Numerical modeling of plastic deformation and failure around a wellbore in compaction and dilation modes

In many wellbore stability analyses, the ability to forecast both the occurrence and extent of plastic deformation and failure hinges upon a fundamental understanding of deformation mode and failure mechanism in the reservoir rock. This study focuses on analyzing plastic zones, localized deformations, and failures around a borehole drilled overbalanced or underbalanced through a highly porous rock formation. Based on several laboratory experiments, porous rocks are prone to deform under both shear-induced dilation and shear-enhanced compaction mechanisms depending on the stress state. The shapes of the deformation and failure patterns around the borehole are shown, depending on the initial stress state and the local stress paths. The inquiry of the local stress paths in the near-wellbore zone facilitates the understanding of the reasons for different types of failure mechanisms, including the mixed-mode and the plastic deformation structures. The modification of the 2D plane strain condition by imitating third stress in the numerical scheme helps us bring the stress paths closer to the real state of loading conditions. Our modeling reveals that the transition from isotropic to anisotropic stress state is accompanied by an increase in the deviatoric part of effective shear tensor that leads to the development of inelastic deformation, degradation, and subsequent rock failure. Particular interest is devoted to the modeling of strain localization especially in compaction mode around a wellbore and computing the amount of stress concentration at the tips of dog-eared breakouts. Stress concentration can result in a change in irreversible deformation mode from dilatancy to compaction, elucidating the formation of the shear-enhanced compaction phenomenon at the failure tips in the direction of the minimum horizontal stress.     

陕北斜坡中部泥岩压实特征分析及长7段泥岩古压力恢复

陕北斜坡中部长7段泥岩现今欠压实幅度不是很大,因此长7段烃源岩生成的油气运移动力受到怀疑,但现今的压力特征并不能反映成藏期的压力。首先以鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部单井泥岩压实曲线为基础,对该区泥岩压实特征进行了综合研究,结果表明研究区内泥岩压实均由正常压实段和异常压实段构成,虽然欠压实幅度不大,但欠压实现象普遍存在;正常压实趋势具有较好的一致性,地表声波时差值集中在320 μs/m左右;现今压实剖面的异常压实段起始深度由东向西逐渐增大,最大古埋深期异常压实带起始深度则分布在2 250~2 400 m。然后恢复了长7段泥岩古孔隙度,并预测了主力烃源岩层(长7段)成藏期泥岩古地层压力。研究区长7段泥岩在成藏期普遍存在异常高压,南部超压明显,压力系数达1.56,反映了成藏期烃源岩具有较强的排烃动力;古压力值为17～28.5 MPa,古压力系数为1.12～1.56,两者在平面上的分布都呈现出西南部高东北部低的特征,很好地解释了研究区内现今油气的分布特征。该研究成果对下一步油气勘探具有重要的指导意义。     

砂土质隧道围岩粘聚力影响因素的试验研究

隧道围岩中较差的砂土质隧道围岩一般在洞口段较为常见。砂土具有粘聚力是客观事实,该粘聚力会对砂土质围岩稳定性产生较大影响。本文从影响砂土质围岩坑道稳定性因素及围岩稳定性分类的角度出发,探讨了与砂土质隧道围岩稳定性相关的粘聚力的影响因素,发现砂土的密实程度对砂土围岩粘聚力有较显著的影响;细粒(d<0.075mm)含量对粘聚力的影响规律与砂土密实程度有关;采用细粒含水量而不是砂土含水量的方法来评定潮湿砂土的粘聚力的影响是较为合理的方法,并总结了细粒含水量对砂土粘聚力的影响规律。     

砂砾卵石土高速公路路基填筑试验研究

为研究砂砾卵石土混合料作为路基填料压实后的压实效果,通过室内筛分试验、重型击实试验、CBR试验得到砂砾卵石土的颗粒级配组成,最大干密度、最佳含水率与粗颗粒含量的关系,CBR值与粗颗粒含量、击实次数的关系。试验结果表明,最大干密度随着粗颗粒含量的增加先增大后减小,CBR值随着粗颗粒含量的增加而增大。进一步分析砂砾卵石土作为路基填筑材料的压实机制,通过现场碾压试验,确定砂砾卵石土路基填筑施工工艺,利用压实度、CBR、弯沉、回弹模量等现场检测手段和现场沉降观测数据检验压实效果,通过比较分析各种检测方法的可靠性,提出适合砂砾卵石土压实质量的检测方法,运用统计学方法得到沉降差检测标准值,确定采用碾压遍数与沉降差双重控制保证压实质量,得到一些有益的结论。     

