三维颗粒流数值模型的胶结砂岩力学特性

为了更好地反映砂岩胶结性状对力学特性的影响,以油藏储层砂岩为研究对象,建立基于平行粘结接触的三维颗粒流数值模型(PFC3D)用以模拟剪切试验中砂岩结构的破坏机理.进行PFC3D的二次开发描述平行粘结分布和力学性质,分析剪切过程中砂岩体应力比、体应变、配位数和粘结破坏与应变之间的关系,通过接触网络的演化说明力链的重要作用,验证了数值模型的可行性.对比研究了不同胶结半径比、平行粘结刚度和胶结量变化对胶结砂岩力学特性的影响,阐明了胶结性状对砂岩结构受力的控制作用,为建立特定条件的胶结砂岩破坏机理提供了科学依据.     

颗粒摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响

为确定胶结砂岩的力学参数,探讨岩体破坏机理,采用细观力学分析方法,建立三维颗粒流数值模型,对胶结砂岩的剪切特性进行模拟。根据应力应变曲线以及平行黏结分布和接触网络变化说明胶结砂岩不同于无黏结砂岩的破坏机理,验证数值模型的可行性,分析不同胶结半径比的砂岩模型的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律。计算结果表明:胶结半径一定时,不同摩擦因数对岩样宏观力学特性的影响不同,特别是随着胶结半径比的减小,颗粒间摩擦力在胶结砂岩受力过程中占主导作用,对砂岩抗剪能力起着决定作用,不同摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响较大。颗粒摩擦因数对胶结砂岩数值试验中的力学行为有着重要的影响,是准确选择三维颗粒流模型细观参数的关键。     

颗粒刚度变化对胶结砂岩力学响应的影响

为分析胶结砂岩的力学响应和破坏机理,基于试验建立不同刚度比的三维颗粒流数值模型,验证数值模型的可行性,并分析不同胶结性状的砂岩力学响应,进一步说明胶结物质的重要作用及模型的适用性.分析颗粒接触刚度比和平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值变化时,砂岩的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律以及对模型的泊松比、初始刚度和延性的影响.结果表明:不同的颗粒刚度比对岩样宏观力学响应的影响不同,颗粒接触刚度比越小,且切向刚度越大时,胶结砂岩的脆性越强;平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值越大,脆性越强,黏结破坏越容易,剪切破坏越明显.颗粒刚度对胶结砂岩的力学响应和变形能力有重要的影响,是实际储层砂岩力学模拟选择有效细观参数和构建本构关系的关键.     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

堆积体直剪试验颗粒流细观数值模拟研究

作为一种非均匀、非均质、多相体系的松散岩土介质,堆积体力学性质的研究颇受国内外众多学者关注和重视。以室内重塑样直剪试验结果为依据,可确定基于现场试验颗粒粒度累积曲线和三维颗粒离散元方法建立的堆积体直剪试验模型土石颗粒细观力学参数。在此基础上进行不同岩性、不同含石量的堆积体直剪试验模拟研究,结果表明:堆积体直剪试验剪切屈服面并非一个平面,而是存在一个带内变形以设计剪切平面为基准呈S形变化的剪切带,块石最大粒径越大剪切面影响范围越广,块石刚度越大剪切面则越粗糙;介质抗剪切强度特性在很大程度上受控于岩块的含量和岩性,块石和块石间的咬合力是造成介质内摩擦角较高的根源;在高围压下介质特性表现为应变硬化、低剪胀率,但不排除表现为剪缩的可能,而在低围压下则容易发生剪胀、软化现象,这与重塑样试验结果基本一致;颗粒摩擦系数与含石量呈二次抛物线递增关系,但剪切过程中应变能随摩擦能增加先升后降;黏聚力随基质颗粒刚度增加而提高,而随充填介质颗粒刚度增加而降低;数值试验与室内试验吻合程度较好表明,该方法可作为工程堆积体确定力学参数的有益补充。     

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.     

