“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”教改探索

李曉蓉 馮永存

[摘 要] 隨著巖石力學(xué)教學(xué)的日益發(fā)展，運(yùn)用傳統(tǒng)的巖石力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的教學(xué)形式具有局限性，為實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可視化和重復(fù)性，利用有限元數(shù)值仿真平臺(tái)ABAQUS在教學(xué)中設(shè)計(jì)并開(kāi)展特殊巖石（如鹽巖）的單、三軸數(shù)值仿真力學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可通過(guò)模擬云圖直觀地了解巖石受力變形破壞的全過(guò)程，有利于提升學(xué)生的分析和理解能力。同時(shí)，通過(guò)重復(fù)性的模擬實(shí)驗(yàn)，可以增強(qiáng)學(xué)生將巖石理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的能力，豐富學(xué)生的巖石力學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為培養(yǎng)巖石力學(xué)領(lǐng)域的人才奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)值仿真;巖石力學(xué);ABAQUS;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2019年度中國(guó)石油大學(xué)（北京）拔尖人才科研基金項(xiàng)目“天然氣水合物試采出砂機(jī)理預(yù)測(cè)”（ZX20190179）

[作者簡(jiǎn)介] 李曉蓉（1988—），女，青海海東人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院講師，主要從事海洋油氣工程巖石力學(xué)研究;馮永存（1986—），男，山東諸城人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教授，主要從事石油工程巖石力學(xué)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）01-0111-04 [收稿日期] 2021-08-03

引言

“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”是海洋油氣工程本科專(zhuān)業(yè)一門(mén)應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，是海洋油氣鉆井工程、完井工程、油藏工程等專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。課程旨在系統(tǒng)講解巖石的物理和力學(xué)性質(zhì)，介紹巖石力學(xué)中重要參數(shù)的確定方法，分析海洋油氣工程中典型的巖石力學(xué)問(wèn)題，深化和加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)。其中，巖石的抗壓、抗拉等基礎(chǔ)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)是獲得巖石力學(xué)基本參數(shù)的關(guān)鍵方法，也是幫助學(xué)生理解巖石受力變形和破壞特征的重要手段。并且，開(kāi)展井壁穩(wěn)定、水力壓裂等海洋油氣工程典型巖石力學(xué)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生理解具體工程問(wèn)題的關(guān)鍵手段。

與傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，數(shù)值仿真因其通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面有效開(kāi)展，提供了一種頗具前景的新方法。

（一）傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)限制

在“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”傳統(tǒng)教學(xué)中，通常是對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層巖石試樣開(kāi)展單、三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這很大程度上幫助學(xué)生深入理解巖石應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。然而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中往往存在一系列限制。

1.由于巖石試樣自身非均勻性、非連續(xù)性、各向異性等特性影響，基礎(chǔ)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，巖石試樣破壞過(guò)程較為復(fù)雜。尤其是針對(duì)特殊儲(chǔ)層巖石試樣的力學(xué)特性更為復(fù)雜，如含夾層鹽巖的蠕變特性等，導(dǎo)致學(xué)生難以測(cè)得理想的應(yīng)力—應(yīng)變結(jié)果，影響對(duì)巖石破壞機(jī)理的認(rèn)知。

2.由于實(shí)驗(yàn)室空間不足與儀器數(shù)量限制，學(xué)生往往需要分成若干小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以保證所有學(xué)生的參與度和完成報(bào)告的獨(dú)立性。此外，井壁穩(wěn)定和水力壓裂等大型石油工程巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)難度大、實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，而且室內(nèi)實(shí)驗(yàn)往往無(wú)法還原地層真實(shí)溫—壓條件，同時(shí)還有一定的危險(xiǎn)性，導(dǎo)致傳統(tǒng)石油工程巖石力學(xué)教學(xué)中通常無(wú)法做此類(lèi)實(shí)驗(yàn)。

