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中低渗油藏中高含水期合理生产压差研究.doc

中低渗油藏中高含水期合理生产压差研究

刘正茂
2017-12-28 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《中低渗油藏中高含水期合理生产压差研究doc》,可适用于综合领域

中低渗油藏中高含水期合理生产压差研究()年月JulJournalofNortheasternUniversityNaturalScience中低围压花岗岩细观破坏机制的数值模拟于庆磊,杨天鸿,刘洪磊,唐春安()东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳大连理工大学土木水利学院,辽宁大连摘要:采用数字图像处理技术表征花岗岩的细观结构,利用基于数字图像的岩石破裂过程分析系统()RFPADIP建立反映花岗岩内部矿物颗粒分布的数值模型,进行花岗岩压缩数值试验,分析花岗岩压缩荷载作用下破坏机理研究结果表明,花岗岩非均匀的细观结构起着使试件内部产生了拉应力区的作用单轴压缩荷载作用下,试件在细观层次上以拉伸破坏为主中低围压条件下,试件表现为张拉破坏和剪切破坏相互耦合的破坏方式,而且破坏机制随围压的增大是不断变化的,剪切破坏逐渐成为主控破坏方式关键词:数字图像非均匀性张拉破坏剪切破坏拉应力区()文章编号:中图分类号:TUO文献标识码:ANumericalSimulationonGraniteFailureMechanismatMesoLevelUnderModerateorLowConfiningPressureYUQinglei,YANGTianhong,LIUHonglei,TANGChunan(SchoolofResourcesCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang,ChinaSchoolofCivilHydraulicEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,ChinaCorrespondent:YU)Qinglei,Email:yuqingleimailneueducnAbstract:Digitalimageprocessingtechnologieswereappliedtocharacterizingtheheterogeneityofgranitesoastoincorporateitintorockfailureprocessanalysiscodebasedondigitalimageprocessing,ie,RFPADIP,andanumericalmodelofgranitewasthusdevelopedThecompressiontestswerecarriedoutnumericallytoinvestigategranitefailuremechanismatmesolevelTheresultsshowthattheheterogeneityofrockresultsintheappearanceoftensilestresszonesUndertheconditionofuniaxialcompressivestress,thefailuremechanismofgraniteatmesolevelismainlytensilefailure,butundermoderateorlowconfiningpressuresitisintensileshearcoupledfailuremodesThefailuremechanismchangeswithincreasingconfiningpressure,andshearfailuremodegraduallycomestomainlycontrolledmodeKeywords:digitalimageheterogeneitytensilefailureshearfailuretensilestresszone岩石破坏是岩石力学研究领域中一个经典课价值,但很少涉及岩石自身非均匀性引起的应力许多研究者都对这一问题进行了深入的研题分布非均匀性和由此诱发的局部破坏问题,因此究在宏观方面,人们通过实验将其在压缩荷载作难以得到岩石脆性破坏机制的本质用下的破坏类型归纳为种,即劈裂破坏、剪切破,在岩石、随着计算机技术和细观力学的发展坏和延性破坏,并提出了诸如MohrCoulomb和混凝土等脆性材料破裂分析研究中出现了一些基HoekBrown等著名的经验破坏准则在微细观于细观结构考虑的数值模拟方法,如Lattice模方面,通过观测试样内部微裂纹成核、扩展及贯通(型、梁颗粒模型、细胞自动机cellular过程,研究微裂纹演化的统计规律尽管这)automata,CA模型等等但在这些方法中,都些研究成果对理解岩石变形和破坏有很大的参考采用统计的方法来描述岩石的非均匀性,通过收稿日期:()()基金项目:国家重点基础研究发展规划项目CB国家自然科学基金资助项目教