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基于完全流-固耦合的弹塑性理论给出了水力压裂数值计算的弥散裂缝模型,其中材料的弹性部分采用线弹性本构关系,塑性部分采用摩尔-库仑破坏准则及强化准则。依据当前的有效应力状态修正渗透系数来模拟压裂液在裂缝中的流动。渗透系数的修改使用双曲正切函数,并采用平均有效应力作为水力裂缝的起裂判据。在ABAQUS软件中通过用户自定义程序添加了该模型。根据岩石的切面照片建立了含有硬包裹体分布的非均质岩石的有限元计算模型,模拟了中心点注水条件下的水力压裂传播过程,讨论了在常应力状态下非均质岩石中开裂区域、典型位置的应力路径变化和裂缝传播范围随时间变化的特点。进行了多种条件下含有硬包裹体分布的岩石材料的数值试验,得出了基岩材料的弹性模量、凝聚力和渗透系数以及注水速率对峰值注水压力、平均注水压力和裂缝开度的影响规律。 相似文献
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致密油藏物性差,非均质性强,现今地应力分布特征影响着致密油藏钻井施工、井网部署、压裂改造和注水管理等方面。文章根据微地震监测法分析了鄂尔多斯盆地合水地区长6储层单井现今地应力的方向,利用水力压裂资料分析了研究区单井现今地应力大小。在单井现今应力分析的基础上,结合合水地区长6储层构造、沉积、岩相特点建立了三维非均质地质模型,通过室内三轴岩石力学试验与施工数据,得到不同岩相的岩石物理参数,由此建立三维力学模型。利用Ansys进行有限元数值模拟,得到了研究区长6储层三维现今地应力分布模型,模拟结果表明水平最大主应力范围为34~42 MPa;水平最小主应力范围为25~36 MPa;水平差应力范围为3~10 MPa,并将结果与实际测量的井点应力大小进行对比,误差小于10%,模拟结果可信。分析模拟结果可知研究区现今地应力的分布主要受到了岩石物理力学性质差异的影响,而构造格架的影响较小。在结果分析的基础上,建议研究区布井时,不仅考虑地应力的影响,还应将天然裂缝作为影响因素考虑,同时,为尽可能地降低开发成本,在差应力相等的区域,油气工业井一般部署在应力值低的地方。 相似文献
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水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究 总被引：5，自引：2，他引：3
以临界应力作为裂纹扩展准则并采用流固耦合模型模拟了水力压裂扩展问题,推导出裂缝面内的压降方程表达式,并编写出用户子程序嵌入到ABAQUS中。建立的计算模型能够模拟地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论,采用有限元软件ABAQUS求解可渗透油藏水力压裂扩展过程问题是可行的;提出了临界宽度的概念,它可以作为判断裂缝是作为起渗透作用的孔隙通道还是作为起导流作用的裂缝的依据;其结论对于压裂作业优化具有参考价值。 相似文献
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本文用有限元方法研究多矿物岩石的流变性质,即在一定温度压力范围内单矿物流变性质已知的情况下,采用随机网格划分和材料性质指定的方法,建立三维多矿物岩石的有限元模型,在计算机上计算该岩石模型在不同温度压力下的变形,根据这种数值模拟实验的结果,确定岩石整体的流变性质,而不必再进行真实多矿物岩石的高温高压实验.用有限元方法进行多矿物岩石流变性质的研究可以更为高效和节省,但其前提是多矿物间没有发生化学反应,变形机制仍与单矿物实验时的主导机制一样.本研究中进行了由锗橄榄石和锗尖晶石组成的双矿物岩石的流变实验,鉴于单个的随机生成的模型不一定居有代表性,因此对每一种矿物比例均随机生成了多个岩石模型,进行大量Monte Carlo实验和统计分析.计算结果表明,由两种矿物组成的双矿物岩石整体流变性质介于两者之间且按一定规律分布,与矿物比例有关;但即使同等矿物比例混合后的岩石会由于内部矿物分布结构的不同仍会出现一定差异,特别在试件尺度小时这种效应更为明显,因此多矿物岩石实验试件应该有足够大的尺度. 相似文献
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《吉林大学学报(地球科学版)》2015,(Z1)
<正>地质模型是一个三维网格体,建模的一般思路和方法是:根据模拟区域内各井的地质、测井资料,结合沉积信息,以地质统计学理论为基础,建立各地质参数的空间分布模型,利用插值技术预测出每个网格块的地质参数值,三维定量的地质模型应包括构造模型、砂体骨架模型、物性模型和油气水分布模型。目前,三维地质精细建模的软件较多,本次研究选取了斯伦贝谢的Petrel软件作为研究的工具。三维地质建模一般遵循点→面→体的步骤,建模过程一般包括四个主要环节,即建模数据准备、构造建模、相建模及 相似文献
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储层非均质性对水力压裂的影响 总被引：1，自引：0，他引：1
从岩石细观非均质性的特点出发,采用RFPA2D-Flow软件对单孔和双孔数值模型进行压裂计算,研究岩石非均质性对水力压裂的响应,重点探讨双孔模型孔间吸引效应对裂纹演化形态的影响。岩石细观单元的力学、水力学特性由统计分布生成以体现岩石的随机不均质性,水力压裂过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。数值计算结果表明:(1)岩石非均质性影响裂缝的扩展形态,导致水力裂纹尖端微裂纹的分支。随着均质度的增加,水力裂纹的扩展形态变得更加平直光滑,单孔模型两侧裂纹更加对称,双孔间裂纹的连通性变差。(2)岩石的非均匀性对于岩石的起裂压力和地层破裂压力影响较大。随着均质度的增大,起裂应力和地层破裂应力增大,并且两者间的差值逐渐变小,在储层为均质的条件下,两者几乎相等。(3)相同的边界条件下,均质模型的应力分布曲线光滑连续,非均质模型的应力分布曲线呈现出明显波动,井眼对称剖面上的应力分布不尽相同,反映了细观单元强度非均匀性及裂缝扩展形态对应力分布的影响。(4)双孔模型孔间存在孔隙水压力增加带,孔间产生吸引效应,双孔方位影响临界压力。研究结果对水压裂试验设计和现场压裂施工具有一定的参考意义。 相似文献
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水力压裂三维裂缝形态及延伸的预测是评价水力压裂效果的主要因素,采用了损伤力学与断裂力学相结合的方法,描述了裂缝表面岩体的力学行为,建立了裂缝面上的损伤判据与损伤演化方程。根据岩石力学与渗流力学,采用有限元方法建立了低渗透储层岩体的流固-损伤耦合方程,并采用Newton-Raphson与线性搜索相结合的方法进行求解,获得了低渗透油层水力压裂三维裂缝的动态扩展过程及最终形态,揭示其力学本质。通过算例验证了理论及计算方法的正确性。在此基础上,分析了影响裂缝扩展的主要因素,其结果可为水力压裂设计提供较为可靠和准确的预测手段,以提高油层水力压裂措施的成功率 相似文献
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两体接触面剪切力学行为的三维数值分析 总被引：3，自引：0，他引：3
