极客学术

分享一系列关于计算机辅助药物设计的笔记，来源于网络，仅供学习交流。如有侵权，请联系删除。 新药的研究有三个决定阶段：先导化合物的发现，新药物的优化研究，临床与开发研究。计算机辅助药物设计的主要任务就是先导化合物的发现与优化。共6章，今天是第1章：概论。

摘　要：早在 2008 年 8 月大数据这个概念就已经被提出，甚至可以利用大数据预测出犯罪率的发生，禽流感的出现与2012 年美国选举的结果等等一些没有任何规律的事件。2013 年大数据和云计算相结合把大数据的发展又往前推进了一步。2015 年李克强总理又在两会上提出“互联网 +”行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据等与现代制造业相结合，促进电子商务等互联网市场健康发展等愿景。可是，大数据与互联网的结合虽然能帮助问题的分析与解决，但同时也会造成隐私泄露等一系列安全隐患。因此，如何利用好大数据来实现“互联网 +”是未来学术界与实务界的研究重心。

根据媒体报道，此前蒙古国首都乌兰巴托的苏赫巴托广场聚集了数千名抗议示威者，聚集期间，这些抗议示威者还曾试图对政府大楼发动冲击。演变成了一场暴乱，这些示威者对于如今蒙古国经济的不利局势表示强烈不满，认为这种情况和蒙古国政府有着十分密切的关系。据悉，在俄乌冲突爆发后，蒙古国的通胀率已经来到了15.2%，民众生活成本大幅度上升，有示威者表示，政府曾承诺让他们过上更好的生活，他们遭到了欺骗。 抗议示威活动发生后，当地警方迅速采取行动试图对人群进行驱散，但在此期间有部分示威者想要对政府大楼进行冲击，甚至投掷杂物杂碎玻璃窗，在警方介入后，这些示威者也都从现场离开。现场的示威者不仅对经济表示强烈不满，还要求蒙古国议会立即解散，并表示和煤矿产业相关的官员存在十分严重的贪污腐败现象，“盗取”的收入达到数十亿美元。在他们看来贪污腐败是经济恶化的主要因素，让蒙古国经济变得更为恶劣，这也是众多民众表示不满的另一个重要原因。 此前有记者就相关问题进行提问，外交部发言人毛宁表示：我们暂时还不清楚此事的背景。但我们相信，蒙古国作为中国的友好邻国，一定会对相关的问题进行认真的研究并妥善解决。如果蒙方提出请求，中方将按照法律规定给予相应的援助。 根据媒体报道，在这次抗议示威活动爆发之前，美国驻蒙古国大使馆就已经发布通告，表示几小时后会出现聚集性活动，这一情况使得外界对这次抗议示威活动产生新的看法，可能存在“颜色革命”的可能性。此前蒙古国已经同中国以及俄罗斯进行交流，希望两国能够在煤炭产业腐败等问题的调查中提供支持。蒙古国作为一个内陆国，和中俄两国都维持着十分紧密的合作关系，产品对外出口也必须要经过中国或者俄罗斯境内，这才会提出这项请求。 此外有人发表不同意见，认为蒙古国总统呼日勒苏赫刚刚结束对中国的访问便突然出现这样的示威活动，很可能背后存在相应的策划和极端目标。少数西方国家可能会将蒙古国当成对中俄两国进行渗透的重要手段。

在本研究中，使用真三轴水力压裂试验系统和基于连续体的离散单元法研究了低渗透层状岩石中的水力裂缝扩展机制。首先，使用单轴和三轴试验机测定储层和夹层中天然岩心的力学性质。其次，采用Kaiser应力效应法计算地应力。为了表征层状岩石中储层/夹层的厚度分布特征，提出了储层厚度比的概念。探讨了对层状岩石破裂压力的影响规律。提出了裂缝延伸率r来描述储层和夹层中裂缝的延伸状态，并分析了对裂缝延伸率的影响。基于三维分形维数和裂缝开口度表征了裂缝的空间形态和几何特征。定义了三维损伤变量，以揭示层状岩石在断裂扩展过程中的损伤演化规律。研究结果揭示了层状岩石水力压裂的裂缝扩展机理，为水力压裂技术的有效实施提供了理论指导。这项研究对于层状介质低渗透油藏的有效改造和提高油气采收率具有重要意义。 图1 裂缝扩展过程中的三维裂缝空间形态(数值模拟) 图2 定层状岩石在压裂过程中的损伤演化曲线 图3 kδ与Dv的关系曲线