基于Voronoi块体模型的砂岩力学特性研究

PFC软件中球形颗粒和平行黏结接触模型(PBM)被广泛应用于岩石力学特性模拟研究.然而,球形颗粒和PBM存在两个明显缺陷:球形颗粒与岩石材料的晶粒形状相差较大;无侧限抗压强度与抗拉强度之比(压拉比)偏低.基于此,以山西吕梁地区典型砂岩为例,通过Voronoi剖分建立刚性块体数值试样,并使用软化黏结接触模型(SBM)对砂岩试样进行模拟分析.研究结果表明,基于刚性块体和SBM的数值模拟相较于传统基于球形颗粒和PBM的数值模拟而言,主要具有3个优点:与球形颗粒试样相比,刚性块体间自锁效应增大,刚性块体模型间的配位数明显提高,更能模拟真实砂岩的晶粒形状和晶粒间力学行为;软化黏结模型能模拟出砂岩更大的压拉比,更能真实表征砂岩在多应力路径下的力学特性;采用基于刚性块体和SBM的数值模型能够真实反映砂岩典型的剪切破坏模式.     

水力耦合条件下预制节理砂岩裂纹扩展和能量演化细观数值模拟

为了研究水力耦合作用条件下预制节理砂岩三轴压缩裂纹扩展和能量演化规律,建立预制节理砂岩流固耦合数值模型,得到预制节理砂岩应力-应变曲线.通过分析平行黏结破碎演化过程,获得不同预制节理角度下微裂纹发育规律.基于颗粒流程序(PFC)离散元能量追踪体系,研究得到各细观能量变化响应和能量耗散与转换规律.分析结果表明:预制节理角度越大,试样峰值强度越大,侧向变形和轴向变形峰值应变先增大后减小,在预制节理角度为60°时取得最大值;平行黏结破碎起始于预制节理,进而扩展贯通,次生黏结破碎带始于节理面直至贯穿试样边界;试样的黏结能峰值和应变能峰值均与预制节理角度成正比,黏结强度峰值应变和应变能峰值应变与预制节理角度成反比;耗散能主要表现为摩擦作用,整个加载过程中弹性应变能吸收率最大.     

基于PFC2D不同细观参数对生态混凝土宏观破坏分析

采用PFC2D离散元软件通过内嵌的Fish语言创建了不规则骨料,通过建立的生态混凝土数值模型利用控制变量法从不同细观力学参数对其双轴压缩破坏的影响进行了分析。研究结果表明:平均强度和标准差主要影响混凝土材料的不均匀性,不均质度越高,强度越低,裂纹空间分布越分散;摩擦系数主要影响应力应变曲线的形状和材料强度,摩擦系数越大,颗粒之间的咬合力越大,曲线下降段的残余强度也就越大;刚度比值和接触模量的增大均会造成颗粒之间形成刚性接触,平行黏接的作用会被削弱导致高抗拉应力和更多的张拉裂纹,最终宏观表现为张拉破坏。对混凝土数值模型的力学细观参数进行探究能够更好地对其进行参数的选择,为以后建立数值模型提供参考依据。     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

固相颗粒在分形多孔介质中运移的网络模拟

孔隙结构分布特征是影响固相颗粒在多孔介质中运移沉降规律的关键因素 .油藏砂岩孔隙大小分布在一定标度范围内具有统计自相似性 .采用地层砂岩压汞资料 ,通过对微分汞饱和度与孔隙半径进行对数回归来估计孔隙大小分布分维 ,并用三维多段组合式网络模型对注入颗粒在不同分维的多孔介质中运移沉降造成渗透率下降的规律进行了模拟研究 .探讨了颗粒运移沉降对地层伤害的程度和孔隙大小分布分维之间的关系 .     

固相颗粒对低渗透砂岩油藏注水开发影响研究

注入水中的固相颗粒直接影响低渗透砂岩油藏的注入压力和储层伤害程度。研究了3 种注入水（所含固相颗
粒累积粒度分布达到90% 时所对应粒径分别为1.24,5.05,9.91µm）的注入性和对油相渗透率的伤害程度,并考察其
对采收率的影响。结果表明：渗透率小于1.000 mD 的岩芯,注入水中固相颗粒的累计粒度分布达到90%（D90）的粒径
大于1.00 µm 时,严重影响了其注入性;在渗透率大于1.000 mD 的岩芯中,3 种注入水均具有较好的注入性。随着固
相颗粒D90 粒径的增大,岩芯油相渗透率的伤害程度增大,水驱采收率降低;随着岩芯渗透率的增加,较大粒径的颗粒
堵塞岩芯中小孔隙的油流通道,降低了水驱波及能力。结合固相颗粒D90 粒径的渗透率伤害率图版,岩芯渗透率大于
10.000 mD 时,注入水中的颗粒D90 粒径可以适当放宽到5.00µm。     

