横观各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展规律研究

针对横观各向同性与各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展的差异性,基于扩展有限元法建立水力压裂力学模型,通过ABAQUS子程序开发了各向同性和横观各向同性岩体的起裂判据。在各向同性岩体数值模拟结果与解析解以及现场压裂典型曲线对比吻合的基础上,得到了包含层理构造的横观各向同性岩体水力压裂过程中裂纹扩展规律。层理类岩体水力压裂的裂缝扩展方向由地应力状态、层理方向以及岩体与层理界面抗拉强度共同决定;水力压裂过程中,注水压力在裂纹尖端产生应力集中,层理面法向分量先达到界面抗拉强度时,裂纹沿层理方向开裂,反之裂纹沿垂直最小地应力的方向扩展;裂纹扩展速度随层理抗拉强度的增加而降低;由于地层的滤失,随压裂液的注入,裂纹长宽尺度增长速率降低。     

页岩层理方位及强度对水力压裂的影响

为了研究页岩天然层理倾角及强度等对水力压裂裂纹扩展的影响,采用室内水力压裂实验,通过监测孔直接对裂纹扩展的实时监测和注水压力信息及试件压裂后的剖切,分析层理倾角、强度等对压裂裂纹扩展的影响。实验结果表明:水力压裂过程中,垂直最小地应力稳定扩展的主裂缝遇层理时,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越小,主裂缝越易沿着层理面方向扩展,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越大,主裂缝遇层理面时越易贯穿层理面沿原方向扩展;层理方位,地应力及基质抗拉强度不变,层理的抗拉强度远弱于基质抗拉强度时,主裂缝与层理面相遇后越易沿着层理面方向扩展,层理抗拉强度与基质抗拉强度越相近,主裂缝遇层理时越易贯穿层理沿原方向扩展;层理方位和强度不变,地应力及应力差越大,主裂缝遇层理后越易贯穿层理面沿原方向扩展。     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

动态扩展裂纹的若干反平面问题的研究

采用复变函数论,对反平面条件下的动态裂纹扩展问题进行研究.通过自相似函数的方法可以获得解析解的一般表达式.应用该法可以很容易地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题,并可以相当简单地得到问题的闭合解.文中分别对裂纹面受均布载荷、坐标原点受集中增加载荷、坐标原点受瞬时冲击载荷以及裂纹面受运动集中载荷Px/t作用下的动态裂纹扩展问题进行求解,得到了裂纹扩展位移、裂纹尖端的应力和动态应力强度因子的解析解.应用该解并通过叠加原理,就可以求得任意复杂问题的解.     

页岩水力压裂中多簇裂缝扩展的全耦合模拟

水平井和水力压裂是页岩气开发中的关键技术。对水力压裂中多簇裂缝同时扩展的物理过程进行了数值模拟。采用扩展有限元法(XFEM)模拟岩石中裂缝沿着任意路径扩展,采用有限体积法(FVM)模拟裂缝中流体的流动,并且考虑井筒中流体流动以及在各簇裂缝间的流量动态分配。通过牛顿迭代对全耦合物理过程进行数值求解,重点研究了初始长度不同的两条裂缝的扩展过程,证明较大的射孔摩阻能促进两条裂缝的同时扩展。并通过算例证明了本方法的精度和有效性。     

弯曲疲劳短裂纹扩展规律研究

本文对３５ＣｒＭｏ钢和４２ＣｒＭｏ钢带穿透短裂纹（初始裂纹长度ａ＝０．１～０．５ｍｍ）的试件进行了弯曲疲劳试验研究,得到了在弯曲疲劳加载下短裂纹扩展速率的计算表达式以及应力比,试件厚度对短裂纹扩展的影响。     

冷喷涂试件疲劳裂纹扩展规律试验研究

冷喷涂作为一种新兴的表面处理技术,广泛应用于增材制造和零部件修复等领域.为了探究冷喷涂处理后Q355钢基体的疲劳裂纹扩展规律,对2组标准单边缺口 3点弯曲试样进行了冷喷涂处理.在光滑的Q355B钢基材表面分别沉积了纯Al和A5052铝合金涂层,然后对冷喷涂试件和一组未喷涂光滑试件进行了 3点弯曲疲劳试验,得到了裂纹尖端张开位移和裂纹长度、裂纹扩展速率和荷载循环次数的规律曲线并进行了对比分析.结果表明:在裂纹扩展长度相同的情况下,冷喷涂试件和未喷涂试件的裂纹尖端张开位移基本相同,且随着疲劳裂纹的延伸,裂纹尖端张开位移也随之快速增大;在一定的裂纹尖端张开位移范围内,冷喷涂处理可以降低疲劳裂纹扩展速率;采用裂纹尖端张开位移作为疲劳裂纹扩展控制参数对冷喷涂试件的疲劳裂纹扩展规律进行判定是准确的,且裂纹尖端张开位移通过试验容易获得,简单方便,可以同时满足裂纹尖端弹性和塑性的情况.     