（二）數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)是指通過(guò)利用軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的條件，并模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)石油工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的有效開(kāi)展提供了一種頗具前景的新方法，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）利用計(jì)算機(jī)對(duì)巖石的變形和破壞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且可以通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)得到許多常規(guī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以觀察到的重要信息，比如巖石破壞過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)的演變，模擬特殊儲(chǔ)層巖石試樣（如含夾層鹽巖）的力學(xué)特性;（2）數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，可以針對(duì)性地給每位學(xué)生的仿真案例設(shè)置不同的邊界條件參數(shù)及受力參數(shù)，從而保證所有學(xué)生提交作業(yè)的結(jié)果都是獨(dú)立和不同的，這樣既可以調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)的積極性，又防止出現(xiàn)作業(yè)抄襲、雷同等情況;（3）可以進(jìn)行由于實(shí)驗(yàn)室條件不足（如地層的溫壓條件）或危險(xiǎn)性較高而難以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解程度，提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力;（4）數(shù)值仿真方法作為解決石油領(lǐng)域各種工程問(wèn)題的主要方法之一，是學(xué)生以后科研工作中不可缺少的一種分析手段。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用和實(shí)施，不僅可以幫助學(xué)生提前熟悉和了解數(shù)值分析方法，又可以為學(xué)生在以后的科研工作中提供分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的基礎(chǔ)。

綜上所述，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，受試樣多樣性、實(shí)驗(yàn)室空間與設(shè)備儀器數(shù)量不足、分析問(wèn)題的復(fù)雜性與實(shí)驗(yàn)安全等問(wèn)題限制，難以全面有效地開(kāi)展。因此，本文提出巖石力學(xué)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以激發(fā)學(xué)生利用數(shù)值軟件技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生軟件使用的能力，還可以將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，為今后的研究生學(xué)習(xí)或工作崗位做好準(zhǔn)備。

一、數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)

（一）數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)工具

為實(shí)現(xiàn)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)在“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用，首先需要一個(gè)具備分析巖石在外載荷作用下的破壞過(guò)程的數(shù)值計(jì)算工具。近20年來(lái)，國(guó)外相繼開(kāi)發(fā)了一系列數(shù)值計(jì)算軟件，主要包括：有限元計(jì)算軟件（如Abaqus、Ansys等）、邊界元計(jì)算軟件（如Examine等）和離散元計(jì)算軟件（如PFC等）、有限元差分法（如FLAC 3D）。其中，有限單元法（FEM），最初是應(yīng)用于計(jì)算波音飛機(jī)機(jī)翼的振動(dòng)，隨后由于計(jì)算機(jī)微型與高速化的普及與矩陣數(shù)學(xué)的發(fā)展，有限元方法開(kāi)始飛速發(fā)展。有限元法是通過(guò)離散，將連續(xù)介質(zhì)離散為有限單元的組合體，通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿(mǎn)足要求的物理性能的近似解，進(jìn)而解決理論分析無(wú)法解決的問(wèn)題。有限單元法作為一種強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算方法，其特點(diǎn)為適用性強(qiáng)，問(wèn)題求解效率高、精確度準(zhǔn)。

Abaqus是目前應(yīng)用比較廣泛的有限元軟件之一，其開(kāi)發(fā)者為法國(guó)的達(dá)索公司，雖然進(jìn)入我國(guó)較晚，但是其通過(guò)率先采用用戶(hù)接口程序，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)材料性質(zhì)，單元與邊界條件的自定義需求，得以快速在國(guó)內(nèi)發(fā)展。目前已經(jīng)成為國(guó)際著名的有限元軟件之一。而其作為有限單元法軟件數(shù)值模擬軟的優(yōu)勢(shì)有：使用簡(jiǎn)單，建立復(fù)雜問(wèn)題模型步驟簡(jiǎn)易，其擁有豐富的材料模型庫(kù)，便于本科生在進(jìn)行建模;人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔，易于每個(gè)本科生上手操作;擁有強(qiáng)大的非線(xiàn)性分析與模擬能力，可用于大型復(fù)雜的有限元模型的分析與模擬;可以通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，用以得到精確解，計(jì)算精度高;適用性強(qiáng)，其分析與處理模塊包括Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit與Abaqus/CAE三部分，可以解決包括但不限于熱傳導(dǎo)、聲學(xué)分析與巖土力學(xué)分析等問(wèn)題;模擬海洋油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)頗有成效。Abaqus軟件可以基于不同巖石的彈塑性本構(gòu)模型對(duì)巖石屬性進(jìn)行設(shè)置，然后開(kāi)始數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以了解到巖石在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的受力變形和破壞特征;可以逐幀觀察巖石在外載荷下的局部裂紋的萌生及發(fā)展過(guò)程，從而可以通過(guò)追蹤局部微觀結(jié)構(gòu)的變化來(lái)反映巖石宏觀破壞特征。為學(xué)生在認(rèn)識(shí)不同巖石的力學(xué)特性提供了一種很好的仿真實(shí)驗(yàn)工具。因此，本研究擬用Abaqus軟件進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（二）數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)工具應(yīng)用