研究岩石-岩石节理或混凝土-岩石接触面的力学行为,对于评价岩体的稳定性及工程体与岩基的稳定性有重要的意 义。采用ANSYS有限元软件构建了在宽度方向一致的三维粗糙表面,模拟计算了Bandis等在玄武岩试件上的直剪试验结 果,并将数值计算结果与试验结果对比,验证了ANSYS在分析两体剪切力学行为方面的可行性。此外对于有规则起伏的锯齿界面,同样进行了三维直剪试验的数值模拟,获到了不同界面和应力边界条件下的剪切强度,并与Patton剪胀公式理论值进行比较,从理论上再次验证了ANSYS模拟直剪试验的适用性。同时重点分析了直剪试验下的剪切位移曲线、接触面的剪应力分布、剪胀作用;并初步探讨了ANSYS软件自身设定凝聚力对接触面力学性能的影响。 相似文献
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岩石力学层控制天然裂缝发育程度与成因机制,同样地,裂缝发育也会影响岩石力学参数的大小与各向异性.受成岩与构造作用的双重影响,岩石力学层会发生迁移,因此,控制裂缝发育的岩石力学层及适用于预测天然裂缝分布的岩石力学层可能不再存在.本文提出了一种采用储层地质力学方法分析构造因素控制下的岩石力学层迁移规律模拟方法 .通过野外观测建立三维裂缝离散网络模型,采用岩石力学实验测量岩石与裂缝面的力学参数,编制三循环法模拟程序研究不同尺寸、不同方位的裂缝性岩体等效力学参数,提出了裂缝性储层地质力学建模最优网格单元大小确定方法,并建立了裂缝参数与岩体力学参数间的数学模型.最后,通过不同时期古应力场数值模拟,预测裂缝的密度、产状,实现了构造因素控制下岩石力学层迁移规律数值模拟.结合鄂尔多斯盆地西缘裂缝组合样式及后期应力场模拟的精度要求,确定地质力学建模最优网格单元大小为28 m;在地质力学建模中,过小的网格单元尺度不能完整刻画单元内的裂缝发育模式.从燕山期至喜马拉雅期到现今,伴随着天然裂缝的发育,岩体杨氏模量总体呈下降趋势,泊松比增大,并且岩石杨氏模量与泊松比间的空间差异性逐渐减小. 相似文献
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岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。 相似文献
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裂隙岩体变形模量尺寸效应研究Ⅰ:有限元法 总被引：3，自引：3，他引：0
通过对裂隙交叉和非贯通裂隙进行的网格剖分研究,建立了随机裂隙岩体网格生成方法,并编制了裂隙岩体有限元网格自动生成程序。根据锦屏电站辅助洞白山组大理岩裂隙分布调查结果,用蒙特卡洛法生成随机裂隙网络,进行了岩石-裂隙二元岩体网格自动剖分,将试验室获得的岩石和裂隙的力学参数分别赋予岩体模型中的岩石和裂隙,通过有限元方法研究了裂隙岩体等效变形模量的尺寸效应和各向异性。尺寸效应研究结果表明,所研究的裂隙岩体的等效变形模量表征单元体REV为8 m;各向异性研究结果表明,在REV尺寸下,所研究的裂隙岩体各个方向变形模量可以通过柔度张量进行拟合,且张量拟合误差不超过8%。 相似文献
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Numerical Simulation of 3D Hydraulic Fracturing Based on an Improved Flow-Stress-Damage Model and a Parallel FEM Technique 总被引：4，自引：4，他引：0
L. C. Li C. A. Tang G. Li S. Y. Wang Z. Z. Liang Y. B. Zhang 《Rock Mechanics and Rock Engineering》2012,45(5):801-818
The failure mechanism of hydraulic fractures in heterogeneous geological materials is an important topic in mining and petroleum engineering. A three-dimensional (3D) finite element model that considers the coupled effects of seepage, damage, and the stress field is introduced. This model is based on a previously developed two-dimensional (2D) version of the model (RFPA2D-Rock Failure Process Analysis). The RFPA3D-Parallel model is developed using a parallel finite element method with a message-passing interface library. The constitutive law of this model considers strength and stiffness degradation, stress-dependent permeability for the pre-peak stage, and deformation-dependent permeability for the post-peak stage. Using this model, 3D modelling of progressive failure and associated fluid flow in rock are conducted and used to investigate the hydro-mechanical response of rock samples at laboratory scale. The responses investigated are the axial stress–axial strain together with permeability evolution and fracture patterns at various stages of loading. Then, the hydraulic fracturing process inside a rock specimen is numerically simulated. Three coupled processes are considered: (1) mechanical deformation of the solid medium induced by the fluid pressure acting on the fracture surfaces and the rock skeleton, (2) fluid flow within the fracture, and (3) propagation of the fracture. The numerically simulated results show that the fractures from a vertical wellbore propagate in the maximum principal stress direction without branching, turning, and twisting in the case of a large difference in the magnitude of the far-field stresses. Otherwise, the fracture initiates in a non-preferred direction and plane then turns and twists during propagation to become aligned with the preferred direction and plane. This pattern of fracturing is common when the rock formation contains multiple layers with different material properties. In addition, local heterogeneity of the rock matrix and macro-scale stress fluctuations due to the variability of material properties can cause the branching, turning, and twisting of fractures. 相似文献
