油页岩原位注热开采储层有效热解区变化规律分析

针对油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区变化规律不清,实际热解效果无法准确判断难题,采用数值模拟方法,以抚顺油页岩储层为研究对象,建立了油页岩原位注热开采热流固耦合力学模型,与前人结果对比,验证了模型可靠性。重点考察水力压裂裂缝通道短路问题,分析得到了油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区、储层有效热解区中地应力、注汽压力及沉降量随注热时间变化规律。结果表明,过热蒸汽沿水力压裂裂缝流动不会出现裂缝通道短路现象,过热蒸汽可通过水力压裂裂缝加速油页岩储层热解;采用过热蒸汽对流加热油页岩储层效率高,只需1年能使96%的油页岩储层达到热解所需温度;油页岩储层有效热解区中部形成应力集中区,最大地应力为21.6 MPa;热解后靠近注热井处岩层发生沉降,热解2年后最大沉降量达0.85 m。所得结论对现场油页岩原位注热开采有参考意义。     

防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术

热力采油是开采稠油的最广泛、效益较高的方法.实践表明,注蒸汽稠油井如果用常规方法固井,那么在通常的注汽温度下,套管都因热应力而产生屈服变形.文中提出了防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术,即在注水泥结束但没有凝固时,将油层套管预热和向油层套管施加内压强,使套管膨胀;水泥在套管膨胀的条件下凝固.计算表明,采用预膨胀固井技术后,热采井在整个生产周期内,套管不但不屈服,而且还有较大的安全系数.室内实验证明,注汽后,采用预膨胀固井的套管的塑性变形量远小于常规固井的套管的塑性变形量.此项技术可能成为延长热采井套管使用寿命的重要手段.     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

三点弯曲脆性岩石试样的微震和电荷感应信号变化规律

本文采用微震和电荷感应同步监测试验系统,通过三点弯曲试验研究了脆性岩石变形破裂过程的微震和电荷感应信号的变化规律。试验结果表明:在三点弯曲试验中,花岗岩和大理岩脆性岩石中预制裂纹试样和完整试样的载荷峰值与峰值位移比差别不大,而花岗岩的载荷峰值与峰值位移比大于大理岩的。在三点弯曲试验中花岗岩和大理岩脆性试样变形破裂过程会产生微震和电荷感应信号,花岗岩试样变形破裂过程产生的微震和电荷感应信号强度比大理岩试样的大且事件数也多,完整试样变形破裂过程产生的微震和电荷感应信号强度比预制裂纹试样的大且事件数也多。试样在破裂发展阶段微震和电荷感应信号强度远大于弹性阶段微震和电荷感应信号强度。试样在破裂发展阶段产生的微震和电荷感应信号持续时间也较大。三点弯曲试验中脆性试样变形破裂过程产生的微震和电荷感应信号事件数明显比压缩破裂时少。利用微震和电荷感应信号在岩石变形破裂过程的不同阶段相似性和差异性,对微震和电荷感应信号综合分析能更有效监测三点弯时脆性岩石的变形破裂过程,更准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

瀑布沟水电站库首右岸深部裂缝成因分析

水电工程常常建在高山峡谷地带,其天然岸坡通常由坡面向内有一个强卸荷带和弱卸荷带以及相应的强风化和弱风化带,内侧则为完整新鲜的岩石。对涉及的工程岸坡在正常卸荷带以内发育的一系列张性破裂或破裂带,称之为“深拉裂缝”。瀑布沟水电站库首右岸存在两个拉裂变形体,通过对其岸坡深部拉裂缝空间发育分布、变形特征的考察,综合分析造成深部裂缝发育规律与变形特征的因素。在此基础上提出,库首右岸深部拉裂缝是岸坡快速卸荷条件下浅表生改造的产物,其形成时期相当于河谷由宽谷深切为峡谷这一转换时期。     