含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展演化规律研究

岩体内部存在大量不同尺寸裂隙,形成不同结构形式的裂隙岩体,裂隙的存在会降低岩体的力学性能,对于岩体工程的整体稳定性具有很大的影响。本研究基于滑动翼裂纹模型对恒定载荷下含单裂隙岩体蠕变变形进行了理论推导和分析,基于MAPLE软件直观给出恒定载荷下裂隙角度、长度对蠕变变形的影响,采用连续-非连续数值分析软件GDEM,对预制单裂隙在不同倾角、不同长度情况下岩体的蠕变破裂裂纹扩展进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟可以看出,岩体蠕变速率随着裂隙长度的增大而增大;随着裂隙角度的增加出现先增大后减小的趋势,其中裂隙倾角为30°时蠕变速率最大。含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展规律的研究可为岩体工程蠕变破裂规律研究及蠕变治理提供一定的理论依据和参考。     

运动变载荷作用下的非对称Ⅲ型界面裂纹的解析解

通过复变函数论的方法,对Ⅲ型非对称动态界面裂纹的扩展问题进行了研究.采用自相似函数的途径和利用相应的微分、积分运算,就可以很容易地获得解析解的一般表达式.应用该法可以迅速地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题,并求得了运动变载荷ptn/xn、ptn 1/xn分别作用下Ⅲ型非对称动态界面裂纹解析解.利用这些解并采用叠加原理,就可以求得任意复杂问题的解.     

Green’s function for T-stress of semi-infinite plane crack

Green’s function for the T-stress near a crack tip is addressed with an analytic function method for a semi-infinite crack lying in an elastical, isotropic, and infinite plate. The cracked plate is loaded by a single inclined concentrated force at an interior point. The complex potentials are obtained based on a superposition principle, which provide the solutions to the plane problems of elasticity. The regular parts of the potentials are extracted in an asymptotic analysis. Based on the regular parts, Gre...     

基于解析解和新准则的深埋隧道断面形状优化

针对深埋隧道断面形状优化问题,考虑复杂受力下洞周可能存在拉应力情况,提出基于摩尔-库伦屈服准则的新的优化准则,基于解析解用模拟退火法获得洞周最小破坏范围的最优断面形状．优化模型中,以断面映射函数系数为优化的设计变量,利用混合罚函数使优化孔形满足一定的约束条件,设立孔边最大有效应力（与屈服准则相关）最小的优化准则．针对存在内压的深埋隧道断面形状优化问题,对不同内压、不同侧压系数、不同宽高比限制等情况进行优化计算,并对比两种优化准则在该情况下优化结果的异同．结果表明,对压应力主导优化的情况,新准则与原准则没有差别;对可能出现拉应力的复杂应力情况,新准则有更好的适应性,可以获得更优断面形状．     

横观各向同性介质中椭圆夹杂受非弹性剪切变形引起的弹性场的确定

本文求解了横观各向同性介质中椭圆夹杂内受非弹性剪切变形引起的弹性场。采用各向异性弹性力学平面问题的复变函数解法,结合保角变换,获得夹杂内应变能和基体内边界的应力分布和相应的应变能的表达式。进一步,根据最小应变能原理,获得表征夹杂平衡边界的两个特征剪切应变,从而得到了弹性场的解析解。通过应力转换关系,验证了应力解满足夹杂边界上法向正应力和剪应力的连续条件,表明了该解的正确性。本文解可用于复合材料断裂强度的分析中。     

带裂纹的椭圆孔口问题的应力分析

断裂现象与材料和结构中的孔洞、缺口或裂纹等缺陷密切相关,这是因为缺陷附近的应力集中明显.该文利用复变方法,通过保角映射研究了带裂纹的椭圆孔洞的平面弹性问题,给出了应力强度因子的解析解.并由此计算了两互相垂直的裂纹问题.     

The solution of deflection of elastic thin plate by the joint action of dynamical lateral pressure,force in central surface and external field on the elastic base

In this paper the Euler equation of the deflection of clastic thin plate is reduced to the equation with schrödinger form by the principle of quantum electro-dynamics. Then we can obtain the general solution of deflection of eleastic thin bending plate by the joint action of dynamical lateral pressure, force in central surface and external field on the elastic base.     

High-order boundary conditions for the problems of Laplace equation in infinite region and their application

The high-order boundary conditions for the problems of Laplace equation in infiniteregion have been developed.The improvement in accuracy for numerical solution isachieved by imposing the high-order boundary conditions on the exterior boundary of areduced finite region in which the numerical method is used.So both the computing effortsand the required storage in computer are reduced.The numerical examples show that thelst-order boundary condition approaches to the exact boundary condition and it is clearlysuperior to the traditional boundary condition and the2nd-order boundary condition.     

基于有限断裂法和比例边界有限元法的裂纹扩展模拟

基于有限断裂法和比例边界有限元法提出了一种裂缝开裂过程模拟的数值模型。采用基于有限断裂法的混合断裂准则作为起裂及扩展的判断标准,当最大环向应力和能量释放率同时达到其临界值时,裂缝扩展。结合多边形比例边界有限元法,可以半解析地求解裂尖区域附近的应力场和位移场,在裂尖附近无需富集即可获得高精度的解。计算能量释放率时,只需将裂尖多边形内的裂尖位置局部调整,无需改变整体网格的分布,网格重剖分的工作量降至最少。裂缝扩展步长通过混合断裂准则确定,避免了人为假设的随意性,并可以实现裂缝变步长扩展的模拟,更符合实际情况。通过对四点剪切梁的复合型裂缝扩展过程的模拟,对本文模型进行了验证,并应用于重力坝模型的裂缝扩展模拟,计算结果表明,本文提出的模型简单易行且精度较高。     

星形裂纹的应力分析

利用复变函数的方法, 通过构造适当的保角映射研究了星形裂纹的平面弹性问题,给出了裂纹尖端I型与II型问题应力强度因子的解析解.并由此模拟出了经典的Griffith裂纹,共点均匀分布三裂纹,十字裂纹,对称八裂纹问题.