弦论小史（二）

我已经用1／3篇幅谈了20世纪末的两朵乌云,借此说明我们正处在新一轮物理学革命的前夜,当然这种判断非常个人化。人们也许会质疑,飘在我们头顶的暗能量和暗物质这两朵乌云与19世纪的两朵乌云完全不同,因为我们面对的是远离地球发生的事,而19世纪的两大疑惑是地面上的实验所带来的。这种质疑不无道理,但我们总可以采取一种历史姿态,认为历史不会完全重复自身。     

页岩气滑脱、扩散传输机理耦合新方法

针对页岩气流动计算中所用耦合机理不同的现状,且为了厘清滑脱和各种扩散之间的关系,首先采用理论分析和数学模型的方法,根据定义和微观运动机制对滑脱和各种扩散进行了分析,然后在考虑吸附层页岩气分子所占空间对气体流动影响的情况下,提出了"壁联扩散"的概念来表征克努森扩散和表面扩散的总效应,并指出壁联扩散和滑脱效应等同,由此提出了壁联扩散和滑脱效应在流动计算中可互换而不重复叠加的耦合新方法.实例验证表明,当毛细管半径从5 nm增大到2000 nm,壁联扩散和滑脱效应的质量通量相对误差较小,在绝大部分范围内都小于10%,且在整个孔径范围内两者平均值相差1.4×10~(-6)kg·m~(-2)·s~(-1),即平均值的相对误差仅为5.8%,该方法可以满足工程计算的需要.考虑到参数选取、机理数学模型有待完善等方面的影响,新方法的论证存在进一步提升的空间.壁联扩散的提出具有实际开发意义和多重研究意义,耦合新方法的提出阐明了滑脱和各种扩散之间的关系,防止了页岩纳米级孔隙中流动机理的重复叠加,能较好改变页岩气流动计算耦合方法不一致的现状,为页岩气开发定量计算指明新方向.     

页岩气吸附解吸规律研究

页岩中天然气的吸附解吸规律是页岩气开发的基础。根据物质平衡原理,自行设计了页岩气吸附解吸实验装置。用该装置对取自鄂尔多斯盆地的三个页岩岩样在不同温度(30～90℃)、不同压力(0.1～10MPa)条件下,进行页岩气吸附及解吸规律研究。实验结果表明,吸附量随有机碳含量的增加而增大;随压力的增加吸附量增大,而随温度的增大吸附量减小。同一温度压力条件下,相对吸附过程而言,解吸过程有滞后现象,解吸不够彻底。对粘土含量较大的页岩,朗格缪尔模型拟合效果较差,而利用修正的双朗格缪尔模型可以得到较好的拟合结果。     

分形裂缝性页岩气藏多段压裂水平井瞬态压力特征

基于分形理论和连续性假设,考虑页岩气吸附解吸、基质-裂缝窜流等机制,建立分形裂缝性页岩气藏多段压裂水平井试井解释模型,并通过拉氏变换、点源函数及压降叠加原理等方法得到模型的解.绘制无因次压力随时间变化的双对数曲线,研究分形裂缝性页岩气藏多段压裂水平井的压力特征,分析分形指数、分形维数等参数对压力动态的影响.结果表明：分形裂缝性页岩气藏多段压裂水平井的压力动态可划分为7个流动阶段;分形指数越大或分形维数越小,晚期径向流直线段的斜率越大;其它参数对水平井的压力动态也有一定的影响.     

牛顿《原理》的出版及其影响

牛顿《自然哲学之数学原理》（以下简称《原理》）被称为有史以来最伟大的著作之一;本文简述了《原理》出版的离奇过程,通过分析《原理》思想的革命性突破,充分展示了牛顿的远见卓识;《原理》构造了明晰的牛顿体系,创建了独特的牛顿风格,这种风格影响了世界科学界长达200年之久,几乎形成了对牛顿体系的逻辑痴迷．     

Ni-MOF/Zn0.5Cd0.5S合成及其光催化废水制氢研究

为了提升Zn_0.5Cd_0.5S的光催化产氢性能,采用水热法制备了Ni-MOF改性Zn_0.5Cd_0.5S复合光催化剂,通过XRD、SEM、TEM、XPS等分析方法对制备样品的结构及光电化学性能进行了表征,并研究了其光催化垃圾渗滤液混合页岩气返排废水制氢的可行性及动力学特征。结果表明,Zn_0.5Cd_0.5S主要呈现为纳米颗粒状结构,Ni-MOF主要由长约为10 μm、宽约为9 μm的超薄方形片构成,当Ni-MOF与Zn_0.5Cd_0.5S复合时,Zn_0.5Cd_0.5S纳米颗粒沉积在Ni-MOF方形片的表面,粒径显著降低,减少了Zn_0.5Cd_0.5S纳米颗粒的团聚,光吸收范围出现了蓝移,但仍然具有优异的可见光响应能力。质量分数为15%的Ni-MOF/Zn_0.5Cd_0.5S在垃圾渗滤液混合页岩...     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

页岩气在粗糙纳米孔中吸附和输运的分子模拟

从微观上理解固气表面的吸附和注气驱替原理,有助于完善页岩气开采理论.本文通过运用蒙特卡洛和分子动力学方法,模拟了甲烷在粗糙壁面结构孔隙中的吸附和流动行为.研究结果显示粗糙结构对甲烷的吸附量有显著影响,压力小于20 MPa时,粗糙模型中的吸附量更大.注气驱替时,粗糙模型中二氧化碳的突破时间和甲烷的采收率,相比光滑壁面模型明显增加.这是由于粗糙结构模型的页岩壁面表面积更大,在低压下气体吸附能力更强.矩形粗糙结构页岩模型的选择吸附性强于三角粗糙结构模型和光滑模型.研究阐明了甲烷吸附和驱替的微观机理,为提高页岩气采收率提供了指导.     

基于机器学习的页岩气采收率预测方法

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的状态赋存于泥页岩中的非常规天然气,我国探明储量丰富,地域分布广泛,埋藏深度普遍在3000米以下.页岩气开采的关键技术是水平井和水力压裂,而高效开采面临的更大困难和挑战是预测采收率.如果能够预测采收率,一是可以评估当前储层改造程度,二是可以获悉当前的施工参数对产气量的直接影响,便于动...     

基于页岩气返排液中污染气体浓度及扩散模型研究

针对页岩气开发过程中污染气体浓度与扩散分布不确定性问题,利用自主设计并搭建的开放光路傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量系统,对返排液中污染气体进行浓度反演,并通过返排液流速及污染源大小,计算出污染源源强.结合现场环境,建立参考坐标,对高斯扩散模型进行数学推导,构建污染源面源扩散模型并进行仿真分析.结果表明:源强、距离、风速、大气稳定度影响气体浓度扩散.对返排液进行80 h连续测量,确定主要污染气体浓度及面源源强.实验结果表明:返排液排放的主要污染气体为丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫;对应的最大浓度分别4.689, 25.494, 30.324, 0.656, 4.620 mg/m³.最大面源源强分别为1.9872,10.9750, 12.8513, 0.2707, 1.9064 g/s.结合风速及日间环境情况,选取大气稳定度,将源强代入面源扩散模型,进行污染气体扩散浓度构建,实现对不同污染气体不同位置上浓度分布的实时监测.相对于传统测量方法,利用FTIR方法并结合面源扩散模型,不仅能够实现对污染源的非接触远距离在线测量,还能对污染气体分布进行安全区域划分.