基于三维流-固耦合模型的油井出砂细观机制研究

油井出砂机制的研究是提高油藏产能和石油开采成本减小的关键课题,而常规的宏观力学理论和方法不能全面反映油藏开采过程中油井出砂的发生和发展。鉴于砂岩储层的物理性质和射孔试验特征,从岩土力学的角度建立基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,与理论分析成果进行比较,以说明该细观数值模型可行性,有效地模拟出砂过程中的渗流及流-固耦合效应。在该基础上,综合考虑流体压力梯度力和拖曳力,基于PFC3D模型模拟流体不同运动时的砂岩性态。数值分析得到的模型宏观应力图形说明流体运动对砂岩力学特性的影响不可忽略,且在相同条件下,流量越大,砂岩的塑性区越大,形成砂岩破坏出砂的几率也越大。同时,不同工况的砂岩黏结分布和颗粒转动图形表明,相同条件下流量越大,颗粒间平行黏结破坏越多,颗粒转动越大,失去黏结约束的颗粒也越多,出砂量就越大,可见两种细观特征图形与宏观应力图形变化规律一致,该模型可用于油井出砂机制的研究,可为出砂量预测及出砂控制提供新的研究思路。     

油井开采过程中油层变形的流固耦合分析

在油气开采过程中,随着油气的不断采出,必然造成孔隙流体压力的逐渐降低,由此导致储层岩石骨架的有效应力增大,使得油层产生变形或压实。当油层产生变莆或压实时,对油气生产将造成不利影响。比如：使得油藏的渗透率降低,继而使油井的产能降低,同时,油层的变形直接影响着油井和套管的变形与破坏等等。敢开采过程中油层的变形可以描述为三维变形与三维流体流动场的耦合问题,利用可变形多孔介质中流体渗流的流固耦合有限元数值     

有效应力对裂缝型低渗透砂岩油藏压力响应的影响

为了研究裂缝孔隙型低渗油藏中流体在双重介质之间的渗流规律及其影响,建立了双重介质间流体窜流的数学模型,并利用拉氏变换数值反演方法给出近似解析解;通过数值计算,研究窜流压力的动态特征,分析储容系数及窜流系数对压力响应的影响;通过压敏试验研究了有效应力对双重介质低渗油藏渗流能力的影响。研究结果表明：储容系数主要决定双重介质之间发生窜流现象的早晚,储容系数越大,发生窜流的时间越晚;储容系数越小,发生窜流的时间越早。窜流系数主要决定双重介质之间发生窜流压力的大小,窜流系数越大,发生窜流的压力越小;窜流系数越小,发生窜流的压力越大。有效应力对裂缝型低渗透油藏的渗流能力影响很大,有效应力的增加能够大大降低裂缝型油藏渗透率和孔隙度,以致降低储层的储容系数和窜流系数,从而影响双重介质间窜流压力的动态特征。因此,在裂缝型低渗透砂岩油藏开采中,保持压力、防止储层伤害是非常重要的。     

饱和砂岩对周期性循环载荷的动态响应

在单轴循环加载实验中,改变平均应力和正弦波应力振幅的条件下,研究了饱和砂岩的衰减、杨氏模量和泊松比的动态响应。获得随平均应力增大杨氏模量增大,随应力振幅增大应力～应变滞回曲线向应变增大方向移动,随应力振幅减小滞回圈包含在峰值应力的滞回圈内,反映出饱和岩石记忆特性。饱和岩石随应变振幅的增大衰减增大,模量呈线性下降,泊松比呈非线性增大。在低频段,这些物理力学参数的弹性非线性特征,对研究天然地震和储层勘探,以及它们的资料解释具有现实意义。     

钙质土的剪切特性试验研究

钙质土因其颗粒形状不规则、易破碎、高孔隙比等特征,其力学性质较为特殊。采用室内大型直接剪切试验设备,对取自南海珊瑚礁和三亚岸礁的粗颗粒钙质土进行了直剪试验,研究了粗颗粒钙质土在不同含水率、不同密度和不同矿物组成条件下的钙质土剪切特性。结果表明,粗颗粒钙质土表现出与常规无黏性土截然不同的力学性质,即（1）与石英砂相比,表观黏聚力较大,内摩擦角较高,软化性较弱;（2）表观黏聚力随着平均粒径的增大而增大,内摩擦角随着干密度的增大而增大;（3）与峰值强度相比,土体剪切破坏后其残余强度的表观黏聚力锐减而内摩擦角仅略有减小。研究成果可为岛礁工程建设提供借鉴,也可为其他粗颗粒土的研究提供参考。     

