井液相比,油基钻井完井液具有更大的自吸量、更高的pH值、更强的润滑性,因此,油基钻井完井液浸泡降低页岩脆性幅度更大.另外,由于龙马溪组页岩具有更小的润湿角、更强的毛管自吸和碱液侵蚀作用,相同浸泡条件下,龙马溪组页岩脆性降低幅度更大.本研究可为页岩地层钻井液性能优化、井壁稳定控制、水力压裂设计等提供理论指导.      

煤炭地下气化腔CO2埋存的研究进展及发展趋势

CO₂捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现,是解决温室效应的重要手段.在众多地质埋存空间中,煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点,但与传统埋存方式相比,相关工作仍处于理论探索阶段,缺乏现场实施案例.为推动该埋存方式的发展,文章从以下3方面开展工作.(1)介绍UCG和CO₂气化腔埋存的国内外研究进展,并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段,目前尚处于理论探索阶段.(2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO₂埋存机理等多个角度出发,通过与其他埋存方式对比,分析了气化腔埋存的特点与优势:注入性良好;密闭性与未开发煤层类似,但更为复杂;显著节约CO₂运输成本;埋存潜力巨大;埋存机理非常复杂,需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO₂与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响.(3)阐明CO₂气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题,并指出未来发展趋势.在以上工作的基础上,建议国家...     

基于离散裂缝的多段压裂水平井数值试井模型及应用

水平井压裂技术已经成为开发低渗透油气藏、页岩气藏和致密气场等非常规油气藏的关键技术。基于离散裂缝模型,对裂缝进行简化,建立了二维多段压裂水平井有限导流数值试井模型,利用有限元方法求解模型,获得多段压裂水平井试井理论曲线和压力场特征。分析表明:多段压裂水平井的试井理论曲线一共分为七个阶段:井筒储存段、裂缝线性流段、裂缝-地层双线性流段、裂缝干扰段、地层线性流段、系统径向流段和边界作用段,其中裂缝-地层双线性流段和裂缝干扰是其典型特征。分析了裂缝数量、裂缝间距、裂缝不对称、裂缝不等长和裂缝部分缺失等因素对试井理论曲线的影响,结果表明:裂缝数量和裂缝间距对试井理论曲线的影响最大。较多的裂缝、较大裂缝间距、对称的裂缝和等长的裂缝有利于降低压裂水平井井底的流动阻力,提高产能。将建立的数值试井模型应用于四川盆地一口多段压裂水平井的压力恢复测试的数值试井解释,结果表明:本文建立的模型可以较好的拟合压力恢复测试数据,可以获得裂缝的导流能力和裂缝长度,为压裂效果评价和压裂设计提供指导。      

基于离散裂缝的多段压裂水平井数值试井模型及应用

水平井压裂技术已经成为开发低渗透油气藏、页岩气藏和致密气场等非常规油气藏的关键技术.基于离散裂缝模型,对裂缝进行简化,建立了二维多段压裂水平井有限导流裂缝数值试井模型,利用有限元方法求解模型,获得多段压裂水平井试井理论曲线和压力场特征.分析表明:多段压裂水平井的试井理论曲线一共分为7个阶段:井筒储存段、裂缝线性流段、裂缝–地层双线性流段、裂缝干扰段、地层线性流段、系统径向流段和边界作用段,其中裂缝–地层双线性流段和裂缝干扰段是其典型特征.分析了裂缝数量、裂缝间距、裂缝不对称、裂缝不等长和裂缝部分缺失等因素对试井理论曲线的影响,结果表明:裂缝数量和裂缝间距对试井理论曲线的影响最大.较多的裂缝、较大裂缝间距、对称的裂缝和等长的裂缝有利于降低压裂水平井井底的流动阻力,提高产能.将建立的数值试井模型应用于四川盆地一口多段压裂水平井的压力恢复测试的数值试井解释,结果表明:本文建立的模型可以较好地拟合压力恢复测试数据,可以获得裂缝的导流能力和裂缝长度,为压裂效果评价和压裂设计提供指导.     

