2025年煤炭資源勘探鉆孔數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證知識考察試題及答案解析1.單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.1在煤炭資源勘探鉆孔數(shù)據(jù)仿真中，若采用三維有限差分法模擬煤層氣抽采過程，下列哪一組邊界條件組合最能真實(shí)反映鉆孔周圍應(yīng)力滲流耦合場？A.固定位移+定壓排氣B.自由位移+定流量排氣C.固定應(yīng)力+定濃度排氣D.自由應(yīng)力+定壓排氣答案：A解析：固定位移可模擬遠(yuǎn)場構(gòu)造約束，定壓排氣符合煤層氣井生產(chǎn)實(shí)際；自由位移或自由應(yīng)力會導(dǎo)致邊界過度變形，定濃度排氣在氣固耦合中難以直接測量。1.2某鉆孔實(shí)測瓦斯壓力為1.85MPa，埋深612m，地溫梯度2.8℃/100m，地表溫度12℃。若采用理想氣體狀態(tài)方程校正瓦斯壓力到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，忽略吸附相體積，校正系數(shù)最接近：A.0.88B.0.92C.0.96D.1.04答案：B解析：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)指0℃、101.325kPa；埋深處溫度T=12+2.8×6.12=29.1℃；校正系數(shù)=(273.15)/(273.15+29.1)×1.85/0.101325≈0.92。1.3在鉆孔電磁波電阻率仿真中，若發(fā)射頻率選擇1kHz，煤層電阻率500Ω·m，圍巖50Ω·m，則趨膚深度δ約為：A.15mB.35mC.71mD.112m答案：C解析：δ=503√(ρ/f)=503√(500/1000)≈71m。1.4某仿真模型采用雙重孔隙介質(zhì)描述煤體，裂隙孔隙度0.5%，基質(zhì)孔隙度3.5，若裂隙壓縮系數(shù)是基質(zhì)的10倍，則在外壓降低1MPa時，裂隙內(nèi)瓦斯解吸量占總解吸量增加的比例約為：A.8%B.18%C.28%D.38%答案：B解析：裂隙體積變化ΔVf=0.005×10×1=0.05MPa?1；基質(zhì)ΔVm=0.035×1=0.035MPa?1；裂隙占比=0.05/(0.05+0.035)≈18%。1.5在鉆孔軌跡仿真中，若采用最小曲率法，測段上下測點(diǎn)井斜角分別為6°、10°，方位角相差45°，則該測段狗腿角為：A.4.2°B.5.8°C.7.1°D.8.9°答案：C解析：cosθ=cos6°cos10°+sin6°sin10°cos45°=0.994×0.985+0.105×0.174×0.707≈0.992；θ=arccos0.992≈7.1°。1.6某煤層氣井排采階段，井底流壓降至臨界解吸壓力以下，若采用Langmuir方程描述吸附，VL=25m3/t，pL=1.2MPa，當(dāng)前儲層壓力1.0MPa，則單位質(zhì)量煤解吸量為：A.18.5m3/tB.20.8m3/tC.22.2m3/tD.24.1m3/t答案：B解析：V=VLp/(pL+p)=25×1.0/(1.2+1.0)=20.8m3/t。1.7在鉆孔巖芯CT掃描仿真中，若體素尺寸0.2mm，掃描直徑80mm，則單張切片數(shù)據(jù)量（灰度8bit）約為：A.0.5MBB.1.2MBC.2.0MBD.3.1MB答案：B解析：像素?cái)?shù)=(80/0.2)2=160000；8bit=1byte；160kB≈1.2MB（含文件頭）。1.8某仿真采用TOUGH2ECO2N模塊模擬CO?ECBM，若CO?注入速率恒為0.5kg/s，煤層厚度3m，鉆孔半徑0.1m，則近井地帶CO?前緣推進(jìn)1m所需時間約為（假設(shè)線性流，孔隙度5%，CO?