一种确定双重应力强度因子的数值方法

基于奇异点附近的位移场和奇异应力场,提出了一种利用普通的数值分析结果确定双重应力强度因子的数值方法和提高应力强度因子求解精度的结点选取方法,并把确定V形切口与裂纹的应力强度因子问题统一起来,利用有限元软件MSC/Nastran对ⅠⅡ型复合平面裂纹以及V型切口问题进行了具体计算。计算结果表明,所提出的方法具有通用性强、精度高的特点,便于实际工程应用。

对多孔介质双重有效应力理论的讨论

李传亮先生提出的双重有效应力理论认为,受挤压的多孔介质承受两种应力,即本体有效应力和结构有效应力,二者分别决定多孔介质的本体变形和结构变形。针对上述理论,采用力学分析的方法研究了多孔介质变形的机理。结果表明,多孔介质的本体变形实质为弹性变形,它并不取决于本体有效应力,而取决于外加应力、粒间接触应力、流体压力的大小及其分布;多孔介质的结构变形并不取决于结构有效应力,而取决于外加应力、粒间接触应力、流体压力、粒间摩擦应力、粒间黏着应力的大小及其分布。显然,"双重有效应力"的作用被夸大了。

多孔介质的双重有效应力

多孔介质存在两种变形机制,本体变形和结构变形;与此相对应、多孔介质也具有两个有效应力、本体有效应力和结构有效应力;本体有效应力决定多孔介质的本体变形、结构有效应力决定多孔介质的结构变形;多孔介质具有双重有效应力,这是由介质独特的物质结构所决定的固有特性.

关于双重有效应力——回应洪亮博士

双重有效应力概念提出于1999年,是继Terzaghi有效应力和Biot有效应力之后提出的有效应力概念,应用非常广泛。Terzaghi有效应力近似适用于极其疏松的多孔介质,Biot有效应力属于经验公式,二者存在一定的缺陷。双重有效应力克服了它们的缺陷,充分考虑了多孔介质的变形机制和物质结构。多孔介质存在两种基本的变形机制(本体变形和结构变形),与此相对应,多孔介质有2个有效应力(本体有效应力和结构有效应力)。本体有效应力决定多孔介质的本体变形,结构有效应力决定多孔介质的结构变形。双重有效应力引入了多孔介质的物质结构参数,通过孔隙度把多孔介质与普通固体统一了起来,因而应用范围也更加广泛。

基于双重有效应力理论的坍塌压力计算模型

目前钻井界广泛使用的地层坍塌压力计算模型是以Biot有效应力理论为基础,应用过程具有较大的不确定性。现用模型在井壁表面采用了错误的孔隙压力边界条件,且未考虑钻井液渗流效应对井周应力的影响。对现用模型存在的问题进行了分析,全面考虑坍塌压力的影响因素,应用双重有效应力理论建立了新的计算模型。新模型考虑了岩石孔隙度、泊松比和钻井液渗流效应的影响,更全面的反映了坍塌压力的本质。新模型既可用于非渗透地层,也可用于高渗透性地层。新模型计算的坍塌压力更准确。

双重有效应力再认识及其综合作用

Terzaghi有效应力原理只考虑了土体结构变形,为了适应更一般的情况,李传亮提出了多孔介质的双重有效应力:本体有效应力和结构有效应力。双重有效应力概念简洁易懂,被广泛引用,然而两个有效应力表达式及其导出的孔隙压缩系数和应力敏感理论却与测试结果相矛盾。本文在多孔介质的应力应变分析基础上,推导出了新的双重有效应力表达式,分析其综合作用并得到了总有效应力表达式,与Laughton等实验以及Hall图版对比,论证了其适用性,并给出了应用实例。研究表明:旧双重有效应力表达式与Biot、Bishop早期提出的两个有效应力表达式相同,与Laughton等高压实验结果相矛盾;新双重有效应力首次提出了颗粒形状变形及其对岩石总体积应变的影响,而未能考虑颗粒间变形和颗粒形状变形是旧孔隙压缩系数理论计算值远小于实验测试值的根本原因;新双重有效应力与Skempton有效应力内涵相同,其综合作用得到的总有效应力方程与Skempton有效应力方程一致;新双重有效应力很好地解释了Laughton等经典实验测试结果,其导出的孔隙压缩系数与Hall图版认识一致,从应变机理上论证了岩石孔隙压缩系数与孔隙度负相关、低渗透油藏应力敏感程度更强的实验认识。

