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.     

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...     

基于神经网络的隐式显化方法在结构可靠度分析中的应用

针对结构可靠度分析中极限状态方程不能明确表达的情况,结合神经网络技术,提出了隐式极限状态方程转换为显式表达式的方法.该方法利用神经网络的非线性映射能力,构造出显式表达的极限状态方程,从而可以很方便的引入一次二阶矩等其他基本求解方法进行结构可靠度分析.实例数值结果表明,基于神经网络将隐式函数转化为明确表达的极限状态方程是可行的,同时该方法具有较高的精度,为结构可靠度计算提供了新的有效思路和手段.     

油气井密封结构的变形与失效行为研究进展

在今后相当长一个时期,石油和天然气依然是人类的主要能源.油气井密封是油气开采中最重要的作业之一,在水平钻井、水力压裂等最新的油气开采技术中发挥着重要的作用,促进了页岩气等非常规油气开采的发展.密封质量会直接影响油气井的安全和生产效率,密封元件的失效可造成严重的环境污染和生命财产损失.因此,深入理解密封元件的失效行为,对于油气井安全评估具有重要意义.水泥和可溶胀高弹体密封是两种最主要的密封方式.水泥密封已有百余年历史,溶胀式高弹体密封则是一种相对较新的密封技术.本文介绍这两种油气井密封结构变形与失效行为的国内外最新研究进展.首先,介绍固井水泥环固化过程中的应力演化、生产作业导致的应力、水泥环的失效模式和失效判据方面的研究进展;然后,介绍溶胀式高弹体封隔器的基本原理、力学理论、测试方法、失效模式及失稳等方面的研究进展.      

油气井密封结构的变形与失效行为研究进展

在今后相当长一个时期,石油和天然气依然是人类的主要能源.油气井密封是油气开采中最重要的作业之一,在水平钻井、水力压裂等最新的油气开采技术中发挥着重要的作用,促进了页岩气等非常规油气开采的发展.密封质量会直接影响油气井的安全和生产效率,密封元件的失效可造成严重的环境污染和生命财产损失.因此,深入理解密封元件的失效行为,对于油气井安全评估具有重要意义.水泥和可溶胀高弹体密封是两种最主要的密封方式.水泥密封已有百余年历史,溶胀式高弹体密封则是一种相对较新的密封技术.本文介绍这两种油气井密封结构变形与失效行为的国内外最新研究进展.首先,介绍固井水泥环固化过程中的应力演化、生产作业导致的应力、水泥环的失效模式和失效判据方面的研究进展;然后,介绍溶胀式高弹体封隔器的基本原理、力学理论、测试方法、失效模式及失稳等方面的研究进展.     

地下强爆炸诱发地表塌陷的试验模拟与应用

地下核爆炸后会在地表产生下陷弹坑、塌陷带等不可逆变形爆炸后效应,利用地表形变信息对地下核试验进行有效监控和评估具有十分重要的意义。基于考虑重力影响的地下强爆炸塌陷成坑相似理论,利用陆军工程大学自主研制的地下爆炸效应真空室模拟试验装置,对2017年9月3日朝鲜地下核试验诱发的地表不可逆变形进行了模型试验。试验结果表明,地表塌陷带半径为257 m,下陷弹坑的半径为154 m,与美国、前苏联等国家已有的地下核试验经验公式的数据结果基本相当,并且符合天基雷达TS-InSar卫星监测数据的估算结果,验证了地下爆炸真空室模型试验在地下强爆炸诱发地表不可逆变形区域模拟和评估的可行性,成为有效补充地震波和卫星监测地下强爆炸的一种研究手段。     

深部煤层采煤机关键部件磨损故障监测诊断的难点问题

正煤炭是我国的主体能源,煤炭产业是支撑国家经济发展的支柱之一.随着浅层煤矿接近枯竭,深部煤矿(500~1 000 m)开采已成必然.2013年我国煤炭产量达37亿吨,其中开采深度大于500 m的矿井超过40%,主体开采深度已达800 m以下,已有40多个矿井的开采深度超过千米.深部煤层的瓦斯爆炸及岩层垮塌、突水等地质灾害发生率高、偶然性强,严重威胁采掘矿工生命安全.国家安全监管局统计结果表     

长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.      

地下气化过程中煤系沉积岩热物理性能试验研究

利用GHC-Ⅱ型比热容测试仪、DRX-Ⅱ型导热系数测定仪等仪器,对乌兰察布地下气化煤层顶板泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粗砂岩及粉砂岩等5种沉积岩体进行了50~1000℃范围内的高温物理试验研究,分析了不同温度梯度下的比热容及导热系数随温度的变化规律,并用多项式函数对5种岩样的导热系数测定结果进行了拟合,得到了导热系数与温度的拟合关系式。试验结果表明,5种岩样的比热容值随着温度的升高呈现下降趋势,在100~400℃范围内,5种岩样的比热容值下降趋势较为明显;顶板泥岩等5种岩性岩样的导热系数值随着温度的升高呈现下降趋势,随着温度的升高,粗砂岩导热系数值变化最大,由50℃时的1.412W/(m·K)下降至1000℃时的0.900W/(m·K),减小了36.3%;随着温度升高,粉砂岩导热系数值变化最小,其值由50℃时的1.200W/(m·K)下降至1000℃时的0.901W/(m·K),减小了24.9%。上述结果可为研究煤炭地下气化空间温度场分布提供必要的数据。     

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.     

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.     

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.      

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,选通过Calerkin法对控制方程在空间域内加权消残,然后在时间时间域内用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。     

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。