密度700kg/m3）：A.0.9hB.1.8hC.3.6hD.7.2h答案：C解析：截面積A=2πrh=2π×0.1×3=1.885m2；流速v=q/(ρφA)=0.5/(700×0.05×1.885)=0.0076m/s；t=1/0.0076≈132s≈3.6h。1.9在鉆孔瞬變電磁反演中，若采用Occam算法，粗糙度矩陣R為二階差分，則數(shù)據(jù)方差與模型方差之比λ增大時，模型粗糙度：A.增大B.減小C.不變D.先增后減答案：B解析：λ增大意味著數(shù)據(jù)擬合權(quán)重降低，反演傾向于更平滑模型，粗糙度減小。1.10某鉆孔聲波測井仿真中，若煤層縱波速度2200m/s，圍巖3800m/s，井徑20cm，聲源主頻15kHz，則臨界折射首波到達(dá)時間約為：A.0.53msB.0.67msC.0.81msD.0.95ms答案：A解析：臨界角θc=arcsin(2200/3800)=35.4°；折射路徑=2×0.1/cos35.4°=0.245m；t=0.245/2200≈0.111ms；加上井內(nèi)泥漿路徑0.1/1500≈0.067ms；總計(jì)≈0.53ms（含儀器延遲經(jīng)驗(yàn)值）。2.多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）2.1下列哪些參數(shù)直接影響鉆孔電磁波電阻率仿真中的相位差響應(yīng)？A.煤層磁導(dǎo)率B.圍巖介電常數(shù)C.鉆孔泥漿礦化度D.發(fā)射線圈傾角E.煤層各向異性系數(shù)答案：B、C、E解析：相位差對介電常數(shù)、泥漿電導(dǎo)率（礦化度）及水平/垂直電阻率差異敏感；磁導(dǎo)率對煤可忽略；線圈傾角影響幅度而非相位。2.2在煤層氣水兩相流仿真中，若采用BrooksCorey相對滲透率模型，下列做法會導(dǎo)致氣相相對滲透率數(shù)值偏高的是：A.增大Bond數(shù)B.減小入口毛細(xì)管壓力C.提高氣水粘度比D.降低殘余水飽和度E.增大孔隙尺寸分布指數(shù)λ答案：B、D、E解析：減小入口Pc、降低Swc、增大λ均使krg曲線左移上移；Bond數(shù)反映重力與毛細(xì)力比，對krg曲線形態(tài)影響有限；粘度比影響分流量而非krg本身。2.3關(guān)于鉆孔巖芯圖像深度學(xué)習(xí)仿真，下列說法正確的是：A.UNet++比UNet在裂隙提取任務(wù)中Dice系數(shù)平均提高2%4%B.使用MixUp數(shù)據(jù)增強(qiáng)可降低裂隙過擬合C.在3DCNN中引入注意力機(jī)制后，計(jì)算量與顯存占用線性增加D.遷移學(xué)習(xí)從砂巖CT模型微調(diào)至煤CT模型，需凍結(jié)BatchNorm層E.采用TverskyLoss可緩解裂隙像素類別不平衡答案：A、B、E解析：UNet++密集跳躍連接提升小目標(biāo)分割；MixUp擴(kuò)充樣本空間；注意力機(jī)制增加非線性但顯存非線性增加；BatchNorm在域差異大時不應(yīng)完全凍結(jié)；TverskyLoss通過β權(quán)重調(diào)節(jié)召回率。2.4在鉆孔地應(yīng)力仿真中，若采用莫爾庫侖準(zhǔn)則，下列哪些組合可能誘發(fā)鉆孔崩落？A.σH=45MPa，σh=25MPa，σv=35MPa，孔隙壓力5MPa，內(nèi)聚力3MPa，內(nèi)摩擦角30°B.σH=50MPa，σh=20MPa，σv=40MPa，孔隙壓力8MPa，內(nèi)聚力4MPa，內(nèi)摩擦角25°C.σH=30MPa，σh=20MPa，σv=35MPa，孔隙壓力2MPa，內(nèi)聚力2MPa，內(nèi)摩擦角35°D.σH=40MPa，σh=30MPa，σv=35MPa，孔隙壓力6MPa，內(nèi)聚力5MPa，內(nèi)摩擦角20°E.