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

李 猛 戶淑莉 萬(wàn)立夫

0 引言

為使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)和理解石油鉆井、開(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍存在的巖石力學(xué)問(wèn)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(guò)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(duì)此過(guò)程有效的研究手段，且目前的物理實(shí)驗(yàn)不易對(duì)巖石的破裂與失穩(wěn)過(guò)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(lèi)問(wèn)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(lái)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(wèn)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(chǎng)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)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(guò)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(duì)象

了解當(dāng)前國(guó)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(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍存在的巖石力學(xué)問(wèn)題，掌握解決這些問(wèn)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(jí)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(jiǎn)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(hào)，對(duì)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(guò)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

圖1 巖石三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌茐男袨檎故?/p>

圖2 學(xué)生自主仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（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(duì)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(chǎng)（應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)）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(guò)程及蠕變現(xiàn)象能以3D 動(dòng)畫(huà)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(duì)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(duì)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(yǔ)

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(shí)，考慮井下實(shí)際復(fù)雜工況，開(kāi)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(guò)程以及在井下載荷作用下的變形和破裂過(guò)程、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及內(nèi)力變化過(guò)程，可形成虛擬3D 動(dòng)畫(huà)顯示，且可重復(fù)操作，同時(shí)保證了實(shí)驗(yàn)過(guò)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。