结构性软土的黏滞系数

黏滞系数是表征土的蠕变和流动特性的重要指标。对黄石、漳州、青岛地区结构性软土进行电子显微镜扫描、颗粒分析、X衍射试验和化学分析试验,测试结果表明,软土的粒度成分、矿物成分、物理化学性质、结构类型对黏滞系数影响较大。软土蠕变过程中,结构单元体发生定向排列或产生滑动,其相对运动使结合水的黏滞性反映出来,进而引起黏滞系数的变化。进行直接剪切蠕变试验,并通过陈氏法处理蠕变试验数据。试验结果表明,黏滞系数随剪应力的增加达到峰值,固结压力越大,峰值体现越明显,峰值对应的剪应力也越大,这主要是微观结构随剪应力增大逐渐破损所引起的。固结压力增大,结合水膜厚度变薄,土颗粒间连接力增强,黏滞系数也随之增大。用不同固结压力下黏滞系数峰值对应的剪应力代替临界抗剪强度,提出了一个新的求取长期强度的方法,并通过试验数据验证了方法的正确性。该研究有助于进一步认清蠕变机制,对修正或建立较为符合实际的本构模型有一定意义。     

复杂应力路径下流体饱和砂岩本构模型

高孔隙率砂岩在不同围压及被不同流体（水及油）饱和时表现出不同的应力-应变特性及不同的破坏过程。复杂应力路径下油和水饱和砂岩的力学试验表明,存在某一临界围压,随着围压的增加,饱和砂岩从以压剪破坏为主,逐渐转变为以孔隙坍塌破坏为主的破坏机制。通过力学试验结果的分析,以两种破坏理论对油和水饱和砂岩的破坏特征进行了力学解释,并应用经典塑性力学的盖帽模型建立了相应的本构模型,应用非线性有限元法进行了数值验证,研究结果表明,提出的模型与试验资料吻合良好,能较好地模拟复杂应力路径下油和水饱和砂岩的破坏机制及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降。     

粒径比和配比对橡胶砂力学性能的影响研究

橡胶砂作为一种新型的廉价隔震材料具有广泛的应用前景,其力学变形特性受两种母材的配合比、粒径比等影响较大。为促进橡胶砂的工程应用,对3种粒径比、6种配比橡胶砂进行了一系列双轴压缩离散元模拟试验,从宏细观角度研究了胶-砂粒径比对橡胶砂力学行为的影响。结果表明:（1）橡胶砂应力-应变曲线在小应变下表现为近似线性增长关系,随着橡胶含量的增加,偏应力逐渐减小,减小程度随粒径比的增大而减弱;（2）随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂模量降低、应力-应变曲线向硬化型转变、线性关系增强,粒径比越大,硬化特性越明显;（3）随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂剪胀特性减弱、剪缩增大,粒径比越大,剪缩程度越明显;（4）橡胶砂应力-应变关系可用扩展邓肯-张模型进行模拟,模型参数受粒径比和橡胶颗粒含量影响的规律明显;（5）橡胶砂力学特性受粒径比影响的细观机制可由颗粒接触特性、颗粒配位数、力链分布、能耗发展等变化情况来描述。     

动、静载环境下界面土直剪试验

为了探究土体界面土的力学性质及其变化规律,以粉土、粉质黏土和碎石土作为试验材料,以法向应力大小、上下土层类型、界面处理方式、动载环境、静载环境和动载作用时长等作为试验变量因素,运用正交试验设计方法对不同类型的原状土和重塑土试样进行室内直剪试验,得到了土体界面土的剪力-位移本构曲线,根据曲线中的峰值抗剪强度计算出了能够反映界面土抵抗黏性破坏能力的黏结系数。试验结果表明：粉土的黏结系数小于粉质黏土;界面土的抗剪强度与上下土层的结合类型相关,界面土的粗糙度越大,界面土处的土体接触越充分,则界面土的力学性质越好;随着动载作用时间的增加,土体界面土的抗剪强度会有所下降;并且,界面土的力学性质与上下土层性质之间有一定的联系。     

软岩非线性蠕变损伤模型及其试验研究

为了反映软岩蠕变全过程,进行红层泥岩蠕变力学试验,试验发现弹性模量随时间的增长而逐渐衰减,黏滞系数在应力恒定且并未达到屈服应力的情况下,随时间的增长而逐渐增大。因此认为传统理论流变力学中的蠕变损伤处理方法不适用于将黏滞系数进行损伤演化,故引入分数阶微积分来描述软岩蠕变的黏弹性和黏塑性应变。通过构建一个考虑蠕变时效损伤的弹性体,并将其与基于分数阶微积分的黏滞和黏塑性体进行串联,从而建立一个新的非线性蠕变损伤模型。依据红层泥岩和相关文献中冻结软岩及红砂岩的蠕变试验数据,通过该软岩蠕变损伤模型对其进行辨识,充分显示出所建模型的合理性和适用性。     

