钻柱与井壁碰撞的非线性有限元分析

根据连续介质力学和非线性有限元理论,给出了钻柱碰撞井壁过程中钻柱的控制方程,并建立了相应的有限元列式。采用显式时间积分方法求解了基于拉格朗日算法的碰撞动力学方程。计算实例与分析表明,钻柱与井壁碰撞时所造成的最大第一主应力达到308MPa,其结果远远大于人们的估计;碰撞是造成钻柱先期失效的首要原因。采用显式非线性有限元技术可以对钻柱与井壁碰撞的过程进行成功的数值仿真分析,钻柱与井壁碰撞的整个时间历程得以全面细致地模拟再现。     

流体管道瞬态流动模型研究

管道输送是一个复杂的工艺过程,为了更加真实地反映输油管道实际运行规律,有必要采用瞬态仿真来模拟输油管道的运行。利用显式差分、隐式差分、特征线法分别模拟关阀条件下的管道瞬态压力、流量变化。模拟结果显示,显式差分对于较大的时间步长不能得到正确结果;隐式差分对于时间步长没有限制,适合模拟慢瞬变流动;特征线法可以实现对管道的瞬态流动仿真,减小时间步长,提高计算精度。管道中各点对压力波的响应时间不同,末站在10 s内关阀,输油管道在1.24×104s后才趋于稳态。根据计算结果,可以采取措施降低水击对管道的影响,为流体管道的运行管理提供依据。     

高维波动方程数值模拟的隐式分裂有限差分格式

波动方程数值模拟的有限差分格式有隐式差分格式和显式差分格式两种，各有优点和缺点。针对高维波动方程提出了一种新的隐式分裂有限差分格式。其基本原理是：首先将高维波动方程按传播方向分解为一系列的一维波动问题，然后分别沿各方向隐式求解。该格式包含了X，Y，Z三个方向相互独立的一维隐式差分格式，每个方向的一维格式在数值离散后归结为一个三对角矩阵问题，可以用追赶法快速地求解。将该格式从时间一空间域变换至时间一波数域，证明此格式可以通过适当地选取参数来提高计算精度，保证计算过程的稳定性和与八阶显式差分格式同样的频散特性。脉冲响应数值计算表明，隐式分裂有限差分格式与显式差分格式相比数值频散小，频散误差接近，频散关系平滑。盐丘模型数值计算表明，隐式分裂有限差分格式与八阶显式差分格式具有同样的频散特性，但减少了计算量。     

基于优化方法的时间-空间域隐格式有限差分算子确定方法

声波方程数值模拟构成了地震逆时偏移成像技术和全波形反演的基础。对于有限差分法而言,在满足一定的稳定性条件时,普遍存在着因网格化而形成的数值频散效应。如何有效地压制数值频散是有限差分方法研究的关键所在。为了进一步抑制数值频散,利用隐式有限差分比显式有限差分更能压制数值频散的特点,采用前人提出的新的有限差分模板(在保持相同精度的情况下增大了时间步长),应用信赖域优化方法在时间-空间域确定隐格式有限差分系数。频散分析和数值模拟试算的结果表明,这种新模板隐格式有限差分优化方法既提高了声波数值模拟精度又提高了计算效率。     

非结构化网格有限元弹性波数值模拟

使用时域有限元法进行复杂地质构造下的弹性波数值模拟时,采用非结构化网格比结构化网格能更灵活地适应对复杂几何区域的空间离散。根据弹性波动力学模拟中的空间数值频散条件和显式时间更新稳定条件,本文对有限元网格的划分进行了专门优化,使网格单元尺寸随模拟区域的介质速度变化而变化。对双层介质模型的计算证明有限元网格尺寸随速度值变化能够同时保证计算效率和计算精度,对复杂构造模型的计算表明非结构化网格下的有限元方法能够适应复杂地质构造的地震波模拟。     

三维弹性波有限元模拟在微机上的实现

针对三维弹性波有限元模拟要求计算机存大和计算长的困难，本文采用一种特殊剖分法和刚度矩阵的上半带等带宽压缩存贮法，并采用集中质量矩阵和中心差分时间积分显格式的结合，极大地节省了内存，提高了运算速度，在微机上实现了三维弹性波有限元模拟的计算，理论模型的试算验证了算法的正确性和可行性。     