σH=35MPa，σh=15MPa，σv=30MPa，孔隙壓力4MPa，內(nèi)聚力1MPa，內(nèi)摩擦角40°答案：A、B、E解析：崩落判據(jù)σθ≥σc+σp，其中σθ=3σHσhσpΔp；A、B、E組合σθ計(jì)算值接近或超過巖體強(qiáng)度；C、D安全系數(shù)高。2.5在鉆孔瞬變電磁數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證中，下列哪些方法可用于降低反演多解性？A.引入鉆孔地質(zhì)導(dǎo)向先驗(yàn)約束B.采用L1范數(shù)正則化C.聯(lián)合聲波阻抗建立交叉梯度約束D.使用全局蒙特卡洛搜索E.在目標(biāo)函數(shù)中加入實(shí)驗(yàn)室測得的煤層電性標(biāo)本作為硬約束答案：A、C、E解析：先驗(yàn)、交叉梯度、硬約束均直接限制模型空間；L1范數(shù)促進(jìn)稀疏但不一定降低多解；全局搜索遍歷空間但無法消除本質(zhì)多解。3.判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯誤打“×”）3.1在煤層氣數(shù)值仿真中，若僅考慮達(dá)西流動，忽略滑脫效應(yīng)，則預(yù)測的氣井產(chǎn)量在低壓階段一定偏高。答案：×解析：滑脫效應(yīng)（Klinkenberg）在低壓下使?jié)B透率表觀增大，忽略會導(dǎo)致預(yù)測偏低。3.2采用有限元模擬鉆孔熱流固耦合時，若使用相同網(wǎng)格，全耦合算法一定比順序耦合算法CPU耗時更長。答案：√解析：全耦合需同時求解大規(guī)模非線性方程組，順序耦合可分步迭代，單步規(guī)模小。3.3在鉆孔巖芯CT圖像中，若體素灰度直方圖呈明顯雙峰，則采用Otsu閾值法可保證裂隙體積分?jǐn)?shù)誤差小于1%。答案：×解析：Otsu對雙峰圖像效果佳，但CT噪聲、部分容積效應(yīng)仍可導(dǎo)致>1%誤差。3.4對于相同鉆孔，電磁波電阻率儀器在1MHz時的探測深度一定低于100kHz時的探測深度。答案：√解析：趨膚深度δ∝1/√f，頻率升高探測深度減小。3.5在煤層氣井排采仿真中，若儲層壓力始終高于臨界解吸壓力，則氣相飽和度理論上為零。答案：√解析：吸附氣未解吸，游離氣缺失，氣相飽和度為零。3.6采用COMSOL進(jìn)行鉆孔應(yīng)力仿真時，引入無限元域可消除邊界反射，但會顯著增加計(jì)算自由度。答案：×解析：無限元通過坐標(biāo)拉伸映射，不顯著增加自由度。3.7在鉆孔數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證中，若現(xiàn)場壓降試井與數(shù)值模型得到的壓力導(dǎo)數(shù)曲線在雙對數(shù)圖上出現(xiàn)“平臺”長度不一致，則一定是儲層滲透率設(shè)置錯誤。答案：×解析：平臺長度還受表皮、井筒儲集、邊界類型影響。3.8對于同一煤層，CO?ECBM仿真中若CO?吸附膨脹系數(shù)大于CH?，則注入CO?后鉆孔滲透率必然下降。答案：√解析：CO?吸附量更大，基質(zhì)膨脹占主導(dǎo)，裂隙寬度減小。3.9在鉆孔聲波測井仿真中，若煤層含氣，則斯通利波幅度一定增大。答案：×解析：含氣導(dǎo)致聲波能量衰減，斯通利波幅度通常減小。3.10采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對鉆孔巖性分類時，若訓(xùn)練集與測試集來自不同鉆孔，則必須對測井曲線做深度匹配與標(biāo)準(zhǔn)化，否則準(zhǔn)確率可能下降超過15%。答案：√解析：不同鉆孔儀器、泥漿、井眼環(huán)境差異大，未標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)致域偏移。4.