()()育部重点科技项目教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目()()作者简介:于庆磊,男,山东泰安人,东北大学讲师,博士杨天鸿,男,辽宁抚顺人,东北大学教授,博士生导师()唐春安,男,湖南黔阳人,大连理工大学教授,博士生导师数字图像处理技术表征的非均匀性需要与有石虚拟的细观结构,但很少有文献说明这种通过统计分布生成的岩石的虚拟细观结构在多大程度,引入到数值模型中,才能在力限元网格建立关系学计算和分析中考虑材料细观结构的影响数字反映其真实的细观结构如果在细观力学模型中图像是由一个矩形排列的像素点组成的矩阵,其较为准确地引入岩石真实的细观结构,则有助于中每一个像素点是一个小的正方形,有一定的宽更深入地认识岩石的破裂机理和损伤演化过程度和高度,因此,每一个像素点可以被看成有限元基于这一认识,本文采用数字图像处理技术网格中的一个单元,其四角点的坐标可以转换为来表征岩石真实的细观结构,以花岗岩为例,从更相应的矢量空间的物理位置,整个图像就可以转高的细观层次对花岗岩在压缩荷载下损伤演化过换为正方形有限元网格数据,导入到RFPA中,生成花岗岩数值试件由于篇幅所限,有关具体的程和破坏机理进行分析转化过程和RFPA原理的详细说明可参考文献数值模型岩石细观结构的数字图像表征图a为普通花岗岩表面图像,图像尺寸为基于图b的非均匀性表征图像建立的花岗×像素,图像进行了预处理,实际大小近岩数值模型如图所示,采用方形网格单元映射似为mm×mm,该类花通过矿物分析可知的方法,共划分×个单元花岗岩中主要矿岗岩中主要含有石英、云母和长石等造岩矿物,白物颗粒的力学性质如表所示图中颜色的亮色的以石英矿物居多,黑色的多是云母矿物,其余度表示单元弹性模量的大小,颜色越亮,弹性模量认为是长石由于原始图像各矿物颜色有深有浅,越大难于采用统一的算法与有限元方法之间建立关系,因此需要进行图像处理,目的是把岩石内部细表花岗岩中主要矿物颗粒力学性质观介质识别出来图b是进行图像分割后得到花TableMechanicalpropertiesofmineralparticlesingranite岗岩的细观结构,和原图对比,处理后的结果基本反映了花岗岩的真实结构弹性模量抗压强度矿物泊松比压拉比颗粒GPaMPa石英长石云母图花岗岩及其细观结构表征图像FigGraniteimageanditsmicrostructurecharacterizationatmesolevel图花岗岩数值模型与有限元网格转化()()a表面普通图像b细观结构表征FigNumericalmodelofgraniteandgridtransformationintoFEMdata图像处理是在HSI颜色空间中进行的HSI颜色空间是在计算机里面的一种颜色描述模模拟结果与分析型,用H,S,I三个参数描述,其中H是色调,表单轴压缩条件花岗岩破坏过程如图所示示颜色S是饱和度,表示单色光中掺入白光的程图以直观图像动力学的方式给出了破裂过程中度I是强度,表示人眼感知颜色的强弱程度通最大剪应力的演化过程和声发射的发展过程由过分析某一扫描线上强度I的变化,确定分割阈()第卷东北大学学报自然科学版加载方向近似平行随着加载的进行,边界裂纹逐,垂直于拉伸方向的裂纹会蔓延加在这种情况下渐扩展、连结,最后形成宏观的轴向裂纹,导致试大,最终导致宏观的轴向劈裂,这是单轴压缩荷载作用下大多数岩石主要的破坏机理单轴压缩载件最终破裂失稳荷作用下岩石脆性破裂是非均匀的细观结构诱发出来的拉应力作用的结果花岗岩中含有的云母、石英、长石等软硬矿物颗粒及其边界都可被认为是格里菲斯缺陷图单轴加载时试件内部拉应力分布FigTensilestressdistributioninthespecimenunderuniaxialstresscondition随着加载的进行,应力值会在某一局部位置率先达到岩石的强度而诱发损伤,正是这种应力集中的影响导致了不同细观结构岩石损伤演化和破坏力学行为的差异图是统计得到的压缩试验中张拉破坏和剪切破坏单元数随围压的变化曲线,因每次数值试验破坏单元总数不同,都用各自的破坏单元总数图单轴压缩荷载作用下花岗岩损伤演化过程作了归一化处理由图中可以看出,岩石在细观层FigDamageevolutionofgranitespecimenin次的破坏机制随围压增大是不断变化的,试件破uniaxialcompressiontest()()()坏在细观层次表现为张拉破坏和剪切破坏相互耦a最大剪应力b声发射c弹性模量合的破坏方式侧压的增加抑制了非均匀细观结声发射图中红色表示单元在当前加载步产生的拉伸损伤,白色表示单元在当前加载步产生的构诱发的拉应力的作用随着围压的增大,产生张压剪损伤,黑色表示前面加载步完全损伤破坏的拉破坏的单元数逐渐减少,而剪切破坏单元数逐单元纵观单轴压缩试验声发射演化的整个过程渐增多,岩石的破坏由张拉破坏向剪切、多重剪切()()图b,单元多为拉伸损伤破坏红色为主,也破坏过渡就是说试件破坏形成的宏观剪切带大多是由拉伸破坏的单元连接而成的这是因为承受压缩荷载作用的岩石里面,出现了拉应力集中区,由于岩石材料抗压不抗拉的特点,随着加载的进行,拉应力会率先达到岩石的