學(xué)生已經(jīng)在混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等課程中運(yùn)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。在混凝土結(jié)構(gòu)課程中學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)了截面分析的基本方法，然后選用OpenSees（地震工程模擬的開(kāi)放體系）對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生了解到截面尺寸、截面配筋情況與材料的力學(xué)屬性對(duì)及截面曲率和彎矩的影響，對(duì)各個(gè)構(gòu)件的力學(xué)性能有更充分的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)了學(xué)生理論與實(shí)際結(jié)合的能力。

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程中學(xué)生需要學(xué)習(xí)如何分析動(dòng)力荷載和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的特征，但在此過(guò)程中由于設(shè)計(jì)概念抽象，公式復(fù)雜，學(xué)生接受該部分知識(shí)較為困難。學(xué)生通過(guò)結(jié)合軟件開(kāi)展數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，能直觀地看到大型工程結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)，進(jìn)而更好地理解動(dòng)力學(xué)的概念，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到教學(xué)仿真案例中，利用教材案例與學(xué)生產(chǎn)生互動(dòng)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性、主動(dòng)性。

在上述基礎(chǔ)上對(duì)“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”的數(shù)值仿真巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，學(xué)生通過(guò)操作Abaqus軟件仿照室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。利用Abaqus軟件輸出巖石受力變形云圖，分析巖石變形過(guò)程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)圖，結(jié)合巖石力學(xué)專(zhuān)業(yè)理論展開(kāi)分析巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)。對(duì)比前兩種數(shù)值仿真模擬，該種仿真實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了學(xué)生的數(shù)值分析能力與理論分析能力。

二、基于有限元數(shù)值模擬的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

課程改革內(nèi)容包括課程教學(xué)資料建設(shè)與教學(xué)方法建設(shè)。課程資料建設(shè)包括形成“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”數(shù)值仿真課程教學(xué)講義和教案，編寫(xiě)基于Abaqus軟件平臺(tái)的數(shù)值仿真習(xí)題集，編制軟件上機(jī)指導(dǎo)手冊(cè)與操作案例。探索課程教學(xué)方法建設(shè)，具體指根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及其所占比例合理安排課堂理論教學(xué)、軟件實(shí)際操作、案例分析、分組討論等教學(xué)方法的應(yīng)用和應(yīng)用比例，并充分借鑒巖土工程、礦業(yè)工程、水利工程等其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的數(shù)值仿真教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

數(shù)值仿真教學(xué)內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值仿真教學(xué)，具體由巖石壓縮的物理實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值仿真模擬等內(nèi)容;在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行巖石壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)敏感性分析，進(jìn)一步達(dá)到學(xué)生對(duì)巖石壓縮實(shí)驗(yàn)的全面理解和掌握。

單軸抗壓實(shí)驗(yàn)仿真。試樣尺寸：100mm×50mm;網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)：650個(gè);應(yīng)力分析模式：平面應(yīng)力;加載方式：?jiǎn)屋S壓縮;加載條件：位移控制加載;分析步時(shí)長(zhǎng)：1;最大增量步：0.01;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn);（2）強(qiáng)度;（3）破壞模式。