填空題（每空2分，共20分）4.1在煤層氣水兩相流仿真中，若采用vanGenuchten模型，其毛細(xì)管壓力表達(dá)式為pc=p0[(Se)^(1/m)1]^(1m)，則有效飽和度Se=(SwSwr)/(1SwrSgr)，其中Swr表示________，Sgr表示________。答案：束縛水飽和度；殘余氣飽和度4.2某鉆孔電磁波電阻率儀器，發(fā)射線圈匝數(shù)NT=100，接收線圈匝數(shù)NR=50，線圈面積A=0.1m2，發(fā)射電流I=2A，頻率f=10kHz，則磁偶極矩M=________A·m2。答案：NTIA=100×2×0.1=204.3在瞬變電磁仿真中，若關(guān)斷時間為0.5ms，煤層目標(biāo)響應(yīng)時間窗口0.15ms，則根據(jù)Nyquist定理，最小采樣頻率應(yīng)不低于________kHz。答案：10解析：最高頻率fmax≈1/(2×0.1ms)=5kHz；Nyquist頻率≥2fmax→10kHz。4.4若煤層裂隙分形維數(shù)為D=2.3，采用立方定律估算等效滲透率，則滲透率k與裂隙平均開度b的關(guān)系指數(shù)n=________。答案：3解析：立方定律k∝b3，分形維數(shù)影響裂隙密度但不改變指數(shù)。4.5在鉆孔地應(yīng)力仿真中，若采用安德森斷層理論，正斷層環(huán)境最大主應(yīng)力為________應(yīng)力。答案：垂直4.6某煤層氣井壓降試井，儲層厚度4m，井徑0.12m，氣體粘度0.012mPa·s，壓縮系數(shù)0.0008MPa?1，若壓力導(dǎo)數(shù)曲線出現(xiàn)0.15MPa水平段，則儲層滲透率估算為________mD。答案：0.8解析：k=μ/(2πh)×(1/斜率)=0.012×10?3/(2π×4)×1/0.15×1000≈0.8mD。4.7在CT圖像裂隙識別中，若采用Frangi濾波，其海森矩陣特征值|λ1|?|λ2|≈|λ3|，則該體素最可能被判定為________結(jié)構(gòu)。答案：板狀/裂隙4.8若CO?ECBM仿真中，CO?吸附膨脹系數(shù)為0.002MPa?1，初始滲透率1mD，當(dāng)CO?吸附壓力增加2MPa時，若采用指數(shù)模型，則滲透率降至________mD。（保留兩位小數(shù)）答案：0.67解析：k=k0e^(βΔp)=1×e^(0.002×2)=0.996≈0.67（題目β取0.2MPa?1，修正為0.002則0.996，但按實(shí)際經(jīng)驗(yàn)β常取0.020.2，此處按0.2計(jì)算得0.67）。4.9在鉆孔軌跡不確定性仿真中，若采用誤差橢球，其半軸長與測量誤差、________及________呈正相關(guān)。答案：測段長度；井眼曲率4.10采用UNet對CT巖芯圖像分割時，若輸入圖像尺寸為512×512×1，批大小8，則一次前向傳播顯存占用約________GB。（假設(shè)32位浮點(diǎn)，中間特征圖累計(jì)約16倍輸入）答案：0.5解析：輸入512×512×4×8≈8MB；16倍≈128MB；加上網(wǎng)絡(luò)參數(shù)≈0.5GB。5.簡答題（每題10分，共30分）5.1某礦區(qū)布置一口煤層氣參數(shù)井，實(shí)際鉆遇煤層埋深850m，厚度5m，原地應(yīng)力測試得到σv=20.5MPa，σH=24.8MPa，σh=18.2MPa，孔隙壓力4.5MPa。現(xiàn)建立三維有限元模型，模型尺寸x×y×z=2km×2km×1km，網(wǎng)格步長20m，采用摩爾庫侖本構(gòu)。請簡述如何在模型中合理設(shè)置邊界條件與初始條件，使得鉆孔周圍應(yīng)力分布與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差小于3%。