石油工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)值仿真技術(shù)

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摘要：采用先進(jìn)的教學(xué)手段和教學(xué)方法是提高石油工程巖石力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的重要手段。在當(dāng)今大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展的時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)對巖石的變形與破裂過程進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)可得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中難以觀測的重要信息，可作為石油工程巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：石油工程；巖石力學(xué)；仿真；應(yīng)力；應(yīng)變

引言

為使學(xué)生更好地認(rèn)識和理解石油鉆井、開發(fā)過程中普遍存在的巖石力學(xué)問題，在石油工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，巖石的拉、壓、剪基本實(shí)驗(yàn)及巖石的破裂與失穩(wěn)過程是一個(gè)復(fù)雜而重要的基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[1]。由于井下高溫高壓并存，井下巖石材料的非均勻性、非連續(xù)性，以及外荷載作用下巖石組織結(jié)構(gòu)之間相互作用的復(fù)雜性，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法難以直接演示巖石變形及破壞的復(fù)雜現(xiàn)象，已有的理論解析方法仍然缺少對此過程有效的研究手段，且目前的物理實(shí)驗(yàn)不易對巖石的破裂與失穩(wěn)過程等現(xiàn)象做準(zhǔn)確的描述。石油工程巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚存些許不足之處，而數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法可有效地克服此類問題。

1石油工程巖石力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

（1）石油工程巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)效性較差，創(chuàng)新性不足。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，油氣鉆井、壓裂技術(shù)已數(shù)據(jù)化、信息化，并朝向智能化發(fā)展，高校石油工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法及手段[2]。而石油工程巖石力學(xué)出于成本及資源利用率的考量，高校不可能將最新的巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)實(shí)時(shí)引進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，故如何使學(xué)生及時(shí)接觸最前沿的石油工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，有效拓寬思維空間，就成為一個(gè)亟待解決的問題。（2）石油工程巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)成本高，可重復(fù)性差。受到現(xiàn)場條件、人力、物力和財(cái)力的限制，通常的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難通過大量的物理實(shí)驗(yàn)向?qū)W生直觀演示各種巖石變形、破壞的復(fù)雜現(xiàn)象。（3）石油工程巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過程演示直觀性不足。由于巖石介質(zhì)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)測試方法很難全面地反映巖石在變形損傷演化和宏觀破壞過程中的應(yīng)力場、變形場等重要信息，而數(shù)值實(shí)驗(yàn)法可以取得較好的效果。（4）石油工程巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)缺乏必要的井下工況，可理解性較差。盡管巖石破壞試驗(yàn)可得到拉、壓、剪等更基本數(shù)據(jù)，但與井下巖石結(jié)構(gòu)破壞密切相關(guān)的工程力學(xué)現(xiàn)象，如井壁失穩(wěn)、井下工具破巖、水力壓裂等，通過實(shí)驗(yàn)室小型試樣的加載試驗(yàn)是難以理解的，因?yàn)檫@些破壞不僅與構(gòu)成巖石結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)有關(guān)，而且還涉及復(fù)雜的井下高溫高壓環(huán)境。

2石油工程巖石力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施方法

2.1融合仿真技術(shù)，拓寬石油工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)對象

了解當(dāng)前國內(nèi)外巖石力學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀和進(jìn)展，考慮當(dāng)前石油鉆井、開發(fā)過程中普遍存在的巖石力學(xué)問題，掌握解決這些問題的巖石力學(xué)基本理論和實(shí)驗(yàn)方法，基于大數(shù)據(jù)時(shí)代的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)新技術(shù)與仿真技術(shù)相融合，升級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2考慮井下工況，構(gòu)造巖石仿真模型

根據(jù)所要求的井下工況，虛擬制造巖石材料，加工其幾何形狀。將所要建立的巖石模型簡化為復(fù)雜多面體。首先，初始化結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)；其次，切割巖體模型，實(shí)現(xiàn)單元的離散；然后，將結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)一編號，對現(xiàn)存的單元進(jìn)行判斷；最后，去除虛擬結(jié)構(gòu)面，形成巖石仿真模型。此過程可重復(fù)進(jìn)行。

2.3巖石模型應(yīng)力應(yīng)變分析，漸進(jìn)破壞演示

（1）在上述巖石幾何模型基礎(chǔ)上，考慮井下巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)晶情況、試樣尺寸、圍壓、加載速率、應(yīng)力路徑、孔隙水壓力、溫度及濕度（含水率）等因素影響，對不同圍壓下的巖石變形與強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，模擬彈性、塑性、硬化、軟化和摩擦等階段應(yīng)力狀態(tài)下巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。（2）模擬巖石宏觀力學(xué)破壞行為，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的力學(xué)及多場（應(yīng)力場、應(yīng)變場）耦合分析演示（如圖1所示），再現(xiàn)細(xì)觀結(jié)構(gòu)上巖石的損傷演化、裂紋的擴(kuò)展及應(yīng)力的重分配等特征，使巖石破壞過程及蠕變現(xiàn)象能以3D動(dòng)畫的形式展示。

2.4仿真結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真

（1）對照巖石模型結(jié)構(gòu)（微觀、宏觀）和組織特點(diǎn)，結(jié)合仿真結(jié)果，分析巖石的物理性質(zhì)，弄清影響巖石力學(xué)性質(zhì)的影響因素，理解巖石的流變性質(zhì)（已知現(xiàn)象）。（2）探索井眼圍巖的應(yīng)力狀態(tài)與巖石的破壞準(zhǔn)則（未知現(xiàn)象）（如圖2所示），實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)抗拉、抗剪、抗壓虛擬仿真。促使學(xué)生能夠獨(dú)立思考，對巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)機(jī)理充分吸收，達(dá)到較為理想的效果。

3結(jié)束語

基于油氣鉆井新技術(shù)、采油壓裂新方法背景下的巖石力學(xué)新知識，考慮井下實(shí)際復(fù)雜工況，開發(fā)從巖樣建模、巖石破壞到應(yīng)力應(yīng)變分析的石油工程巖石力學(xué)數(shù)字虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，形象和直觀地展現(xiàn)巖石試樣制備過程以及在井下載荷作用下的變形和破裂過程、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及內(nèi)力變化過程，可形成虛擬3D動(dòng)畫顯示，且可重復(fù)操作，同時(shí)保證了實(shí)驗(yàn)過程中的人身安全。數(shù)字虛擬仿真可作為巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)手段，以達(dá)到石油工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的廣泛性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性大為增強(qiáng)的目的。

參考文獻(xiàn)

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[2]張曉君.多功能巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制及教學(xué)應(yīng)用探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017，267:38-43.

作者：李猛戶 淑莉 萬立夫 單位：重慶科技學(xué)院