再谈双重有效应力——对《双重有效应力再认识及其综合作用》一文的讨论与分析

有效应力是多孔介质力学的基础概念,固体力学的理论通过有效应力应用于多孔介质,产生了多孔介质力学。但是,不同学者在不同条件下提出的有效应力有所不同,这就给有效应力的应用带来了不确定性。目前已提出了3个典型的有效应力:Terzaghi有效应力、Biot有效应力和双重有效应力。Terzaghi有效应力是针对疏松土介质提出的第一个有效应力,催生了土力学的诞生,它仅适用于极其疏松的多孔介质,不适用于致密介质的力学行为研究。Biot有效应力是对Terzaghi有效应力的修正,由于Biot系数没有明确的物理意义,又通常取经验值,因此Biot有效应力公式是一个经验公式。双重有效应力是在介质变形机制基础上提出的有效应力概念。多孔介质存在两种基本的变形机制:本体变形和结构变形。与此相对应,多孔介质存在两个有效应力:本体有效应力和结构有效应力。本体有效应力决定多孔介质的本体变形,结构有效应力决定多孔介质的结构变形。双重有效应力考虑了多孔介质的物质结构,引入了多孔介质的物性参数,参数取不同的数值,可用于不同的介质类型。毛博士提出的新双重有效应力概念定义不严谨,科学性不强,无法通过实践检验。多孔介质的孔隙压缩系数与孔隙度不是负相关,而是正相关。

平面V形切口双应力强度因子的光弹性实验研究

文章在分析具有双重应力奇异性平面 V形切口尖端应力场的基础上 ,提出了基于由光弹性实验获得的等差线确定与双重应力奇异性对应的双应力强度因子 K1 、K2 的光弹性实验方法 ,并通过对模型的光弹性实验 ,运用该方法较好地确定了均质材料 60°单应力奇异性 V型对称切口模型和均质材料 45°双重应力奇异性 V型非对称切口模型的应力强度因子 。

超低渗透砂岩储层应力敏感性实验

采用全自动岩心驱替系统,应用双重有效应力理论对鄂尔多斯盆三叠系超低渗露头全直径岩心进行应力敏感性评价。实验结果表明:在使用变内压定围压方法进行实验时,由于压力传感器和压差传感器在较大压力变化范围内存在零点漂移问题,会导致完全错误的实验结果,进一步通过变围压定内压的方法对超低渗渗透储层进行了应力敏感性评价。研究结果表明,岩石被压缩的过程可分为微裂缝闭合阶段与岩石受压缩阶段两个阶段。前一阶段由于微裂缝闭合,渗透率快速下降,降幅达20%左右;微裂缝闭合之后,岩心继续被压缩,渗透率下降变缓,降幅为5%左右,即在地层有效应力条件下,超低渗透储层应力敏感性很弱,应力敏感性对低渗储层的产量影响不大。

含瓦斯煤的有效应力与力学变形破坏特性

本文在含瓦斯煤的力学变形与破坏机制理论分析和实验基础上 ,提出含瓦斯煤的变形与破坏受双重有效应力作用 ,本体应力决定煤的本体变形性质 ,而结构有效应力则决定煤的结构变形性质 .修正了KarlTerzaghi多孔介质有效应力计算公式 ,揭示了等效有效孔隙压力系数在含瓦斯煤全程应力应变过程中的变化规律 ;分析了煤吸附瓦斯后含瓦斯煤强度降低的机理 ,根据含瓦斯煤变形特征 。

一种应力敏感油气藏流固耦合的简化模拟方法

数值模拟中通常采用流固耦合的方式来模拟应力敏感现象。但是,流固耦合需要大量的数据以及计算时间。利用多孔介质弹性理论和双重有效应力理论,得到地层压力与地层平均应力的关系,并把实验室测量数据转换到地层条件下,并将这种关系应用到数值模拟中。结果表明,渗透率的变化并不明显;考虑渗透率随压力变化时的稳产时间和累计产量均比未考虑时有降低,其降低幅度比较小;提出的简化模拟方法与流固耦合模拟结果差别不大。

多重应力下小煤柱巷道矿压分析及治理研究

为解决上覆区段煤柱应力、同层采空区侧向应力和工作面回采动压多重应力下的厚煤层小煤柱巷道矿压治理问题,以中煤塔山煤矿3-5#煤层30515综放工作面为工程背景,运用数值模拟和现场综合监测方法,揭示了小煤柱巷道应力分布规律,以及受采动应力影响下的巷道围岩破坏特征;基于此确定了“煤炮”预警机制、大直径钻孔卸压、锚索支护参数优化和“堆柱”支护等综合矿压治理措施。现场实践表明,通过采取积极的矿压治理措施,巷道帮部围岩变形量控制在0.7 m以内,顶部围岩变形量控制在0.28 m以内,有效地保证了小煤柱巷道掘进和回采期间巷道的稳定性,实现了工作面安全生产,最大限度地提高了采区回采率,提高了经济效益。

考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力计算

粒间吸力的计算是非饱和土有效应力原理研究的重点之一。首先考虑土颗粒间胶结面积,建立了微观状态下土颗粒相互作用的理想简化模型,推导给出了土颗粒接触点处各个力之间的相互关系,并分析了宏观上两种典型的堆积方式,从而总结得到了粒间吸力的统一表达式。而后,讨论了土颗粒间胶结面积对粒间吸力的影响。结果表明,直接使用表面张力分量来计算粒间吸力,可以简化粒间吸力的计算。最后,通过算例分析,阐明了颗粒间胶结面积对粒间吸力大小的影响。并基于多孔介质双重有效应力的假说,引入本研究给出的考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力公式,推导得到了适用于低含水率条件下非饱和土双重有效应力的计算公式。