结构力学分析方法在南海水平井钻进预测中的应用

本文探讨了结构力学分析方法-非线性有限元性在预测水平井钻进中的工程应用,在钻探水平井尤其是大位移水平井中,事先较准确地预测出钻柱的钻进扭矩及钻头前进的方向,是取得水平井成功的关键条件之一。利用非线性有限元理论,着重分析了水平井实际钻进中的钻柱大变形非线性及钻柱与井壁的接触非线性问题,并导出了一套非线性有限元钻柱力学模式,在此基础上编制了一套非线性力学计算程序软件,并在海洋石油南海西部石油公司一个钻井平台水平井钻井进行了五口井的实际验证,获得了一些有启迪性的结论。     

井筒气液两相流对致密气压裂水平井试井的影响

多段压裂水平井技术是目前开采致密气最常用的方法之一,在致密气压裂水平井试井测试中常常伴随着一定的产水量,井筒气液两相流会增加井筒流体的流动阻力,加大井筒流体流动对试井解释的影响.为了明确井筒气液两相流对致密气藏压裂水平井试井的影响,提高产水致密气压裂水平井的试井解释精度,建立了一种井筒气液两相流与地层渗流耦合的试井模型,采用数值方法对模型进行求解,获得了考虑井筒气液两相流的压裂水平井试井理论曲线、压力场分布及裂缝产量分布.研究结果表明:井筒气液两相流会增加试井理论曲线中压力和压力导数值,造成靠近入窗点的压力扩散要快于远离入窗点的压力扩散,引起靠近入窗点的裂缝产量要高于远离入窗点的裂缝产量.现场实例分析进一步说明,不考虑井筒两相流可能会对产水压裂水平井的试井解释结果产生很大误差,主要表现为水平井筒假设为无限大导流能力会使得拟合得到的表皮系数偏大,将测试点视为入窗点会使得拟合得到的原始地层压力偏小.所建立的考虑井筒两相流的压裂水平井试井模型为产水致密气井试井资料的正确解释提供了重要技术保障.      

页岩气藏压裂水平井试井分析

页岩气藏资源丰富,开发潜力巨大,已成为目前研究的热点.与常规气藏相比,页岩气藏运移机制复杂,流动模式呈非线性,有必要考虑页岩气的吸附解吸,天然微裂缝的应力敏感性,人工裂缝内的非达西流等非线性因素对压裂水平井压力响应的影响. 基于双重介质和离散裂缝混合模型,分别采用Langmuir等温吸附方程描述吸附解吸,渗透率指数模型描述应力敏感,Forchheimer方程描述非达西效应,建立页岩气藏压裂水平井数值试井模型. 运用伽辽金有限元法对模型进行求解.根据试井特征曲线,划分流动阶段,着重分析非线性因素对压力响应的影响.结果表明:页岩气藏压裂水平井存在压裂裂缝线性流、压裂裂缝径向流、地层线性流、系统径向流及封闭边界影响5 种流动阶段.吸附解吸的影响发生窜流之后,Langmuir吸附体积增大,拟压力导数曲线凹槽更加明显,系统径向流出现时间与压力波传播到边界时间均延迟;天然裂缝系统的应力敏感性主要影响试井曲线的晚期段,拟压力和拟压力导数曲线均表现为上翘,应力敏感效应越强,上翘幅度越大;高速非达西效应对早期段影响较大,非达西效应越强,拟压力降幅度越大,试井曲线上翘.与解析解的对比以及矿场实例验证了模型的正确性与适用性.      

封面图片说明

封面图为一组油气井地下渗流场的模拟图(带箭头的线为流线,其他为等值线,颜色深浅表示压力的大小,圆圈的核心为井点).油气井井组的渗流是油气田开发方案制定及方案调整的重要依据,无论是对常规油气藏还是对非常规油气藏都有着重要的意义.从油气藏井组的渗流场图可以看出:流体的流动方向、压力分布的不均匀程度以及不同井产量对整个井组渗流场的影响.从渗流场图还可以确定不流动区域的位置,为调整井的钻井提供可靠的依据.(图文供稿:刘曰武,中国科学院力学研究所)     

5-1/2 FH钻杆接头极限承载能力研究

随着超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油钻井工程中的广泛应用,由井下复杂工况引起的钻杆接头过早失效问题日益突出,导致钻井周期增长,成本增加,成为制约钻井工程效益的主要因素之一. 近年来,不少学者对钻杆接头进行了大量研究,多数采用二维轴对称模型,少数采用三维力学模型,但并未同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用等因素的影响,而钻杆接头的极限承载能力研究更是鲜见报道. 针对上述问题,基于虚功原理、von Mises 屈服原则及接触非线性理论,同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用,建立了钻杆接头的三维数值仿真模型与井眼曲率到加载弯矩的转换模型,研究了钻杆接头的上扣特性、井眼曲率对连接强度和密封性能的影响,考虑预紧力、弯曲载荷及动载安全系数,计算了钻杆接头的极限工作拉力和极限工作扭矩. 研究结果表明：上扣扭矩使钻杆接头产生一定的初始接触压力,保证钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能;井眼曲率对钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能影响极大,常见的某些工况会导致钻杆接头的连接强度和密封性能丧失,考虑服役时的随机振动与冲击,常规的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段钻杆接头的设计和选型应着重考虑井眼曲率的影响;针对设计的每种钻杆接头,都应考虑常见的井眼曲率和轴向拉伸载荷进行极限工作拉力和极限工作扭矩的精细化数值计算,以确保其安全工作.     