波动方程数值模拟的隐式差分法

在有限差分波动方程数值模拟中,通常采用高阶差分方法来提高空间导数的数值逼近精度,以实现降低数值频散,提高数值模拟精度的目的。首先对差分频散进行了理论分析;然后讨论了估计一阶空间导数的隐式差分格式,并与通常采用的高阶精度显式差分格式进行了对比分析,结果表明,隐式差分格式能够在更宽的波数范围使差分频散控制在可接受的水平,如8阶精度的显式差分格式所适应的波数带宽约为O．55kmax,而隐式差分格式所适应的波数带宽约为0．7kmax;最后通过模型试算,对隐式差分格式的有效性进行了验证。模拟结果表明,用隐式差分格式在一定程度上降低了差分频散,提高了模拟精度。     

波动方程初至双差走时层析反演

对于有限频带的地震信号,地震波绝对走时受到震源子波的波形特征、走时测量准则等多种因素的影响,提高走时测量的精度有助于增加反演结果的可靠性。为降低绝对走时测量误差对反演的影响,采用双差走时代替绝对走时,并将其与Rytov近似导出的相位延迟敏感度核函数相结合,构造有限频带地震波的双差走时敏感度核函数。针对初至双差走时层析反演,提出了一种基于隐式矩阵向量积的高斯牛顿迭代算法,该方法无需显式计算、存储核函数及Hessian矩阵。相较于传统的散射积分方法(需要显式计算并存储核函数),波动方程初至双差走时层析反演方法仅利用了波动方程Born模拟及逆时偏移算法,因此降低了对计算机内存和外部存储的需求,可进行高效的大规模计算。高斯扰动模型数值模拟实验表明,该方法可以消除初至走时测量误差(震源子波未知)对反演的影响;Overthrust模型数据和二维起伏地表实际数据测试结果表明,采用该方法反演得到的高精度的近地表速度模型与实际地层较为吻合。     

常用油藏模拟软件中局部网格加密和自适应隐式方法的向量化和并行处理

利用较少的计算机内存进行少量计算，局部网格加密和自适应隐式方法就能有效地达到与全加密、全隐式方法类似的精度。这些方法较少用于向量处理，因为它们不易象后者一样向量化。本文讨论建立常用油藏模拟软件中局部网格加密和自适应隐式方法向量化的并行处理算法。自适应隐式方法被认为属于混合隐式的多层局部网格加密的动态模型。这种算法在扩大的第12届SPE比较求解问题中得到了检验。结果表明由于向量化，速度提高5倍。与全隐式、全加密模型比较，局部网络模型需要的计算机内存少于63％，计算时间不到42％，而精度没有明显降低。     

显式化RK和SRK气体状态方程

在化工设计或者天然气管网计算过程中,物性参数计算被反复调用,计算的精度、速度和稳定性对天然气流程数值模拟效果影响很大。对RK、SRK方程形式及数值算法进行研究,提出了适用于气态的显式RK、SRK状态方程。以多组天然气组分为例,对显式化公式进行验证,并将计算时间和计算精度进行了对比,结果表明:与迭代方法相比,显式化公式计算简单,相对误差控制在百万分之一之内;计算时间是迭代算法的十分之一;可以直接用于手工计算。     

钛钢复合板焊接有限元模拟研究进展

为了深入分析钛钢复合板不同焊接方式下焊接过程的残余应力变化,以有限元数值模拟在钛钢复合板焊接方面的研究现状为基础,结合目前钛钢复合板焊接中的常用方法及工艺特点,分析了钛钢复合板焊接过程有限元模拟的研究进展和发展趋势,分析认为,后期钛钢复合板焊接有限元模拟研究应考虑将实际熔焊工艺中的组合焊纳入研究范畴,并开展不同组合坡口下的多层多道焊接过程模拟,从而得到更为合理的焊接参数。     

螺旋焊管成形过程的有限元分析

根据螺旋焊管成形过程中板的变形特征 ,以及焊管管壁的层间剪切残余应力 ,提出了一种特殊的单元划分方案。这种方案能在保证一定精度的情况下 ,大大减少单元和节点数 ,从而能在微机上用有限元法对螺旋焊管成形过程进行有限元数值模拟。对多种成形工况的计算结果表明 :(1)钢管的残余应力在焊接前两边比中间大 ,且自由边比递送边大 ;(2 ) 2号辊下压量h对残余应力的影响远大于板宽的影响 ,h越大 ,螺旋焊管成形过程中形成的残余应力越小 ,对于管径D =10 16mm的钢管 ,h =4 80 4mm比较合适 ;(3)螺旋焊管成形过程中形成的残余应力随板宽的增加而减小     