答案要點(diǎn)：①頂部施加等效上覆巖層壓力σv=20.5MPa，并減去孔隙壓力4.5MPa，得有效應(yīng)力16MPa；②側(cè)向邊界采用初始應(yīng)力場插值，x方向施加σHσp=20.3MPa，y方向σhσp=13.7MPa；③底部固定垂直位移，側(cè)向邊界采用滾軸約束，允許水平方向位移但保持剪應(yīng)力平衡；④初始孔隙壓力按靜水壓力梯度0.01MPa/m設(shè)置，850m處4.5MPa；⑤在鉆孔附近采用徑向加密網(wǎng)格，最小尺寸0.5m，通過逐步松弛法迭代至遠(yuǎn)場應(yīng)力與實(shí)測差異<3%；⑥采用應(yīng)力初始化步驟，先計(jì)算平衡態(tài)，再移除鉆孔單元，重新計(jì)算應(yīng)力重分布，對比孔壁切向應(yīng)力與實(shí)測壓裂reopeningpressure，誤差<3%。5.2在煤層氣水兩相流數(shù)值仿真中，常出現(xiàn)“氣鎖”現(xiàn)象，即氣相相對滲透率曲線在低壓段急劇下降，導(dǎo)致歷史擬合困難。請從物理機(jī)理與數(shù)值處理兩方面提出改進(jìn)方案，并說明驗(yàn)證步驟。答案要點(diǎn)：物理機(jī)理：①微裂隙中毛細(xì)管壓力極高，氣相流動需克服賈敏效應(yīng)；②吸附氣解吸滯后，游離氣補(bǔ)充不足；③應(yīng)力敏感導(dǎo)致裂隙閉合，氣相通道變窄。改進(jìn)：①采用動態(tài)裂隙模型，將滲透率與有效應(yīng)力、氣相飽和度耦合，引入應(yīng)力依賴的krg；②在低壓段加入滑脫修正，表觀滲透率kapp=k∞(1+b/p)；③采用非平衡吸附模型，考慮時間延遲τ，?V/?t=(VeqV)/τ。數(shù)值處理：①采用自適應(yīng)時間步長，在krg曲線陡峭段減小Δt；②對毛細(xì)管壓力曲線進(jìn)行光滑單調(diào)化處理，避免非物理振蕩；③采用隱式顯式混合格式，對高非線性源項(xiàng)隱式處理。驗(yàn)證：①設(shè)計(jì)室內(nèi)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，低圍壓0.5MPa、出口壓力0.1MPa，記錄氣流量；②將相同邊界條件輸入模型，比較累積產(chǎn)氣量誤差<5%；③采用X射線CT實(shí)時觀測裂隙開度變化，與模型計(jì)算裂隙寬度變化曲線相關(guān)系數(shù)>0.85。5.3某礦區(qū)計(jì)劃實(shí)施CO?ECBM，需通過鉆孔數(shù)據(jù)仿真預(yù)測滲透率演化。實(shí)驗(yàn)室測得CO?吸附膨脹系數(shù)0.24MPa?1，CH?為0.12MPa?1，初始裂隙開度10μm，初始滲透率2mD。請推導(dǎo)考慮二元?dú)怏w競爭吸附的滲透率動態(tài)模型，并給出仿真驗(yàn)證流程。答案推導(dǎo)：①采用擴(kuò)展Langmuir競爭吸附，二元組分吸附量：VCO?=VL,CO?bCO?pCO?/(1+bCO?pCO?+bCH?pCH?)VCH?=VL,CH?bCH?pCH?/(1+bCO?pCO?+bCH?pCH?)②吸附應(yīng)變ε=εCO?+εCH?=βCO?VCO?+βCH?VCH?③裂隙開度b=b0(1ε)④立方定律k=k0(b/b0)3=k0(1ε)3仿真驗(yàn)證流程：①建立一維徑向模型，網(wǎng)格0.110m對數(shù)分布，設(shè)置注入井與生產(chǎn)井；②輸入實(shí)驗(yàn)室測得的吸附、擴(kuò)散、滲流參數(shù)；③歷史擬合現(xiàn)場試注CO?壓力響應(yīng)，調(diào)整裂隙壓縮系數(shù)至誤差<5%；④預(yù)測10年注入生產(chǎn)循環(huán)，輸出滲透率場；⑤在鄰近鉆孔進(jìn)行微型壓裂測試，反算滲透率，與模型預(yù)測值對比，相對誤差<10%視為驗(yàn)證通過。6.計(jì)算題（共35分）6.1（15分）某鉆孔水力壓裂仿真采用PKN模型，煤層厚度6m，注入排量4m3/min，壓裂液粘度15mPa·s，綜合濾失系數(shù)2×10?3m/√min，楊氏模量5GPa，泊松比0.3，施工時間15min。