基于数字图像处理的含缺陷花岗岩破裂力学分析1）

在细观尺度上,采用数字图像处理技术研究花岗岩中由石英、长石和云母等材料的形状、大小及分布对花岗岩材料造成的非均匀性,结合RFPA-DIP 程序建立了能准确反映材料真实细观结构的含缺陷花岗岩数值模型,并进行了常规单轴压缩模拟试验,研究不同矿物颗粒结构与缺陷对其细观破裂力学行为的影响,再现了外载荷作用下不同数值模型的真实破裂过程与最终破坏模式. 试验结果表明:缺陷对试样强度的影响比改变矿物颗粒的形态构造对其强度的影响更加显著,缺陷的存在削弱了颗粒形态对花岗岩强度影响的能力;缺陷及矿物颗粒的形态构造对试样裂纹的萌生、扩展以及最终破坏模式有直接影响,缺陷与矿物颗粒的空间结构关系是导致岩石形成各种复杂破坏模式的主要因素. 起裂应力水平受试样内部细观介质构造和缺陷的影响,而缺陷的存在对起裂应力的影响更加显著.     

节理发育地层水力裂缝扩展数值研究

在进行岩石地层水力压裂过程中往往会遇到许多天然节理弱面,水力裂缝遇到天然节理弱面时裂缝扩展形态会发生变化。为研究节理发育地层水力压裂裂缝扩展形态,采用ABAQUS软件进行数值研究,通过Python编制了嵌入全局Cohesive孔压单元的程序,利用Cohesive孔压单元的损伤开裂模拟裂缝的扩展,并介绍了编程时进行节点分裂的规则及生成Cohesive孔压单元的要点。为验证本文方法的正确性,模拟了水力裂缝与单条节理面相交时,不同相交角度下裂缝扩展情况;并与采用最大能量释放率准则得到的裂缝扩展理论相对比,数值结果与理论相一致。同时模拟研究了水平地应力差为2MPa时的裂缝扩展形式,并分析了不同地应力差对裂缝扩展的影响。结果表明:水力裂缝沿着垂直最小水平主应力方向扩展,在遇到节理弱面时会发生转向分叉等行为;低地应力差下裂缝扩展形态复杂,容易形成复杂裂缝网;高应力差下裂缝直接穿过节理面沿最大主应力方向扩展,裂缝形态单一;随着应力差的增大主裂缝扩展方向逐渐趋近最大主应力方向。     

空腔物化过程的计算

本文研究固体介质内,如花岗岩,在爆炸产生的高温高压蒸汽压力的作用下,空腔的膨胀、空腔壁向内回弹、蒸汽冷却和凝聚及至最后倒塌的物化过程。文中引用热力学、统计物理、大形变的弹性理论,计算了腔内蒸汽量、蒸汽压、空腔半径和空腔温度的关系,计算出回弹时的温度、压力、蒸汽量和空腔半径。它们与已有的测定参量基本上符合,但尚有一些理论值有待进一步测试来验证,特别是回弹时的若干参数,这很有意义,也很关键。本文提出的计算模型对研究空腔形成的物化过程是有参考价值的。     

裂缝形态影响下注热煤体升温及气体产出规律

为研究裂缝形态对注热作用下煤样温度变化情况以及对煤中气体产出规律的影响，基于PCAS软件对裂缝形态进行了定性及定量分析，利用自主研制的裂缝煤样注热解吸渗流试验装置开展了室温条件下及注热条件下的煤样气体产出试验，并对注热作用过程中煤样的温度进行实时监测。研究结果表明，煤样的裂缝形态越复杂，煤样升温幅度越大且达到的稳定温度越高，煤样升温越快且温度上升的持续时间越久；平行于流体流动方向的单一裂缝一定时，垂直于流体流动方向的裂缝数目越多，裂缝形态越复杂，对室温条件下及注热条件下煤样气体产出的促进作用越强；注热作用下煤样温度与裂缝分形维数之间呈指数型拟合关系，向裂缝煤样中注热水，可以提高煤样温度，进而促进煤样中气体的产出，使气体产出量增加，且最大产出量可达未注热时量值的1.74倍；向无缝煤样中注入热水后，气体的产出总量较未注热时减少，而含缝煤样注热水后的气体产出总量较无缝时增加，说明裂缝的存在一定程度上可以削弱水锁效应带来的影响；气体产出总量与煤样温度及裂缝分形维数之间呈现三维曲面拟合关系，煤样的气体产出总量随着裂缝分形维数的增大及煤样温度的上升而增加。     