土的室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒理论实际应用的前期可行性研究，针对具有凝聚力和无凝聚力的两类典型的内摩擦地质材料粘性土与砂土进行了材料试样室内平面应变试验结果的颗粒流PFC^2D仿真。对比研究表明利用颗粒流理论所建立起来的PFC^2D数值仿真试验模型是能通过改变计算模型中颗粒单元的性质，以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的。这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力及试验条件上的局限性，对实验土样的本构行为作出理论方面的某种预测。此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究，并揭示了一些规律。这些工作对颗粒流理论在岩土工程实际应用方面的研究和开发有一定的参考价值。     

储层粒度神经网络预测模型研究

国内外多年的研究表明,储层粒度特征值（d50）、非均质系数（d40=d90）是防砂设计的基础。常规获取粒度分布 范围的方法主要有激光粒度测试法（LDA）与筛析法（SA）,两种方法均需要通过岩芯粒度测试来获取数据,而在制定 开发井的完井防砂措施时往往没有实际开采层位的岩芯,只能参照探井粒度数据进行设计,从而导致较大的误差。针 对该问题,从测井的角度出发,开展了储层粒度与多种测井曲线的响应关系的研究,采用神经网络技术,建立了探井伽 马、密度测井项与实测粒度特征值三者样本库,训练出满足工程需要的学习网络,进而结合开发井测井资料,获得了整 个粒度纵向分布剖面,为防砂分层设计提供准确的基础数据支撑。目前,该方法在中国海上多个油田的分层防砂优化 设计中获得了成功应用,预测误差可控制在10% 以内。     

基于不规则颗粒的砾岩力学性能数值模拟研究

砾岩非均质性强,力学性质复杂。本文基于离散元方法,使用三维激光扫描技术获取了真实砾石的颗粒形态,建立了含不同粒径颗粒的砾岩三维数值模型。基于此数值模型开展单轴抗压模拟实验,将实验结果与均质数值岩心对比,分析了砾岩破坏形式和规律,讨论了颗粒粒径大小和颗粒形态对砾岩力学性质的影响。结果表明:在加载过程中,由于砾石颗粒的阻碍,裂缝需绕过砾石颗粒逐步贯通,从而导致岩样的位移和破坏形式较为复杂,没有形成与均质岩心类似的剪切带。在加载初期裂纹数目少、增加缓慢,在应力峰值附近裂纹数量迅速增加,岩样瞬间破坏,表现出较为明显的“鼓涨”效应。砾石颗粒粒径对砾岩的破坏机理和形式影响不明显,但随着粒径的增加,砾岩单轴抗压强度和弹性模量降低。相对于圆形颗粒,基于真实砾石颗粒形态的数值模型,能够模拟砾石间的摩擦力,拥有更高的强度,能更好的反应砾岩力学性质。     

剪切盒尺寸与平均粒径对砂土抗剪强度的影响

利用大尺寸直剪仪、常规四联直剪仪试验系统与颗粒流程序PFC2D,对三种不同平均粒径与一种单粒组砂样进行室内直剪试验与数值模拟试验,探讨平均粒径与剪切盒尺寸对砂土抗剪强度的影响机制。首先,进行武汉地区深基坑砂土在不同平均粒径下及单一粒组砂样的直剪试验,获得武汉地区砂土的宏观力学特性,并对其结果进行分析。其次,对单一粒组的砂样在四联直剪仪上进行试验,并将试验所得结果与大尺寸直剪试验结果进行对比分析。最后,进行与室内直剪试验匹配的和补充的PFC2D数值模拟试验,得到通过室内物理试验难以得到的对砂土强度有影响的因素,即多种不同尺寸的剪切盒对砂土试验的影响,进一步分析剪切盒尺寸与砂土抗剪强度的关系。