裂隙白云岩流固耦合力学特性研究

为研究裂隙白云岩在流固耦合作用下的力学特性,基于双重有效应力原理及Darcy定律建立应力-渗流耦合分析模型,运用控制变量法分析时间t、流体密度ρ及应力σ间的作用规律。结果表明:当0.01 d<t≤0.02 d,ρ≤0.8 g/cm^(3)时,σ随ρ、t的增加而增大;当t≈0.02 d、ρ≈0.2 g/cm^(3)时,出现应力最大值σ_(max);当0.02 d<t≤0.1 d,0.2 g/cm^(3)<ρ≤0.8 g/cm^(3)时,σ随ρ、t的增加而变缓;当0.02 d<t≤0.1 d,0.8 g/cm^(3)<ρ≤1 g/cm^(3)时,σ近似为常数,几乎不随ρ、t的改变而变化;当t=0.02 d,ρ=0.8 g/cm^(3)时,岩体不易失稳,此时作业较安全。

油藏压实与沉降预测模型修正

以前对开发导致地层压实的研究都采用Terzagh i有效应力,其预测结果与实际也存在一定的偏差。事实上,作用在油藏中的岩石的力包括结构有效应力和本体有效应力,而导致地层岩石颗粒重排并发生结构破坏的力是结构有效应力;本体有效应力使颗粒发生压缩变形,但通常变形相对较小;为了使问题简化,对于疏松砂岩而言可以不考虑本体变形。基于双重有效应力推导了一维地面沉降的模型,并提出了进行地层压实集成研究的方法。

FEM analyses for influences of stress-chemical solution on THM coupling in dual-porosity rock mass

The models of stress corrosion, pressure solution and flee-face dissolution/precipitation were introduced. Taking a hypothetical nuclear waste repository in an unsaturated dual-porosity rock mass as the calculation objective, four cases were designed 1） the fracture aperture is a function of stress corrosion, pressure solution and free-face dissolution/precipitation; 2） the fracture aperture changes with stress corrosion and pressure solution; 3） the fracture aperture changes with pressure solution and free-face dissolution/precipitation; 4） the fracture aperture is only a function of pressure solution, and the matrix porosity is also a function of stress in these four cases. Then, the corresponding two-dimensional FEM analyses for the coupled thermo-hydro-mechanical processes were carried out. The results show that the effects of stress corrosion are more prominent than those of pressure solution and free-face dissolution/precipitation, and the fracture aperture and relevant permeability caused by the stress corrosion arc only about 1/5 and 1/1000 of the corresponding values created by the pressure solution and free-face dissolution/precipitation, respectively Under the action of temperature field from released heat, the negative pore and fracture pressures in the computation domain rise continuously, and are inversely proportional to the sealing of fracture aperture. The vector fields of flow velocity of fracture water in the cases with and without considering stress corrosion are obviously different. The differences between the magnitudes and distributions of stresses within the rock mass are very small in all cases.

三维页岩储层多重压力流固耦合模型研究

研究裂缝页岩储层在生产过程中的流固耦合力学过程是准确认识气藏生产动态的关键科学问题.针对页岩储渗机制复杂的难题,本文建立有机质-基质孔-天然裂缝和离散人工裂缝的多尺度流动介质与多重压力系统;考虑吸附气的非平衡解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和Knudsen扩散,以及基质孔、天然裂缝和人工裂缝压力系统对页岩变形的影响,建立了页岩双重有效应力流固耦合数学模型,分析了压裂井生产过程中岩石变形对气体流动的影响规律.研究发现:天然裂缝压力系统是引起页岩气生产过程中应力敏感性的主要因素;固体变形对基质孔渗透率的影响小于Knudsen扩散,基质孔的表观渗透率并不会发生应力敏感;随着天然裂缝密度的增大,天然裂缝压力系统的有效应力系数迅速增大,页岩气产量应力敏感效应增强.

FEM analyses for influences of stress corrosion and pressure solution on THM coupling in dual-porosity rock mass

With the models of stress corrosion and pressure solution, by Yasuhara et al., two computation conditions were designed for a hypothetical nuclear waste repository in an unsaturated dual-porosity rock mass: (i) the fracture apertures are changed with the stress corrosion and pressure solution (the porosity of rock matrix is also a function of stress); (ii) the fracture apertures and the porosity of rock matrix are constants. Then the corresponding two-dimensional FEM analyses for the coupled thermohydro-mechanical processes were carried out, and the states of temperatures, rates and magnitudes of aperture closure, pore pressures, flow velocities and stresses in the rock mass were investigated. The results show the followings: The aperture closure rates caused by stress corrosion are almost six orders higher than those caused by pressure solution, and the two kinds of closure rates climb up, then decline, furthermore tend towards stability; the fracture apertures decrease from the original value and tend towards the residual value, and the contact-area ratios of asperities increase also from the original value and tend towards the nominal value; when the effects of stress corrosion and pressure solution are considered, the negative fracture pressures in near field rise very highly; the differences between the magnitudes and distributions of stresses within the rock mass in two calculation cases are very small.