薄壁金属圆管在钝圆锥头弹体正冲击及斜冲击下破裂的实验研究

对薄壁软钢圆管在 90°圆锥头子弹正冲击和斜冲击下的破裂进行了实验研究 .测量了子弹以不同冲击角冲击时 ,圆管产生穿透性破裂的最小速度 (临界破裂速度 ) ,找出管壁在不同冲击角下局部破裂的模式 .在子弹以临界破裂速度正冲击下 ,靶壁逐渐覆盖整个弹头 ,管壁的最后破裂是剪切型的 ;当斜冲击角为 30°时 ,子弹的尖端会刺透靶壁 ,在这些斜冲击角下 ,子弹的临界破裂动能仅仅是正冲击下的 4 5% .     

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能,对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试,分离式霍普金森压杆冲击试验,以及冲击破碎试样的扫描电镜观察,分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高,经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降,大孔径孔隙度分量增大,且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却;水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高,峰值应力减小,峰值应变增大,弹性模量则先增大后减小的规律;由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低,产生额外的温度应力,花岗岩内部损伤加剧,表现出更低的波速与峰值应力;而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度,降低了高温后花岗岩的塑性能力,与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小,弹性模量增大,表现出脆性破坏特征。在温度低于400℃时,冷却方式对冲击裂纹影响不大,随着温度升高到800℃,自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状,而水冷却后冲击断面则相对平整。     

THE MECHANISM OF EXPLOSIVE SPALLING OF HIGH STRENGTH AND HIGH PERFORMANCE CONCRETE EXPOSED TO ELEVATED TEMPERATURE

高强高性能混凝土已得到广泛应用,然而高温或火灾下的性能衰减与爆裂成为制约其应用的瓶颈问题,高温爆裂破坏机理尚不清楚. 该文对国内外高温或火灾下高强高性能混凝土爆裂机理的研究进行综述,阐述了蒸汽压、热应力、热开裂3 种热爆裂机理及其影响因素,分析了目前研究存在的困难与挑战. 提出建立一个以蒸汽压致爆机理为主,热应力和热开裂机理为辅的多因素耦合的爆裂模型来定量分析高强高性能混凝土的高温爆裂机理.     

基于相场法的周期性多孔结构断裂行为研究

周期性多孔结构具有质量轻、比密度低、比强度高、隔音等优良特点, 同时也能很好地满足结构-功能一体化的需求, 在许多领域具有广泛的应用前景. 目前, 对周期性多孔结构在复杂载荷下的力学响应和断裂行为的研究较少. 采用细观力学和相场方法相结合, 基于二维代表性体积单元RVE模型, 施加能实现比例加载的周期性边界条件, 研究周期性多孔结构在复杂多轴比例加载状态下的裂纹萌生位置、断裂模式、承载极限及其变化规律. 本文的数值模拟结果表明: 首先, 周期性多孔结构在竖直方向拉伸载荷作用下, 裂纹均从孔边萌生并沿水平方向同步扩展; 其次, 在双轴载荷作用下, 随着水平载荷的增加, 结构在竖直方向的极限拉伸载荷逐渐增大; 当双轴拉伸载荷等值时, 结构的抗拉强度达到最大, 此时断裂模式呈现为十字正交型开裂; 最后, 面内剪切应力的引入会导致结构的拉伸强度极限降低, 孔边裂纹的萌生位置和扩展路径发生偏移, 裂纹模式从单S型转变为双弧线型, 裂纹向水平位置上相邻的孔洞扩展. 随着水平载荷的增加, 裂纹模式最终转变为斜裂纹, 从孔边对角线位置萌生并沿着45°方向扩展.      