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多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中的三维地下水流问题 总被引：7，自引：0，他引：7
应用多尺度有限单元法模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题。与传统有限单元法相比，多尺度有限单元法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点，所以这种方法能在大尺度上抓住解的小尺度特征获得较精确的解。在介绍多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中三维地下水流问题的基本原理之后，对参数水平方向渐变垂直方向突变的非均质多孔介质中的三维地下水流和Borden实验场的三维地下水流分别用多尺度有限单元法和传统等参有限单元法进行了计算，结果表明在模拟高度非均质多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法比传统有限单元法有效，既节省计算量又有较高的精度；在模拟非均质性弱的多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法虽然也能在大尺度上获得较为精确的解，但效果不明显。 相似文献
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正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究 总被引：1，自引：0，他引：1
石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。 相似文献
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Luz Angélica Caudillo-Mata Eldad Haber Christoph Schwarzbach 《Computational Geosciences》2017,21(5-6):963-980
In order to reduce the computational cost of the simulation of electromagnetic responses in geophysical settings that involve highly heterogeneous media, we develop a multiscale finite volume method with oversampling for the quasi-static Maxwell’s equations in the frequency domain. We assume a coarse mesh nested within a fine mesh that accurately discretizes the problem. For each coarse cell, we independently solve a local version of the original Maxwell’s system subject to linear boundary conditions on an extended domain, which includes the coarse cell and a neighborhood of fine cells around it. The local Maxwell’s system is solved using the fine mesh contained in the extended domain and the mimetic finite volume method. Next, these local solutions (basis functions) together with a weak-continuity condition are used to construct a coarse-mesh version of the global problem. The basis functions can be used to obtain the fine-mesh details from the solution of the coarse-mesh problem. Our approach leads to a significant reduction in the size of the final system of equations and the computational time, while accurately approximating the behavior of the fine-mesh solutions. We demonstrate the performance of our method using two 3D synthetic models: one with a mineral deposit in a geologically complex medium and one with random isotropic heterogeneous media. Both models are discretized using an adaptive mesh refinement technique. 相似文献
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A micromechanical model is proposed for studying the stability and failure process of slopes based on the gravity increase method (GIM). In this numerical model the heterogeneity of rock at a mesoscopic level is considered by assuming that the material properties conform to the Weibull distribution. Elastic damage mechanics is a method used for describing the constitutive law of the meso-level element, the finite element method (FEM) is employed as the basic stress analysis tool, and the maximum