考虑胶结面孔隙影响的套管-水泥环胶结面应力场分析

考虑到套管-水泥环胶结面的力学性质和胶结面孔隙结构形状的影响,基于弹性力学理论,建立了套管-胶结面-水泥环-地层组合体力学模型,同时借助有限元分析方法,建立了套管-水泥环胶结面孔隙数量与孔隙结构形状对应力场的影响系数,得到考虑胶结面孔隙影响的套管-水泥环胶结面应力场的表达式。研究结果表明:当孔隙存在时Mises等效应力增大12.50%,径向应力增大9.30%,环向应力增大8.65%。套管-水泥环胶结面孔隙数量与孔隙结构形状会加剧应力场的非均匀性。孔隙数量对应力场影响更大,影响系数最大为1.1524。研究结果对于井筒系统安全性评价具有一定的工程价值。

基于高斯原理的非理想系统动力学建模

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则,它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程,而是采用求解最小值的优化方法来解决,从而提供了一种适用于优化算法的建模思路,因此,如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提.对于理想系统而言,约束对系统的作用可以通过约束方程来体现,故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数,系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题;当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时,部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述,这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性.基于变分类的高斯原理,推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理,针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论,指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式,当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时,该形式失效;同时根据文中的极值原理,得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型.例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系,分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件,从而证明了文中优化模型的可靠性;并采用优化计算方法进行了动力学模拟,模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.

声发射特征在灰岩损伤识别及定量评估中的应用

岩石的损伤演化研究直接关系到重大地下工程的安全控制问题,特征应力作为岩石变形破坏过程中的阈值应力,其能否被准确识别将直接影响损伤评价效果。本文利用RMTTS应力测试系统和MISTRAS声发射试验系统,针对灰岩裂缝应力的识别及损伤定量评价问题开展相关研究。通过灰岩单轴压缩下的声发射试验,分析了与应力-应变曲线各阶段对应的声发射信号特征,当裂缝扩展由稳定阶段发展为不稳定阶段时,声发射信号在频率和能级上都有较大幅度提高。基于灰岩单轴循环加载过程中Felicity效应比值FR的变化规律,提出一种不依赖应变测量的裂缝损伤应力识别方法,并对3组灰岩岩芯进行识别,其结果为0.70σc^0.75σc,与已有的应力?应变曲线法识别结果0.73σc对比,验证了该方法的可靠性。Felicity效应识别法保证了求解结果的客观性,其识别范围可由循环加载间的应力增量大小决定。利用基于声发射能量值表征的损伤变量,对灰岩的损伤演化过程进行了定量评价,结果表明:在损伤稳定演化区间内,28.3%的应力范围损伤累积了17.4%;而在裂缝损伤应力之后的损伤加剧演化区间内,26.1%的应力范围内损伤累积了80%。研究成果可为深入认识工程领域中岩石的损伤演化机制提供技术支持。

超孔压对海底能源土斜坡稳定性影响的探讨与分析

针对因天然气水合物分解引起的海底能源土斜坡失稳问题,展开了超孔压对海底能源土斜坡稳定性的研究.首先建立海底能源土斜坡理想模型,分析了水合物不同分解程度对海底能源土斜坡稳定性的影响.进而选取水合物分解产生气体非逃逸的超孔压模型,提出了一种考虑超孔压对海底能源土斜坡稳定性影响的等效方法.最后在ABAQUS计算模型中引入水合物分解产生的超孔压这一因素,对比分析了不考虑与考虑超孔压对海底能源土斜坡稳定性计算产生的不同,得出了超孔压对海底能源土斜坡稳定性的影响程度.

射孔水平井室内水力压裂物理模拟试验研究

开展射孔水平井的室内水力压裂物理模拟试验,对于深入认识水力压裂裂缝的起裂延伸规律和空间展布形态具有重要意义。利用伺服控制的岩石真三轴试验系统,进行人工岩芯不同水平井井筒方位角的水力压裂试验,通过分析全过程记录的泵压参数,结合裂缝三维扫描和裂缝剖切形态观察等方法,初步探讨了射孔水平井水力压裂裂缝的起裂及扩展规律。得出以下结论:试验岩样的泵压曲线均发生了多次波动,表明水力压裂裂缝的起裂及扩展是分多阶段完成的,尤其当水平井井筒方位与水平主应力方向成一定夹角时,泵压曲线的波动次数较多,不易形成压力平台;试验岩样的裂缝均起裂于射孔处,裂缝形态为空间T型裂缝和空间转向裂缝,并且均有扩展至垂直水平最小主应力方向平面上的趋势;结合泵压曲线分析和裂缝形态观察,可以更深入地了解水力裂缝的整个起裂及扩展过程。本文的研究成果可为人工岩芯水力压裂试验的开展和工程现场储层的压裂改造提供技术支持。