圖1為Abaqus單軸壓縮數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)效果對(duì)比圖。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度誤差小于3%，數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)破裂成果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)一致，因此，學(xué)生可以利用Abaqus軟件進(jìn)行巖石的數(shù)值仿真壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)理論分析，更深入了解巖石的變形破壞機(jī)理。

虛擬數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)既可保證實(shí)驗(yàn)的安全性，又能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可操作性。學(xué)生可以通過(guò)在Abaqus軟件的屬性操作界面改變巖石的基礎(chǔ)屬性;在荷載界面改變荷載設(shè)置，進(jìn)而模擬出不同的加載工況，對(duì)比總結(jié)巖石在不同工況下的力學(xué)特性。

通過(guò)在合理范圍內(nèi)改變某項(xiàng)巖石的性質(zhì)參數(shù)，保證學(xué)生作業(yè)的差異性，進(jìn)而達(dá)到保障學(xué)生獨(dú)立完成度的目的。此外，除了單、三軸試驗(yàn)的模擬，還可以進(jìn)行由于實(shí)驗(yàn)室條件不足與實(shí)驗(yàn)室安全要求等原因，未進(jìn)行的井壁失穩(wěn)等實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)給定的地層信息（如地層壓力梯度、地溫梯度、巖石泊松比等），進(jìn)行井壁失穩(wěn)等井筒完整性失效情況的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模擬不同地層條件下不同的井筒完整性失效情況的數(shù)值仿真模擬，達(dá)到提高學(xué)生參與度，獨(dú)立完成作業(yè)的程度與小組討論效果的目的，同時(shí)，將理論與實(shí)際案例結(jié)合，進(jìn)一步達(dá)到提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力，為學(xué)生今后的科研與工作奠定基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)將數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法引入到“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)當(dāng)中，形成“海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”數(shù)值仿真教學(xué)資料，包括教學(xué)講義、教案、仿真案例與上機(jī)指導(dǎo)等。解決了由于實(shí)驗(yàn)室條件，設(shè)備數(shù)量與實(shí)驗(yàn)室安全性的限制，進(jìn)一步提高了學(xué)生的參與度與獨(dú)立完成的程度。同時(shí)，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐幫助學(xué)生更好地理解巖石破壞問(wèn)題的本質(zhì)，以及石油工程中涉及的典型巖石破壞問(wèn)題，深化學(xué)生對(duì)相關(guān)工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)值仿真技術(shù)的興趣，提升學(xué)生將理論與實(shí)際結(jié)合的能力，穩(wěn)固學(xué)生今后科研工作的基礎(chǔ)。同時(shí)，還可以推動(dòng)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)在本校教學(xué)中的應(yīng)用，為本學(xué)科及其他相關(guān)學(xué)科的教學(xué)改革提供借鑒。

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Teaching Exploration of Fundamentals of Rock Mechanics in Offshore Oil and Gas Engineering： Application of Numerical Simulation Experiment

LI Xiao-ronga， FENG Yong-cunb

（a. College of Safety and Ocean Engineering， b. Petroleum Engineering， China University of Petroleum 〔Beijing〕， Beijing 102249， China）

Abstract： With the development of the teaching of rock mechanics in offshore oil and gas engineering， the traditional experiment of rock mechanics has its limitations. In this paper， the large-scale finite element numerical simulation platform ABAQUS is used to design and carry out the uniaxial and triaxial numerical simulation experiments of special rocks （such as salt rock） in the teaching process. Students can intuitively understand the whole process of rock deformation and failure through the cloud chart by using the numerical simulation experiment， and can repeat the experimental operation process so as to realize the visualization and repeatability of complex rock mechanics experiment. This teaching method is conducive to improving students’ numerical analysis ability， enhancing their ability to combine rock theory with practice， enriching their professional knowledge of rock mechanics， and laying a foundation for training talents in the field of rock mechanics.

Key words： numerical simulation; rock mechanics; ABAQUS; experimental teaching