侧向约束防渗路基新结构防渗效果试验研究

在湿陷黄土地区修建客运专线如何满足修建过程中以及工后沉降的要求,同时提高路基结构的抗渗性能,是该地区客运专线路基工程的关键技术。提出侧向约束防渗的路基结构新形式,研究了湿陷性黄土地基侧向约束防渗路基结构的防渗效果。采用灰土挤密桩和水泥土挤密桩作为侧向约束防渗结构,通过室内模型试验,针对不同桩体填料及桩间距,测试地基中不同位置及深度处地基土含水率的变化,对比分析后得出,与天然地基相比,设置挤密桩显著提高了地基的侧向防渗能力,且随着桩间距的减小,地基土含水率增长速率逐渐减小,即渗流速度减缓,防渗效果越好。对比试验中两种挤密桩复合地基,水泥土挤密桩侧向防渗效果优于灰土挤密桩,研究成果可供同类工程参考。     

硫酸盐渍土击实性能及影响因素试验研究

为了全面地揭示硫酸盐渍土击实性能的变化原因和规律,对不同条件下配制的硫酸盐渍土进行了一系列的轻型击实试验。试验研究表明,含盐量对硫酸盐渍土最大干密度和最优含水率的影响规律并不是单一不变的,它取决于土中硫酸钠的3种状态（硫酸钠溶液、无水硫酸钠和十水硫酸钠）及3种状态间的相对含量。硫酸盐渍土的最大干密度和最优含水率与土中不同状态硫酸钠相对含量间的关系曲线具有反相关性。闷料时间和初始含水率对硫酸盐渍土击实性能的影响与含盐量有关,当含盐量较低（如1.5%）时,其影响甚小;当含盐量较高（如5.0%）时,其影响显著。硫酸盐渍土在由湿到干的过程中会出现“假干现象”。该试验结果对工程中硫酸盐渍土的击实性能和压实度的合理评价都具有重要的参考价值。     

绢云母片岩粗粒料改性试验研究

绢云母片岩属极软岩,强度低,直接作为路基填料难以压实,易造成路基沉陷、路面开裂等不良工程现象。通过对绢云母片岩及其4种改性方案进行表面振动压实试验、室内重型击实试验、室内CBR试验以及回弹模量试验研究,探讨绢云母片岩经改性后用作高速公路路基填料的适用性。试验表明,绢云母片岩最大干密度采用室内重型击实与表面振动压实试验结果相差较大,采用表面振动压实时为1.92 g/cm3,采用室内重型击实时为2.01 g/cm3。主要原因是由于绢云母片岩颗粒破碎的结果。绢云母片岩及其4种改性粗粒土的在最优含水率附近的较宽范围内的变动对压实效果的影响不大,有利于填料的压实。绢云母片岩的回弹模量E较低,小于32 MPa,经改性后的土料的回弹模量均有显著提高,均达到50 MPa以上。添加20%红砂岩和20%黏性土的试料CBR值均只有3.7,添加3%水泥和5%水泥的试料CBR值上升明显。绢云母片岩经添加3%、5%的水泥化学改性后可用于高速公路上路堤及路床填筑。     

SASW法在基础工程和路基工程中的应用研究

南京地铁珠江路段的掘进施工过程中出现大量的渗水,利用SASW方法对地基土性进行了研究分析,得出南京地铁珠江路段的掘进施工过程中出现大量的渗水是由于高含水率的粉砂土层存在,高含水粉砂土层在SASW的频谱曲线上表现为剪切低速层。同时,利用SASW法对高速公路煤矸石的压实路基填筑的状态进行评价,并与常规的灌砂法测定路基的压实度进行对比分析,研究得出了剪切波波速与压实度的关系式,为高速公路路基填筑工程的质量控制提供了一种快捷有效的检测方法。     

