非连续变形分析方法的改进及应用1）

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现. 其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征. 研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳. 改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

非连续变形分析方法的改进及应用

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现.其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征.研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳.改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

水岩耦合变形破坏过程及机理研究进展

坝址水力劈裂、煤矿和隧道突水以及水力压裂工程都是岩体损伤演化积累诱发破坏 (灾变) 的过程,然而能否正确认识和评价这些过程取决于人们对水岩耦合变形破坏过程和机理的研究程度. 阐述了岩石渗流 --变形 --破坏特性及机理研究的进程, 侧重于物理实验成果. 综述了水岩耦合变形破坏过程分析模型和数值计算, 特别是有限单元法处理裂纹的思路, 并介绍了作者课题组近年来所取得的一些代表性成果. 给出了当前理论 (数值) 研究中所面临的几个具体问题和挑战, 并对今后研究工作进行了力所能及的展望.     

单裂隙岩体水力裂缝扩展机理的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统软件RFPA2D2.0-Flow,采用细观方法表达岩石材料非均匀特性,建立了渗流-应力-损伤耦合模型;模拟分析了裂隙岩体在具有不同角度、不同长度、天然裂隙中点与井孔之间不同间距的单一天然裂隙条件下的水压致裂过程;通过对模型内拉伸裂缝萌生及扩展的描述,得出了天然裂隙角度、长度、天然裂隙中点与井孔的间距对裂隙岩体内水力裂纹的扩展及与天然裂隙相交模式的影响趋势。模拟分析结果表明:天然裂隙角度对模型稳定性影响较小,但对裂纹扩展模式的影响较大;天然裂隙与井孔间距的减小使模型的失稳水压值随着裂隙角度的增加而逐渐增大,但最大值与间距未减小时基本相同;随着天然裂隙长度的增加,模型的承载能力逐渐减弱,且减弱的幅度逐渐增大。     

岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、 岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型: 等效连续介质模型、 裂隙网络模型、 双重介质模型、 断裂力学模型、 连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑, 着重对渗流场的处理, 后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入, 着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍, 指出了这些模型的优缺点与适用范围, 给出了一些有代表性的研究成果, 并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.     

拉压循环载荷下正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹扩展分析

采用四步法计算了考虑循环载荷中压应力影响的正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。第一步是基于正交异性钢桥面板的疲劳分析模型,计算肋-面板焊缝处的应力,第二步是通过肋-面板焊缝的三维局部模型,用Schwartz-Neumann交替法计算焊缝表面裂纹的应力强度因子分布,第三步是用二维断裂力学模型和增量塑性损伤模型,计算循环载荷中的压应力对裂纹扩展的影响,第四步是用第二步中的三维裂纹分析结果和第三步中的二维断裂力学模型得到的裂纹扩展公式,计算钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。计算结果表明,对应于正交异性钢桥面板肋-面板焊缝处的循环应力,本文所用模型的裂纹尖端反向塑性区导致裂纹扩展率增加50%以上。研究结果为正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹的疲劳寿命分析提供了研究基础。     

岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型

从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、B iot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.     

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。     

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。     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流，损伤耦合迭代来实现。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。     

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔1715～1780m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数(导水系数T)。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体(REV)的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。     

水力压裂解析模型裂缝扩展参数敏感性分析

水力压裂形成复杂裂缝网络是致密储层油气开采的重要技术,掌握水压裂缝扩展机理是控制压裂行为和优化压裂效果的关键．水压裂缝动态扩展行为涉及储层岩体、注入压裂液、压裂实施工艺等方面,其中水力压裂扩展时间、压裂液流体动力粘度系数、压裂液流体注入流速、储层岩石剪切模量成为决定裂缝扩展长度和裂缝开度的重要因素．本研究采用KGD、PKN两类等高解析模型对主控因素的参数敏感性进行分析,直观、快速、可靠地获得水压裂缝扩展长度、张开度动态演化行为的量化数值．研究发现,压裂持续开展过程中水压裂缝扩展长度呈线性增长、开度逐渐趋于稳定,高流体动力粘度导致裂缝难扩展、形成较大裂缝开度,通过增加压裂液流体注入流速可同时增加裂缝扩展长度和开度,较高的岩石剪切模量将降低水压裂缝的开度．通过对比两类解析模型在不同参数下的水压裂缝扩展结果,分析压裂参数与裂缝扩展的相关性和敏感系数,讨论水力压裂解析模型的裂缝扩展参数敏感性．     

Model of stepwise propagation of the tip of a hydraulic fracture in the absence of filtration

Quasi-static stepwise propagation of a hydraulic fracture in rock with a regular structure in the absence of filtration is considered. It is proposed to use a brittle fracture diagram taking into account the hydraulic fracturing fluid pressure and the confining pressure. Fracture curves describing the brittle rock fracture where the hydraulic fracturing fluid partially fills the fracture are constructed and used to predicted the possibility of stepwise propagation of hydraulic fracturing in the case where the fluid gradually flows into the fracturing crack. The regularity of the structure of the brittle rocks fracture is estimated from the results of two full-scale experiments: the critical stress intensity factor and the tensile strength limit of the rock. Experiments on pulsed loading of polymethylmethacrylate samples with stepwise crack propagation along concentric circular arcs were performed. The results of the experiments are consistent with theoretical predictions.     

基于孔隙弹性的水力压裂耦合方法与压裂状态参数数值研究

本文系统地阐述基于多孔介质渗流-损伤耦合原理，进行水力压裂FEM的数值实现方法。基本架构为：(1)引入孔隙流体压力膨胀系数将孔隙流体压力与应力场进行耦合；(2)基于损伤局部化模型，提出裂缝张开度表达式; (3)提出水力压裂引起的多孔介质水-力学属性的各向异性表达式; (4)提出全流量加载的耦合分析方案。最后作为实例，模拟三维地层水压裂缝扩展形态，通过比较模型的数值解和经典理论解，验证该方法的正确性。     

页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素. 本文基于断裂力学理论, 以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象, 依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系, 首先提出了可压裂度的概念, 给出了无量纲的定性曲线图, 涵盖了岩石脆性矿物质含量, 粘性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素. 接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数, 在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下, 依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距, 可作为工程参考指标. 本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程, 具有力学理论意义和工程应用前景.