砂与粘土接触界面的力学特性试验

利用DSJ-2型电动四联等应变直剪仪分别进行了不同粒径砂和粘土(方案1)、不同含水量砂和粘土(方案2)的直剪试验,揭示了其接触面的力学特性。试验结果表明:法向应力(σ_n)、砂粒径大小、砂含水量对接触面的力学特性有着重要的影响。方案1和方案2接触面的抗剪强度和达到剪切应力峰值时的剪切位移随着法向应力的增大而增大,当σ_n为100 kPa时,粘土和不同粒径砂的接触面剪切应力和水平剪切位移(τ-δ)关系曲线呈现应变软化现象;方案1接触面抗剪强度随砂粒径的减小而降低,方案2在σ_n为100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加而降低,σ_n>100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加先降低后变大;方案2在低法向应力下,接触面抗剪强度对应的含水量敏感区间为[10%,15%],且较明显。      

循环单剪下珊瑚钙质砂和普通硅质砂剪切特性对比研究

对普通硅质砂和西沙群岛珊瑚钙质砂开展多级正应力下循环单剪试验,对比多循环周期下两种砂土剪切性质和颗粒破碎的差异。研究发现,两种砂样在循环剪切下体积变化都比较微弱,剪切过程中存在阶段性剪胀,使得试样的轴向位移呈波动变化;循环单剪下剪应力峰值包络线可以用联合型指数函数表达;剪应力随循环周期变化分为同步阶段和差异阶段,两个阶段转变节点对应的循环周期数随着正应力的增大而迅速减小;同步增长阶段珊瑚钙质砂和普通硅质砂的剪应力变化一致,在差异阶段普通硅质砂的剪应力要高出珊瑚钙质砂。两种砂剪应力差异程度随试验正应力不同而变化,普通硅质砂剪应力最大可高出珊瑚钙质砂14.7%;珊瑚钙质砂和普通硅质砂的颗粒破碎存在明显差异,珊瑚钙质砂全粒径范围内颗粒破碎分布更均衡,普通硅质砂在特定粒径区间内出现了剧烈的颗粒破碎,颗粒级配曲线存在明显拐点。普通硅质砂和珊瑚钙质砂滞回曲线的形状及随循环次数的变化规律有显著差异,是两种砂样剪切性质不同的重要体现。     

动扭剪试验中砂土液化后流动特性分析

土体在初始液化后仍然可能承受动荷载作用发生大变形。引入流体力学中的剪应变率和表观黏度的概念,对振动扭剪试验中饱和砂土液化后的流动特性进行了分析。分析中将砂土的状态分为0有效应力状态和非0有效应力状态。结果表明,砂土在0有效应力状态下表现出与静扭剪试验类似的“剪切稀化”非牛顿流体的特征,表观黏度随着剪应变率的增大而减小。加载周数对“剪切稀化”状态下的剪应变率幅值有影响,随着加载周数的增加,剪应变率幅值逐渐增大,而对流动曲线的形状没有影响。在非0有效应力状态下,砂土的表观黏度随应变的增大而增大,随孔压比的减小而增大,且所有的试验得到的表观黏度与孔压比具有一致关系。     

液化砂土流动效应的振动台试验研究

采用振动台激励使饱和砂土发生液化,并侧向拖拽埋入砂土中的铝管,模拟液化土体与管体相对运动以分析液化砂土流动的力学效应。引入流体力学理论与方法,推导出以拉力反算表观黏度的表达式以及液化土体作为流体对管壁作用的黏滞剪切力。分析和比较了振时拖动、振后拖动下土体的流体性质及其流动效应的率相关性和孔压相关性,探讨了砂土密实度对土体流动效应的影响。结果表明,土体初始密实度与液化后土体的表观黏度正相关;液化土体的表观黏度以及因流动产生的黏滞剪切力与孔压反相关;液化砂土流动产生的黏滞剪切力具有强烈的率相关性。针对可液化场地中的结构抗震分析,应考虑土-结构率相关相互作用。     

直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响

为深入研究剪切速率对钙质砂强度和变形特征的影响,对钙质干砂进行不同剪切速率条件下的直剪试验。研究结果表明,随剪切速率从0.1 mm/min增至2.4 mm/min时钙质砂抗剪强度先减小后增大,其内摩擦角亦呈现出先减小后增大趋势,临界剪切速率为1.6 mm/min;低法向应力条件下钙质砂试样随剪切速率的增加更易于呈现剪胀现象,高法向应力条件下剪切速率从0.1 mm/min增长至1.6 mm/min时试样整体剪缩量逐渐减小;当剪切速率继续从1.6 mm/min增长至2.4 mm/min时试样最大剪缩量逐渐增加;不同法向应力水平条件下钙质砂加载速率效应的细观机制不同,较低应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由试样内部颗粒错动、换位、重新排列引起,在较高应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由颗粒破碎引起。     