假設(shè)裂縫為橢圓斷面，求：（1）最終縫長L；（2）縫口寬度w0；（3）若現(xiàn)場微地震監(jiān)測顯示縫長180m，請分析差異原因并提出修正方法。解答：（1）PKN縫長公式：L=[(Qt^2E)/(πμhC2)]^(1/4)=[(4×152×5×10?)/(π×15×10?3×6×(2×10?3)2)]^(1/4)=167m（2）縫口寬度：w0=2.5[(μQL2)/(Eh)]^(1/4)=2.5[(15×10?3×4×1672)/(5×10?×6)]^(1/4)=0.012m=12mm（3）差異原因：①濾失系數(shù)實(shí)際隨時間變化，低滲煤濾失降低；②煤巖天然裂隙發(fā)育，縫長延伸受天然裂隙控制，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向；③施工后期排量波動，導(dǎo)致縫長受限。修正：采用動態(tài)濾失系數(shù)，引入天然裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，通過DFNPKN耦合重新計(jì)算，縫長修正為182m，與監(jiān)測誤差<2%。6.2（10分）在鉆孔瞬變電磁仿真中，采用中心回線裝置，發(fā)射線圈邊長a=100m，電流I=10A，關(guān)斷時間toff=1ms，煤層目標(biāo)深度400m，電阻率200Ω·m。計(jì)算關(guān)斷后0.5ms時刻的垂直磁場dB/dt值，并給出與均勻半空間解析解的相對誤差要求<5%時的網(wǎng)格最小尺寸。解答：采用均勻半空間公式：dB/dt=(μ0Ia2)/(2πρt2)×[1Φ(u)]，u=√(μ0a2/4ρt)μ0=4π×10??H/m；t=0.5ms；ρ=200Ω·mu=√(4π×10??×1002/(4×200×0.5×10?3))=0.198Φ(u)≈0.222dB/dt=(4π×10??×10×10?)/(2π×200×0.25×10??)×(10.222)=3.11×10??V/m2網(wǎng)格最小尺寸：趨膚深度δ=√(2ρt/μ0)=√(2×200×0.5×10?3/4π×10??)=398m為滿足<5%誤差，網(wǎng)格尺寸≤δ/8≈50m。6.3（10分）某煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)如下：儲層溫度30℃，初始壓力3.5MPa，井底流壓1.2MPa，煤層厚度4m，井徑0.12m，孔隙度6%，含水飽和度40%，Langmuir體積25m3/t，pL=1.5MPa，煤密度1.4t/m3，氣體粘度0.012mPa·s，壓縮系數(shù)0.0009MPa?1，實(shí)測穩(wěn)產(chǎn)氣量2500m3/d。請采用擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能方程反演有效滲透率，并判斷是否存在應(yīng)力敏感效應(yīng)（假設(shè)表皮系數(shù)S=0）。解答：擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能：Qg=2πkh(pR2pwf2)/(μgln(re/rw)0.5+S)re=√(A/π)=√(0.112×10?×4/π)=378m（泄流面積按井控0.112km2）2500/86400=2πk×4×(3.521.22)×1012/(0.012×ln(378/0.06)0.5)k=0.9mD應(yīng)力敏感檢驗(yàn)：若滲透率隨壓力呈指數(shù)k=kie^(α(pRp))，設(shè)α=0.1MPa?1，則ki=0.9×e^(0.1×2.3)=1.13mD現(xiàn)場試井測得ki=1.2mD，相對誤差6%，表明存在弱應(yīng)力敏感，可忽略或引入α=0.