非常规页岩地层中水力裂缝（HFs）的扩展行为受到各向异性断裂韧性以及与现有天然裂缝（NFs）或层理面（BPs）的相互作用的影响。这种复杂的传播行为尚未被完全理解。我们提出了一种新的基于能量的断裂扩展准则，用于预测对比层之间弱界面处的HFs扩展。基于HeHutchinson的理论，我们提出的准则考虑了HF的能量释放速率的方向变化，从而对HF的可能裂纹路径进行了详细分析。可以确定HF与弱界面相互作用的偏转、交叉和偏移行为。此外，通过扩展有限元法（XFEM）应用实际的富集函数，解决了断裂尖端处的应力奇异性。然后，通过考虑断裂尖端富集函数的所有分量，直接计算应力强度因子（SIF），无需额外的后处理。该技术保证了SIF计算的准确性，这对于确定所提出准则中的传播方向具有重要意义。通常，对于HFs在任意方向的弱界面处的传播，会仔细研究和讨论相交角、断裂韧性比和岩石性质对裂纹行为的影响。通过理论和数值方法的结合，我们的模型可以进一步揭示HFs与页岩中不同类型弱界面之间的相互作用机制，这有助于优化水力压裂手段的设计，促进复杂裂缝网络的生成。 图1 w倾角远程加载下的半对称弱界面模型 图2 Von-mises两种不同断裂韧性比的区域应力轮廓：（a）Gintf / Gm =0.1；（b）Gintf / Gm =0.03，黑色虚线为弱界面

本文建立了一个综合模型，将解析解和数值解相结合，用于研究水力裂缝（HF）和天然裂缝（NF）之间的相互作用。提出了一种新的解析解，以分析考虑流体滞后和HF尖端附近的应力奇异性的相互作用机理，并预测当传播尖端到达界面且流体前沿保持更远时HF是否穿过NF。基于位移不连续性法和有限体积法，导出了一种新的数值解，以解决岩石变形、流体传输、应力干扰、界面滑移和张开的耦合问题，并研究流体前沿到达界面后HF和NF之间的相互作用。在综合模型的基础上，对关键影响参数进行了敏感性分析。分析表明，在高主应力差、高交角、高界面摩擦、高注入速率、高压裂液粘度和低初始电导率条件下，HF倾向于穿过NF。此外，HF的形态受两个工程参数（注入速率和压裂液粘度）的显著影响。这两个参数的乘积的相同值在相同的注入流体体积时导致相同的HF形态。新的综合模型通过已发布的分析和数值标准以及实验室试验进行了验证。 图1 水力裂缝（HF）与天然裂缝（NF）相互作用过程示意图 图2 已发表的实验结果与分析标准预测之间的比较

水力压裂是改变致密储层渗透率的关键技术。本文改进了离散元流固耦合方法，在非均质储层边界应用正弦应力波模拟扰动。研究了应力波频率对水力压裂过程中裂纹扩展方式的影响和不同原位应力比下试样内部应力的变化情况。模拟结果表明：（1）在恒定注入速率下，频率增加与击穿压力的逐渐增加、开裂击穿所需时间的增加、裂纹扩展速度加快有关；（2）水力裂缝传播方向明显偏向应力波传播方向，在地应力和应力波共同作用下，破坏模式更加复杂。（3）试样内部最大主应力是压应力，最大主应力和最大剪应力曲线呈周期性振动，具有低频大振幅、高频小振幅的特点。注入孔附近裂纹启裂是最大主应力减小和最大剪切应力增大的结果。分析表明，应力波对水力压裂具有不可忽略的影响，为更好的理解应力扰动影响下水力压裂的力学性质提供了指导。 图1 流体耦合机制：（a）流体管道的长度和位置；（b）流体和粒子的相互作用机制 图2击穿压力与应力波频率之间的关系

