变形多孔介质温度–渗流–应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。     

游梁式抽油机结构可靠度的数值模拟

为了提高游梁式抽油机结构的可靠性 ,采用蒙特卡罗法和随机有限元方法对其结构可靠度进行了数值模拟。该数值模拟算法在解决可靠度问题时高效、实用 ,对于解决大型复杂结构的可靠性问题优势尤为明显 ,同时表明基于随机有限元的抽油机可靠度分析可以全面地考虑各种因素的不确定性 ,使评定模型更加合理 ,更加符合工程实际 ,也便于工程应用。     

厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究

厦门东通道海底隧道是一项规模宏大的跨海工程,是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道,也是中国大陆第一座采用钻爆法修建的大断面水底隧道,工程于2007年下半年由陆域进入施工难度最大、最危险的海域部分,其中的海底风化槽地段采用CRD工法进行施工,隧道开挖、支护过程中围岩和支护结构的受力和变形特征广为人们所关注,因此对于该段隧道稳定性的研究具有重要意义.应用大型有限元软件ABAQUS,依据流固耦合理论,对翔安隧道风化槽段隧道CRD工法的施工过程进行了三维动态仿真数值模拟,研究隧道施工过程中围岩的应力场、位移场、外水压力分布规律以及支护结构受力情况和衬砌外水压力的分布规律,研究成果为该隧道施工和同类工程建设提供了理论依据和实践经验.     

低渗透介质渗透性试验研究

在核废料地下处置、能源地下储存和深埋地下工程中,低渗透率岩石的渗透性测试是难点问题.通过研制的低渗透率岩石渗透仪,在氮气形成稳态渗流的条件下,对锦屏大理岩进行渗透特性研究.比较气体渗流偏微分方程中考虑气体Klinkenberg效应的渗透率精确解和通过拟压力法得到的渗透率解,表明渗流偏微分方程中考虑气体Klinkenberg效应的计算方法在理论上和试验数据处理结果上更为优越.研究结果表明:(1) 低渗透率岩石渗透仪稳定、误差小,可以进行致密岩石的低渗透率测定;(2) Klinkenberg效应对低渗透率岩石的气体渗透影响显著,考虑Klinkenberg效应的数值模拟方法可以很好地模拟气体渗透;(3) 锦屏大理岩的渗透率为10-20 m2左右.     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

双联动软岩渗流–应力耦合流变仪的研制

 为研究软岩的长期力学特性,研制双联动软岩渗流–应力耦合三轴流变仪。该仪器特别适用于软岩、硬土在不同应力条件下的流变特性。仪器采用先进的伺服控制、滚珠丝杠和液压等技术组合,能自动稳压、自动记录应力–位移曲线、温度历时曲线。设备除了能够实现普通三轴试验机的功能,由于其独特的设计形式,还可以同时对2个试样实现相同轴压、不同围压、相同水压的力学试验;可以进行围压控制、孔隙水压力控制,同时可以测量孔隙水压力等等。使用情况表明,该试验装置结构简单,稳定性好,精度高,是一套功能齐全、使用方便的试验装置。     

基于各向异性本构模型的隧道围岩稳定性研究

在地下工程设计中普遍将岩体近似为各向同性体并不能反映裂隙组的分布对岩体各向异性的影响,为此将岩体视为由基岩和定向裂隙面构成的一种宏观复合材料,基于Drucker-Prager准则,在考虑结构面的几何特性和力学性质基础上建立岩体各向异性本构模型,据此模拟了某隧道开挖施工过程。结果表明,各向异性本构模型可较好地模拟隧道围岩各向异性及其破坏特征,与工程实际相符。     

热采井出砂套管损坏机理的有限元分析

热采井出砂套管损坏机理已成为桐油热采生产中迫切需要解决的问题。油层大量出砂造成的空洞、塌陷等引发套管弯曲，局部热应力集中，使套管应力增加而损坏。文章采用三维有限元法，对辽河油田杜84段二区内的若干口井，按照出砂量的不同进行数值计算．得到了热采井套管、水泥环、射孔与油层的应力场分布规律及套管的应力与出砂量的变化关系，并得出了热采出砂井套管损坏的机理。     

各向异性渗透对土坡孔隙水压力及浸润线的影响分析

基于饱和-非饱和渗流理论,采用有限元法对降雨条件下边坡各向异性渗流场动态变化进行了数值模拟,分析了降雨过程中边坡地下孔隙水压力分布、浸润线位置变化规律.研究结果为边坡的稳定性分析和滑坡预测提供了重要的分析依据.     

含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,考虑夹层和盐岩层之间存在地质界面,采用以节点位移和孔隙压力为自由度的界面单元来模拟水力损伤造成的地层界面的开裂、扩展和流体渗漏;并基于多孔介质流–固耦合理论,建立含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型。该模型克服了等效连续介质模型不能正确反映地层界面的渗流问题,又克服了双重介质模型不能考虑地层界面开裂问题。在此基础上,采用数值模拟技术,研究高压流体在泥岩夹层与盐岩的界面渗透及其开裂扩展特征,结果表明,高压流体沿腔体围岩渗漏过程中,含夹层盐岩界面呈扇形状张开,沿界面通道流体压力逐步降低。因此,在层状盐岩储库运营过程中,要严格控制腔体压力,避免在含夹层盐岩分层界面上产生油气渗漏,保持腔体的致密性及稳定性。