A hypoplastic constitutive model for debris materials

Debris flow is a very common and destructive natural hazard in mountainous regions. Pore water pressure is the major triggering factor in the initiation of debris flow. Excessive pore water pressure is also observed during the runout and deposition of debris flow. Debris materials are normally treated as solid particle–viscous fluid mixture in the constitutive modeling. A suitable constitutive model which can capture the solid-like and fluid-like behavior of solid–fluid mixture should have the capability to describe the developing of pore water pressure (or effective stresses) in the initiation stage and determine the residual effective stresses exactly. In this paper, a constitutive model of debris materials is developed based on a framework where a static portion for the frictional behavior and a dynamic portion for the viscous behavior are combined. The frictional behavior is described by a hypoplastic model with critical state for granular materials. The model performance is demonstrated by simulating undrained simple shear tests of saturated sand, which are particularly relevant for the initiation of debris flows. The partial and full liquefaction of saturated granular material under undrained condition is reproduced by the hypoplastic model. The viscous behavior is described by the tensor form of a modified Bagnold’s theory for solid–fluid suspension, in which the drag force of the interstitial fluid and the particle collisions are considered. The complete model by combining the static and dynamic parts is used to simulate two annular shear tests. The predicted residual strength in the quasi-static stage combined with the stresses in the flowing stage agrees well with the experimental data. The non-quadratic dependence between the stresses and the shear rate in the slow shear stage for the relatively dense specimens is captured.     

液化后砂土流体特性测试装置的研发及试验研究

为研究液化砂土的流动变形特征,开展了液化砂土的流体特性试验研究。基于边界层理论研发一套液化砂土表观黏度测试装置,主要由调速电机、电机调速器、圆柱转子、扭矩传感器等部分组成,该装置能有效测试液化砂土的表观黏度;开展了不同孔压比、转速下饱和砂土表观黏度及圆柱转子所受摩擦力矩特性研究,着重分析了液化后砂土的表观黏度特性。结果表明,液化前孔压发展及液化后孔压消散阶段摩擦力矩均受到孔压比及转速的影响;液化后砂土孔压逐渐消散,强度恢复,流动能力衰减,表观黏度升高,表观黏度与孔压比呈现出一定的线性相关性;表观黏度随着剪应变率的增大而降低,且两者呈现出幂函数关系,表明液化后砂土具有典型幂律型剪切稀化非牛顿流体特征。     

基于细观统计的砂土摩擦特性与破坏机制研究

砂土是一种典型的颗粒材料,其力学特性和变形机制是细观颗粒在荷载作用下的宏观表现,鉴于砂土具有显著的颗粒性和碎散性,使得对其进行细观颗粒层面的研究非常必要。将土颗粒简化为空间椭球体,假设方向角满足正态分布规律,应用细观统计的方法,从颗粒层面对砂土的摩擦特性和破坏机制进行研究。砂土剪切面上的摩擦特性主要是颗粒在剪切荷载作用下,克服垂直于剪切面应力抬升所遇到的阻力。颗粒运动方向与剪切面滑移方向的夹角可视为单个颗粒的摩擦角,颗粒摩擦角满足与方向角同样的正态分布规律;砂土的剪切破坏是颗粒重排列和应力重分布的过程,该过程中一部分颗粒摩擦角不断弱化,而承载颗粒数量逐渐增多,土体内部应力分布渐趋均匀;随着垂直于剪切面荷载的增大,砂土内摩擦角随之弱化减小,内摩擦角与荷载之间具有对应关系,可进行量化计算。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一, 对于钙质砂这种易破碎的材料更是如此。为进一步弄清颗粒破碎对钙质砂的应力-应变强度影响, 本文对钙质砂进行三轴固结排水剪切试验得到应力-应变曲线, 并筛分得到三轴试验前后钙质砂颗分曲线。通过引入Hardin定义的颗粒相对破碎率Br, 分析了相对密度、围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对钙质砂应力-应变和抗剪强度的影响。结果表明:随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小, 直到破碎达到一个上限值, 此时围压和相对密度对颗粒破碎影响很小; 颗粒间的滑动标志着应力达到极限状态, 而颗粒破碎会阻碍应力达到极限状态, 在本实验中, 低围压时颗粒破碎少, 颗粒相对运动形式为滑移, 使应力-应变曲线为软化型, 高围压下颗粒破碎严重, 颗粒破碎在剪切过程中始终发生, 使应力-应变曲线呈应变硬化型; 颗粒破碎使体变从剪胀逐渐发展到剪缩, 且破碎越严重剪缩越严重; 在低围压下钙质砂强度主要由剪胀和咬合提供, 高围压下颗粒破碎严重, 剪胀消失, 咬合减小, 使峰值摩擦角减小, 抗剪强度降低。