陶瓷和地质材料等脆性和准脆性材料会在冲击事件中通过动态裂纹扩展而失效。此类事件的模拟在许多应用中都很重要。本文通过在单晶石英上进行的冲击实验以及使用 X 射线相衬成像 (XPCI)对动态裂纹原位成像比较了嵌入式有限元法 (EFEM) 和扩展有限元法 (XFEM) 在模拟动态裂纹扩展方面的有效性。该实验在先进光子源 (APS) 的同步加速器设备上运行的 Kolsky 棒（产生大约 103 s-1的应变率）中进行。原位XPCI技术可以以微米尺度空间分辨率和亚微秒时间分辨率记录动态裂纹扩展，并利用相应图像提取时间分辨裂纹扩展路径和速度。首先提出了EFEM 和 XFEM 动态离散化计算的统一框架。该框架阐明了两种方法在富集技术和数值解方案上的差异。在这两种情况下，都使用内聚律来描述裂纹萌生后的断裂过程。将使用两种模拟方法的动态断裂实验模拟与现场实验观察和测量进行了比较。讨论了每种方法在捕获早期裂纹扩展过程方面的性能。 图1 TPB 模拟的几何形状。样品被简单地支撑在底面并加载在上表面的中间。预先创建一个凹口，并将凹口的形状简化为矩形。 图2 EFEM 和 XFEM 模拟中的裂纹传播路径。在 EFEM 和 XFEM 模拟中，A 点和 B 点分别沿着裂纹路径。每个单元内的裂缝段沿垂直方向指定。

本文提出了一种在具有摩擦和胶结天然裂缝的非常规页岩地层中模拟水力裂缝扩展的混合方法。该混合方法结合了扩展有限元法( XFEM )和相场法( PFM )两种有前途的方法，分别求解不连续和连续水力压裂公式。通过几个数值算例，包括经典的KGD水力压裂试验和水力裂缝与天然裂缝的相互作用，对求解策略进行了检验。与PFM和XFEM相比，该混合方法在模拟页岩地层的复杂压裂行为时表现出优异的计算效率和可靠性，验证了该方法的鲁棒性。 图1 对单条水力裂缝和相交裂缝进行全局网格和局部网格划分：网格灰色表示XFEM域，红色表示PFM域 图2 摩擦型天然裂缝试验( 45度)水力压裂演化 图3 摩擦型天然裂缝试验(45度)水力压裂过程中的流体压力演化 图4 胶结型天然裂缝试验( 45度)水力压裂演化 图5 胶结型天然裂缝试验( 45度) 水力压裂过程中的流体压力演化 图6 胶结型天然裂缝试验( 45度)：(a)拟议方法与相场方法的CPU时间消耗比较；(b)混合方法中详细的计算时间分配

水基压裂液是非常规资源开发中油藏增产的有效方法。最近，超临界二氧化碳（SC–CO2）被提议作为储层增产的潜在压裂液，因为它与水基压裂液相比具有更高的压裂能力。然而，当用于岩石基质渗透率相对较高的储层时，SC–CO2似乎有一个明显的缺点，即加剧了渗漏。在这项工作中，对具有不同RMP的储层进行了水压裂和SC-CO2压裂（SCF）的建模研究，以评估其适用性。在建模中，通过离散裂缝网络方法考虑储层中的天然裂缝系统，以模拟不同的储层。与水相比，SC–CO2的粘度和密度较低，使储层岩石更容易破裂，并允许生成更复杂的裂缝网络。然而，由于裂缝扩展而加剧的SC-CO2泄漏会阻碍液压的积聚并影响裂缝的扩展，特别是在RMP相对较高的储层中。HF过程中裂缝长度发育的变化情况也可以反映流体泄漏的影响。渗透率决定了SCF的最终裂缝网络，增加注入速度可以在一定程度上抵消泄露；然而，压裂效果的改善仅得到有限改变。建模结果清楚地表明了RMP的重要性，它可以直接决定SCF的适用性和增长能力。 图1 不同rmp储层的SCF结果显示流体压力和裂缝布局 图2 超临界流体在不同注入速率下的泄漏发育rmp设置为1×10-15、1×10-16、1×10-17、1×10-18