tensile strain criterion and the Mohr–Coulomb criterion are utilised as the damage threshold. The numerical model is implemented into the Realistic Failure Process Analysis (RFPA) code using finite element programming, and an extended version of RFPA, i.e., RFPA-GIM, is developed to analyse the failure process and stability of slopes. In the numerical modelling with RFPA-GIM, the critical failure surface of slopes is obtained by increasing the gravity gradually but keeping material properties constant. The acoustic emission (AE) event rate is employed as the criterion for slope failure. The salient feature of the RFPA-GIM in stability analysis of slopes is that the critical failure surface as well as the safety factor can be obtained without any presumption for the shape and location of the failure surface. Several numerical tests have been conducted to demonstrate the feasibility of RFPA-GIM. Numerical results agree well with experimental results and those predicted using the FEM strength reduction method and conventional limit equilibrium analysis. Furthermore it is shown that selection of the AE rate as the criterion for slope failure is reasonable and effective. Finally, the RFPA-GIM is applied to several more complex cases, including slopes in jointed rock masses and layered rock formations. The results indicate that the RFPA-GIM is capable of capturing the mechanism of slope failure and has the potential for application in a larger range of geo-engineering. 相似文献
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Composite Element Model of the Fully Grouted Rock Bolt 总被引：12，自引：1，他引：12
Summary The three dimensional elasto-viscoplastic composite element method is formulated in this paper for rock masses reinforced by a fully-grouted bolt. If a bolt segment penetrates a finite element representing the rock mass, then a composite element is formed including five sub-elements corresponding to the rock material, the grout material, the bolt material, the rock-grout interface and the bolt-grout interface. The displacements in each sub-element are interpolated from the corresponding nodal displacements of the composite element. By the virtual work principle the governing equation for the solution of the nodal displacements can be formulated. The elasto-viscoplastic characteristics of the materials are considered in the formulation. The new model can be incorporated into the conventional finite element analysis grid, in which several composite elements have fully grouted bolts embedded. In this way the mesh generation of large scale bolted rock structures becomes convenient and feasible. The model has been implemented in a FEM program, and a comparative study between the numerical analysis and a pull out field test has been carried out, from which the validity and the robustness of the new model are justified. 相似文献
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颗粒配比对岩石力学特征影响的数值模拟研究 总被引：1，自引：1，他引：0
岩石是矿物颗粒的集合体同时也是一种重要的非均质材料,了解它的力学特征对岩土工程及矿产开采都具有重要的指导作用。作为典型的颗粒材料,颗粒单元体的粒径分布配比必然影响着岩石的宏观力学表现。通过设置不同体积配比下的颗粒材料单元体,利用PCF2D软件模拟了相同颗粒材料单元体不同配比下岩石模型的力学特征。模拟结果表明颗粒单元体配比对岩石的力学特征有明显的影响。在模拟过程中大颗粒的配比显著影响着岩石的抗压强度,大颗粒含量相对越高,抗压强度越大。而细颗粒的配比影响着岩石的抗拉强度,细颗粒含量相对越高,抗拉强度越大,但是过多的细颗粒会降低岩石的抗拉强度。考虑岩石压缩过程中裂缝形态的影响。结果表明均匀分布、5:2:3、7:2:1的颗粒配比形成了贯穿裂缝,而1:2:7和3:2:5的颗粒配比未能形成贯穿裂缝,且细颗粒配比越高,裂缝数目出现高值的概率也越大。 相似文献