基于热-流-固耦合模型的石油钻井施工过程数值分析

岩土介质多场耦合问题需考虑诸多因素,温度、渗流及应力之间的耦合关系复杂,试验条件不易控制,且难以实现,因此,辅以数值模拟手段具有重要的意义。基于混合物理论,推导出岩土介质温度、渗流和应力耦合的数学模型及其控制方程,提出该数学模型的求解方法,以MATLAB语言为平台,将Abaqus程序作为一个模块嵌入迭代算法程序中,编制了多场耦合分析程序,并给出了2个典型算例验证该方法的有效性和实用性。然后,将建立的多场耦合模型和计算程序应用于石油钻井施工过程的模拟,重点分析井壁围岩内温度场、渗流场和应力场的变化规律,以及钻井液温度的变化对井壁稳定性的影响。研究成果对我国地下石油、核废料储存等工程设计和施工具有一定的指导意义。

考虑岩体各向异性强度的隧洞围岩稳定性分析

岩体中普遍存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度有着重要的影响。以具有较密集成组节理的岩体为研究对象,以Drucker-Prager准则和裂隙应力张开准则为基础,分别考虑岩块和节理面各自的物理力学性质,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法,并建立了岩体各向异性本构模型,用以描述节理岩体在强度方面的各向异性及其破坏特征。将该模型用于隧洞围岩稳定性分析工程中,研究表明,该模型可以较好地解释节理岩体围岩的破坏特征,与工程实践相符。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及深埋地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。

考虑结构面特性的层状岩体各向异性模型

层状岩体中存在着定向结构面,导致其力学特性具有明显的各向异性。将层状岩体视为由基岩和定向结构面构成的一种宏观复合材料,以Drucker-Prager准则为基础,通过分别考虑结构面和基岩的力学性质,建立了层状岩体各向异性力学模型。该模型克服了常规层状岩体力学模型不能反映地层结构面特性及不能独立考虑基岩累进破坏特征的问题。在此基础上,提出了该模型的求解方法,基于ABAQUS二次开发,编制了计算程序,通过与经典理论进行对比,验证了该模型的有效性和实用性。将该模型应用于层状岩体地下工程的计算分析,所得结果可以较好反映层状岩体各向异性特性,且与工程实践基本相符。