直缝埋弧焊接钢管JCO弯曲成型有限元模型浅析

针对JCO成型过程中单次弯曲行程还未实现精确确定,仍需手动调整,导致钢管成型几何精度误差较大,椭圆度易超标的情况,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了大直径直缝埋弧焊接钢管JCO弯曲成型过程仿真模型,对该工艺过程中原料钢板的应力-应变情况进行了精确分析;并采用该模型对钢管成型时所用的压下量参数进行了模拟计算。经验证分析,模型结果贴合实际,可降低生产成本,提高生产率,改善产品质量,为直缝埋弧焊管成型工艺研究提供了较新的方法和思路。     

海洋工程高强度结构钢管制管工艺优化及应用

针对以往海洋工程用高强度结构钢管制管工艺影响产品精度问题，从材料的力学性能出发，建立卷管中压头与钢板相互作用力学模型，确定各规格压头模具尺寸；分析板材压头过程中的延展变化；并基于有限元模拟方法确定巻制及焊接过程对制管成型的影响，综合生产中各类影响参数确定钢板实际下料尺寸算法。经生产验证，优化后海洋工程高强度结构钢管制管工艺满足了工程项目精度要求，钢管成型精度较好，对结构钢管预制具有一定的工程指导和借鉴意义。     

三维四相多组分数学和数值模型

注气的目的是通过降低注入气与地层原油的界面张力,与原油达到混相(或部分混相)而开采地层剩余油。然而,由于向地层注入工作剂,使整个油气体系的热力学条件发生变化、体系的组分和组成的改变、以及体系的温度和压力的变化,从而有可能导致有机固相物质的沉积。从常规多组分模型的假设条件出发,补充完善考虑有机固相沉积的假设条件;应用达西定律并根据摩尔数守衡定理,建立三维四相(油相、气相、水相和有机固相)多组分数学模型;运用计算机求解时,利用有限差分方法,按顺序求解法建立相应的隐式压力,显示组成及饱和度的数值模型。     

储层流固耦合的数学模型及其有限元方程

利用有限元方法,建立了一个描述可变形饱和储层中流体流动的数值模型。该模型由一组完全耦合的控制方程组成,包括岩石骨架的平衡方程和流体在多孔介质中流动的连续性方程,模型中采用了基于Mohr-Coulomb屈服面的弹塑性本构关系。利用有限元方法得到了控制方程中未知的位移和流体压力在几何域上的耦合解。用全隐式数值格式对上述方程在时间域上进行求解,得到了完全耦合的有限元离散方程,并研究了该数值模型的稳定条件。该模型在石油工程中有广泛的应用,为可变形饱和油藏流固耦合渗流的数值模拟奠定了理论基础。     

A control volume based finite element method for simulating incompressible two-phase flow in heterogeneous porous media and its application to reservoir engineering

Applying the standard Galerkin finite element method for solving flow problems in porous media encounters some difficulties such as numerical oscillation at the shock front and discontinuity of the velocity field on element faces.Discontinuity of velocity field leads this method not to conserve mass locally.Moreover,the accuracy and stability of a solution is highly affected by a non-conservative method.In this paper,a three dimensional control volume finite element method is developed for twophase fluid flow simulation which overcomes the deficiency of the standard finite element method,and attains high-orders of accuracy at a reasonable computational cost.Moreover,this method is capable of handling heterogeneity in a very rational way.A fully implicit scheme is applied to temporal discretization of the governing equations to achieve an unconditionally stable solution.The accuracy and efficiency of the method are verified by simulating some waterflooding experiments.Some representative examples are presented to illustrate the capability of the method to simulate two-phase fluid flow in heterogeneous porous media.     

三维四相多组分数学模型和数值模型的建立

提出考虑“吸附现象作用”的多组分模型假设条件之后，建立了相应的三维四相（油相、气相、水相和吸附相）多组分数学模型。为了完成油相、气相和吸附相的相平衡计算，建立了考虑“吸附现象作用”，适合于地下油气藏烃类体系的三相（气相、液相和吸附相）相平衡热力学模型，运用计算机求解时，利用有限差分析方法，按顺序求解法建立相应的隐式压力，显示组成及饱和度的数值模型，为研究和确定低渗凝析气藏和煤层气藏的开采动态，研制和完善相应的数值模拟软件提供了重要的理论基础。     

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本文据相似理论和方法，通过力学模拟实验，首次应用三维有限元法并综合钻探资料及地震成果，深入探讨了川东卧龙河构造形成机制，应力分布和裂缝发育规律及其与气藏富集的关系。研究结果与勘探实际吻合较好，为在该构造优选井位提供了有力的依据。