泥岩热弹塑性模型在SAGD中的应用

泥岩在受热过程中的应力、应变、孔压变化有特殊的规律,此研究对能源、核能、土木等诸多方面均有重要意义。目前国内的实验和模型研究很少,而国外的学者通过在黏土的修正剑桥模型的基础上引入温度变量,成功地提出了黏土的热弹塑性本构模型。通过对现有的黏土本构模型进行对比计算,并在此基础上进行发展,得出可以应用于泥岩的热弹塑性本构模型。进而,将新疆某稠油油田泥岩夹层数据代入该模型进行计算,获得了其孔隙压力和轴向应变预测结果,该结果国外同类实验结果较好地吻合。运用孔隙压力升高造成张失效这一原理,模型预测出了不同孔隙度泥岩的失效温度。同时,结合温度场公式,模型一判断SAGD开采时储层中泥岩夹层的失效位置和时间。这方面研究对于稠油开采中的蒸汽辅助重力泄油(SAGD)时,受到夹层阻碍,抑制蒸汽腔扩展这一问题的解决有重要意义。

非均质热弹塑性损伤模型及其在油页岩地下开发热破裂分析中的应用

地下加热开发油页岩面临着储层渗透性极低或不渗透的难题,在油页岩层各井间形成渗透带关系到油页岩地下开发的成败,油页岩加热过程中的热力和化学作用是形成渗透带的重要条件。针对油页岩地下开发存在的上述问题,首先建立油页岩非均质热弹塑性损伤模型;然后较系统地给出确定损伤变量的方法,并将热膨胀系数、热传导性、比热、弹性模量、抗拉压强度等材料参数作为满足Weibull分布的随机变量,利用Matlab和Monte Carlo方法实现数值计算物性参数的随机赋值,对油页岩地下开发加热过程中热力破坏问题进行数值模拟。研究结果表明:组成油页岩各种矿物颗粒热膨胀和弹塑性性质的不同及其分布的随机性,导致油页岩加热过程中温度场、变形场和应力场的非均匀性,使得油页岩颗粒间变形不协调和油页岩热解产物释放引起油页岩材料与结构性能发生不可逆的劣化损伤,这是油页岩发生热破裂的主要原因;热传导方式加热油页岩,温度的传递比较缓慢,加热井和生产井的间距不宜过大,对油页岩储层性质存在差异时,注热井应选择较高热导率的区段;油页岩的层理对油页岩地下原位开发形成渗透带至关重要,油页岩达到热解温度会产生附加的膨胀力,首先在层理处开裂,应充分利用油页岩层理赋存条件改造其渗透性。

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。

热弹塑性土体本构模型及在多场耦合数值模拟中的应用

采用热等效应力的概念,提出一种新的热弹塑性饱和/非饱和土本构模型,其在正常屈服面以内仍然会发生塑性应变。该模型通过以饱和度和土骨架应力为状态变量,能够统一描述饱和、非饱和土体的热力学特性;还采用上下负荷面概念,考虑了土的结构和超固结发展特性。所提出的本构模型可以很好地展现饱和/非饱和土体在不同温度条件下固结压缩实验和三轴实验中的压缩和应力应变特性。将该模型导入土-水-气-热多场耦合有限元分析中,利用有限单元一有限差分法模拟了深层软岩加热高温试验。计算结果与试验结果吻合得很好,验证了所提出的本构模型与多相场耦合有限元方法的准确性,可尝试将其用于地热能开发与土体热力学特性的研究和模拟。

高温下岩石单向约束的热应力分析

采用热弹塑性模型,运用有限元软件,对高温岩石在单向约束情况下进行热应力模拟,得出了热应力随温度变化的曲线。结果表明:试样在加热过程中,当温度≤350℃时,热应力随温度升高逐渐增大,但增大的幅度较小;当温度>350℃时,热应力随温度升高增大的幅度较大,特别是角点和处于约束面上的边节点的热应力随温度升高急剧增大。

手动托盘车焊接工艺的焊接变形仿真及预测

为精确分析托盘车在焊接过程中产生的热变形,在充分考虑工况、相变、热力学参数等动态变化的基础上,采用传热学理论与热弹塑性理论,建立托盘车货叉与中档的焊接多物理场耦合分析模型,应用参数化编程对货叉与中档现有的焊接工艺进行了仿真分析,其分析结果与试验结果的误差在16.7%以内,验证了分析模型的有效性.仿真分析了改变焊接方向与多机器人同步焊接的工艺调整方案对焊接热变形的影响,结果表明:二者可分别降低焊接变形0.9mm与1.3mm,达到了控制变形的目的.本研究为手动托盘车自动化夹具设计、工艺优化设计等奠定了基础.