Characterisation of underground blast-induced ground motions from large-scale field tests

An in-situ large-scale underground blast test program was conducted to investigate stress wave characteristics inside the medium, at the soil-rock interface and on the soil ground surface. The stress wave measurements were made through a vertical borehole and a horizontal borehole inside the rock mass, and along several horizontal lines arranged at the rock-soil interface and on the soil surface. Three different charge weights of 0.5, 2.5 and 10 t with loading densities of 0.5, 2.5 and 10 kg/m³, respectively, were used in the detonation. The measured stress wave time histories and their characteristic parameters, such as peak particle velocity (PPV) and peak particle acceleration (PPA), as well as the principal frequency (PF) at different locations are presented and analyzed in this paper. The results are also compared with those recorded from small-scale tests in a previous study and those from some other researchers, and the pertinent scale effects are discussed by observing differences of the stress wave intensities between the small-scale and the large-scale tests.Received: 18 November 2002, Accepted: 8 July 2003, Published online: 8 October 2003     

深井提升动力学研究

随着浅部煤炭资源的日益枯竭, 我国煤炭开采朝着深部化和大型化方向发展, 新建和改扩建的大型立井年生产能力已达1000万吨, 开采最大深度已达1500 m. 千米深井在提升过程中, 造成提升钢丝绳、容器振荡, 特别是自由悬挂平衡尾绳大幅度摆动, 严重影响多绳摩擦提升系统向高速度、深度化发展. 在国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”支持下, 建立了单元数量自动调整的自由悬挂平衡尾绳提升系统动力学模型, 揭示了传统提升系统诱发平衡尾绳大摆动的机理; 提出了深井SAP提升新模式, 构建了多元耦合下的SAP提升系统动力学模型与非光滑动力学模型, 揭示了多参数影响下系统的非光滑动力学特性及非线性振动演化规律; 研发了适用于深部提升的SAP提升技术与装备, 开展了SAP提升技术与装备的现场研究, 解决了大强煤矿立井提升系统运行过程中尾绳大摆动、提升容器大振动等关键问题, 提高了提升系统高速运行的安全性, 消除了尾绳大摆动难控制的问题.      

Analytical model of the linear inflow to a horizontal well with hydraulic fractures in low-permeability reservoirs

At present, increasing attention has been concentrated on low-permeability deposits whose development is tightly related with technologies of horizontal drilling and hydraulic fracturing of the reservoir. However, the simultaneous presence of a horizontal section of the well and hydraulic fractures in the reservoir impedes the process of flow of reservoir liquids and gases through the porous medium and complicates simulation of such flows. In the present study a new analytical model of the linear inflow to a horizontal well with hydraulic fractures in low-permeability reservoirs is proposed. This is a generalizing model which takes into account both situations when there exists a linear flow in the direction perpendicular to the borehole of a horizontal well in the distant sections of the reservoir and when there is a linear flow in the direction parallel to the borehole of a horizontal well. The use of the model is not restricted by the shape of the flow domain. The new model proposed has a wide application field and does not require complex computations.     

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.      

COAL DRY BENEFICIATION TECHNOLOGY IN CHINA：THE STATE—OF—THE—ART

In China, coal is the major source of energy and its leading role in energy consumption would not change in the next 50 years. Coal preparation is the essential component of Clean Coal Technology. In China more than two-thirds of available coal reserves are in arid areas, which results in the unfeasibility with conventional wet processing for coal preparation. The uniqueness of dry coal beneflciation technology with air-dense medium fluidized bed is dis-cussed in this paper and a detailed survey of the current status of theoretical study, commercial application and development of the new technoloav is aiven in this paper.     

井孔约束下水平井段钻柱的浑沌运动

考虑了钻柱即时构形中轴向力对钻柱弯曲的影响,计及由于弯曲变形而产生的轴向附加力,得到了水平井段钻柱在周期性波动钻压激励下的非线性参数激励振动系统,导出了根据钻柱的物理和几何性质以及井孔尺寸计算系统参数的公式.先通过Galerkin法对控制方程在空间域内加权消残,然后在时间域内用Melnikov-Holmes方法得到了钻柱可能发生浑沌振动的参数激励的阈值.文中结果可能对钻井轨迹的控制具有一定的指导意义.