The influence of anisotropy on compaction bands: The case of coaxiality between stress and fabric anisotropy tensors

Compaction bands are localized failure patterns that appear in highly porous rock material under the effect of relatively high confining pressure. Being affected mainly by volumetric compression, these bands appear to be almost perpendicular to the most compressive principal stress of a stress state at the so-called “cap” of the yield surface (YS). In this study, we focus on the mechanism that leads to the onset of compaction bands by using a viscoplasticity model able to describe the post-localization response of these materials. The proposed constitutive framework is based on the overstress theory of Perzyna (1966) and the anisotropic clay plasticity model of Dafalias (1986), which provides not only the necessary “cap” of the YS, but introduces a rotational hardening (RH) mechanism, thus, accounting for the effect of fabric anisotropy. Following the analysis of Veveakis and Regenauer-Lieb (2015), we identify the compaction bands as “static” cnoidal wave formations in the medium that occur at a post-yield regime, and we study the effect of rotational and isotropic hardening on their onset. Moreover, we determine a theoretical range of confining pressures in triaxial compression tests for the compaction bands to develop. Under the assumption of coaxiality between stress and anisotropy tensors, the results show that the isotropic hardening promotes compaction localization, whereas the RH has a slightly negative effect on the onset of compaction localization.     

强夯法加固沙漠土地基处理试验研究

对内蒙沙漠土进行8 000 kN m、6 000 kN m、4 000 kN m、3 000 kN m能级强夯法地基处理试验,通过标准贯入试验、动力触探试验和平板载荷试验对强夯后的沙漠土进行检测,得出各种能级强夯对沙漠地区填方区、挖方区处理后的有效加固深度和承载力。对强夯法处理沙漠土的一些规律进行总结,给出各种强夯能级能够处理的有效加固深度、夯点间距等设计施工参数,供类似地质条件下强夯地基处理工程借鉴参考     

冲击碾压法处理粉土地基试验研究

冲击碾压法作为一种高效、经济的压实技术,已经广泛应用于各种路基压实和软基处理等领域,并不断被应用于新的领域。通过现场试验,结合试验过程中地下水位、地表沉降和孔隙水压力等项目的监测结果以及处理后标准贯入试验和静力触探试验的检测成果,探讨了冲击碾压法用于消除浅层粉土地基液化的有效性和相应的施工工艺。试验研究表明,采用冲击碾压法可消除浅层粉土地基的液化,并且2 m深度范围内地基土的压实效果明显。研究成果证明了冲击碾压法在消除浅层地基液化领域的适用性。     

含砂低液限粉土的压实特性研究

通过级配分析、击实试验，分析了含砂低液限粉土的物理力学特性和压实特性。认为现行以压实度为指标的压实控制标准的不完备，是引起公路病害的主要原因之一。为了解决这一问题，引入空气体积率作为粉土压实的辅助控制标准，并建议提高现行路堤的压实度控制标准。     

高液限粘土路基填土工程性质探讨

文中通过级配分析、击实试验,分析了高液限粘土路基填土的物理力学特性和压实特性。认为现行以压实度为指标的压实控制标准不完备,是引起公路病害的主要原因之一。建议引入空气体积率作为粘土路基压实程度的评判标准,并提高现有压实度控制标准中路堤的压实度。     

黄土强夯的模型试验研究

利用读数显微镜位移跟踪法，对黄土进行了强夯的模型试验研究，分析了不同的参数对强夯加固范围的影响程度和相互关系，提出了考虑这些主要因素的加固深度的计算公式，并对强夯机理进行了分析。     

沙湾凹陷上乌尔禾组储层成岩作用及成岩相分析

二叠系上乌尔禾组为沙湾凹陷重要勘探目的层之一,主要发育岩性油气藏,但成岩作用的相关研究较少,阻碍该区上乌尔禾组深入勘探。在储层岩石学以及储集特征分析基础上,利用薄片观察、物性分析、扫描电镜以及能谱等实验手段,对上乌尔禾组成岩作用类型以及成岩相进行详细研究。发现研究区上乌尔禾组储层成岩作用包括压实作用、胶结作用以及溶蚀作用。结合大量成岩现象及特征,认为研究区上乌尔禾组成岩阶段为中成岩B期。综合成岩强度以及典型成岩现象,将研究区上乌尔禾组成岩相划分为强压实致密相、强压实中溶蚀相、中强压实方解石胶结弱溶蚀相、中强压实伊蒙混层包膜弱溶蚀相、中强压实沸石胶结弱溶蚀相,利用Fisher判别法建立各成岩相判别公式,并结合测井资料探索各成岩相的分布规律,为优质储层的预测提供依据。     