双轴压缩载荷下裂纹动态传播的实验研究

本文研究了双轴压缩载荷下裂纹的起裂和非共面传播问题，用动态光弹性方法成功地记录下裂纹的动态扩展过程。获得了双轴压缩载荷下扩展裂纹的传播速度，临界开裂载荷以及开裂角第一系重要断裂参数。研究表明，在双轴压缩载荷下不闭合裂纹前缘应力场是一个混合型的奇异场，裂纹的扩展过程为稳态过程并且表现出显著的阶段性特点。     

脆性断裂的非局部力学理论

本文提出一种脆性材料断裂的非局部力学理论,内容包括:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型Griffith裂纹的非局部弹性应力场,裂纹尖端邻域非局部弹性应力场的渐近形式,脆性开裂的最大拉应力准则。文中给出了这种理论应用于三种基本型裂纹和Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹临界开裂条件的计算结果,并把它们与一些试验资料和最小应变能密度因子理论进行了对比。     

Brush-like modes of fatigue fracture in unidirectional fibre composites

Fatigue fracture of unidirectional fibre composites under tension along the fibres is discussed with account of the interaction between various mechanisms of damage such as single and multiple fibre ruptures, matrix cracking, and matrix-fibre debonding. The case of brittle fibres and a comparatively weak and ductile matrix is considered that exposes non-conventional modes of fracture, named “brush-like” cracks. Growth of such cracks under cyclic quasistatic loading is studied, and the effect of various factors on the crack growth rate is investigated.     

Subcritical crack growth of edge and center cracks in façade rock panels subject to periodic surface temperature variations

This paper examines subcritical cracking in a rock panel or slab containing either a pre-existing edge or a center crack perpendicular to the panel surface. The panel is subject to periodic surface temperature variation on one side of the panel while the other is kept at a constant temperature. The thermally induced stress intensity factors are determined using superposition technique by employing the fundamental point load solution for an edge crack or a center crack in a slab of finite thickness. Rock panel is modeled as a long elastic strip with either a free or a fully constrained lateral end condition. The temperature variations versus time at various depths of the rock panel appear roughly as a sinusoidal function. The lateral thermal stress for the free end case is larger than the constrained end case; whereas stress intensity factors for both edge and center cracks in the constrained end slab are 1000 times larger than that of free end case. Subcritical crack propagation in rock panels on façade is then estimated as a function of time. This subcritical crack propagation continues until a critical crack size is attained and the rock panel will fail under wind load. This new theoretical framework provides a new paradigm to examine the mechanisms of time-dependent cracking in rock panels on façade of buildings.     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

脆性固体中内聚断裂点阵列的扩张行为及间隔影响

建立一个一维模型, 分析脆性材料中多个等间距虚拟断裂点在均匀应变率拉伸作用下的扩张断裂过程. 采用线弹性波动方程组描述材料内部动力学关系, 采用线性内聚力断裂模型(linear cohesive fracture model)描述虚拟断裂点的扩张行为, 根据初始均匀拉伸条件和虚拟裂纹等间距假设给出定解条件, 形成一个初边值问题. 采用Laplace变换方法求解控制方程组, 得到虚拟断裂点扩张过程中内聚应力随时间变化曲线, 以及发生完全断裂的临界时间和单位裂纹体(碎片)的临界膨胀位移. 在此基础上分析应变率和裂纹间距对碎裂发生时间及单元裂纹体临界膨胀位移的影响. 在假设脆性材料在自然碎裂过程中单元裂纹体临界膨胀位移最小的基础上,进一步研究应变率对碎片尺度的影响.      

温度影响下砂岩的细观破坏及变形场的DSCM表征

通过扫描电镜(SEM)实时在线观察研究了温度影响下砂岩的细观破坏,观察到砂岩的脆性断裂可同时发生在不同地方、不同矿物可能独立承载和裂纹分叉等现象. 温度低于100°C时,主裂纹附近有许多微裂纹和支裂纹发生;而温度超过150°C之后,表面很少出现支裂纹或二次裂纹. 随着温度的升高,砂岩的断裂韧性有先升高后降低的趋势,150°C左右是断裂韧性变化的临界温度. 随着温度的升高,砂岩的细观断裂机制有由脆性机制向延性机制转变的趋势,抵抗和协调变形的能力都得到增强. 细观尺度下砂岩的破坏机制有沿颗粒断裂、穿颗粒断裂及其混合断裂,其中沿颗粒断裂机制占主导地位,这是由于沿颗粒破坏需要消耗较少的能量,而穿颗粒断裂需消耗较多的能量. 利用数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)对SEM下砂岩破坏的细观变形场进行了测量,这表明利用DSCM表征岩石的局部变形场的连续式测量是可行的.