松辽盆地中部后裂谷早期正断层系形成机制

在松辽盆地后裂谷早期的沉积地层里广泛发育着一个长度相对短、走向变化相对大的正断层系.大庆太平屯区块高精度三维地震勘探结果的构造研究表明, 该层伸展率可达0.0594±0.0209, 由此向上或向下发生明显的减少.这与裂谷盆地地层的伸展率自下而上一般呈单调递减是不一致的, 意味着单纯的区域拉伸不能够解释这种反常现象.笔者认为在成岩过程中沉积物可能发生的体积收缩应该是导致这种伸展率异常的主要原因.文中分析了造成体积收缩的3种可能机制: 生烃、伊利石化脱水和压实收缩, 其中最主要的是压实收缩机制.此外, 构造应力场也明显地影响着该断层系的形成, 造成断层走向分布具有一定的方向性.      

离石地区湿陷性黄土地基强夯参数的试验研究

针对离石地区超高填方下深厚湿陷性黄土地基强夯加固参数及效果开展了系列试验研究,分析了强夯前、后各试验区平均夯沉量和土体主要物理力学指标的变化规律,并给出2 000、3 000、6 000 kN•m 能级条件下强夯加固的夯点中心距、最佳击数、停夯标准及有效加固深度等主要参数,在此基础上确定了强夯有效加固深度的估算方法。试验结果表明,离石地区深厚湿陷性黄土地基强夯处理后加固效果显著,有效加固深度范围内黄土湿陷性基本消除;离石或类似地区湿陷性黄土地基采用2 000 kN•m及其以上能级进行强夯处理后,地基承载力特征值均可达到300 kPa以上,土体变形模量大于25 MPa,强夯有效加固深度可采用修正Menard公式进行估算,修正系数可取0.35～0.37;2 000、3 000、6 000 kN•m 能级强夯最佳击数分别为11、10、10击,有效加固深度分别为5、6、9 m,夯点中心距分别为4、4、5 m,且分别可将点夯最后两击的平均夯沉量不大于5、5、10 cm作为停夯标准。试验研究成果可为同类工程的设计与施工提供参考。     

海上地震资料处理中的潮汐静校正处理研究及应用

海水因为受月亮引力的作用会产生潮汐现象,在海上地震资料中表现为假断层现象,这种现象会影响地震资料的成像质量,导致错误层位解释及储层预测,因此在地震资料处理中,需要进行潮汐静校正处理。这里讨论了如何应用海上采集的高程值计算出地震波来回通过基准海平面与放炮时海平面之间的薄层水体所经历的时间,再将全部地震数据都校置在同一观察平面,从而实现潮汐静校正处理的方法,并应用于海上某工区中,得到较为理想的效果。     

伦坡拉盆地下第三系储层的成岩作用和储集性能的成岩控因

区内下第三系储层经历了压实、胶结、溶蚀、破裂等一系列成岩作用,成岩作用十分复杂,成岩现象也十分丰富,特征十分明显。储层储集性能的成岩控因研究表明,压实作用、胶结作用是使储层物性变差、孔隙度降低的两个重要成岩控因;而溶蚀作用,特别是深埋溶蚀作用是改善储层储集性能、使储层物性变好的成岩控因之一。     

粤连电厂拦灰坝土石混合料碾压试验研究

对拦灰坝土石混合料进行3种不同铺填厚度、3种不同加水量、5种振动碾压遍数组合的现场试验,通过测试碾压前后的颗粒组成,沉降量、变形模量、干湿密度等确定1组优化参数作为现场施工控制参数,并对试验结果进行了分析,提出了相应的处理措施和建议。