抗拉强度而发生损伤破坏图是初始加载时试件中拉、压应力分布情σ况拉应力以最小主应力的正负判断虽然试件整体处于单向压缩荷载作用下,但试件中还是分布着大量拉应力区,这是因为岩石中存在天然的图不同围压加载条件下试件破坏时的张拉破坏格里菲斯裂纹岩石里的格里菲斯裂纹可以由孔单元数与剪切破坏单元数归一化变化曲线隙、软的或硬的结核或矿物颗粒、颗粒边界等所FigNormalizedvariablecurvesoftensilefailureandshearfailureelementsunderdifferentconfiningpressures组成在外加均匀荷载作用而产生的整个压应是不同围压条件下花岗岩的破坏模式图力场内,这些东西起着导致产生拉应力区的作用岩石介质的破裂类型主要取决于岩石自身的结构的破裂类型有显著影响在无围压情况下,岩石试陈忠辉,谭国焕,杨文柱不同围压作用下岩石损伤破坏件呈典型的脆性张破坏,即破裂面平行于主压应()的数值模拟J,,:岩土工程学报()力作用力方向图a随着围压的增大,岩石试(ChenZhonghui,TanGuohuan,YangWenzhu(件由剪张破坏即以张破坏为主,剪破坏为辅的Numericalsimulationofdamageandfailureofrocksunder)(破坏形式到张剪破坏即剪破坏为主,张破坏为differentconfiningpressuresJChineseJournalof)()辅的破坏形式过渡图b,并逐渐地趋向典型())GeotechnicalEngineering,,:WawersikWR,FairhurstCAAstudyofbrittlerock的剪切或多重剪切破坏,试件表面形成“X”型的failureinlaboratorycompressionexperimentsJIntJRock()破裂面图c和图d,在中低由图中可以看出()MechMinSciGeomechAbstr,,:围压下,岩石破断角随着围压的增大而不断的减BraceWF,PauldingB,SchultzCHDilatancyinthe小,这也反映出岩石破坏机制的复杂性,岩石在中fractureofcrystallinerockJJGeophysRes,,低围压的破坏包络线是非线性的,这也与常见岩():HoriiH,NematNasserSCompressioninducedmicrocrack石莫尔包络线的趋势相吻合growthinbrittlesolids:axialsplittingandshearfailureJJ()GeophysRes,,:JanGM,VanMierFractureprocessesofconcreteMNewYork:CRCPress,邢纪波梁颗粒模型导论M:地震出版社,北京(XingJiboTheoryofbeamgrainmodelMBeijing:)SeismologicalPublishingHouse,周辉,王泳嘉,谭云亮,等岩体破坏演化的物理细胞自动图不同围压下花岗岩数值试件的破坏模式()()机PCA基本模型J,岩石力学与工程学报FigFailuremodesofgraniteobtained(),:innumericaltestswithdifferentconfiningpressures(ZhouHui,WangYongjia,TanYunliang,etalStudyon()σ()σ()a=MPab=MPac()physicalcellularautomatamodelofrockmassfailureIσ()σ=MPad=MPabasicmodelJChineseJournalofRockMechanicsand())Engineering,,:岳中琦,陈沙,郑宏,等岩土工程材料的数字图像有限元结论()分析J,,:岩石力学与工程学报)基于数字图像处理技术建立了一种更能(YueZhongqi,ChenSha,ZhengHong,etalDigitalimageprocessingbasedonfiniteelementmethodfor准确反映岩石细观结构的数值模型,为进一步研geomaterialsJChineseJournalofRockMechanics,,究岩石、混凝土等非均质材料的力学特性与细观()):破坏机制提供了一种新的手段于庆磊基于数字图像的岩石类材料破裂过程分析方法)花岗岩非均匀的细观结构对试件内的应研究D:东北大学,沈阳力分布有重要影响,导致在压缩荷载的作用下试(YuQingleiDigitalimageprocessingbasednumericalmethodsforfailureprocessanalysisofrocklikematerialsD件内部产生了拉应力区)Shenyang:NortheasternUniversity,)单轴压缩荷载作用下,花岗岩在细观层次唐春安,王述红,傅孙方岩石破裂过程数值试验M北上以拉伸破坏为主,形成的剪切带是拉伸损伤聚京:科学出版社,集的宏观表现(TangChunan,WangShuhong,FuYufangNumerical)围压的增加有效抑制了非均匀细观结构)testofrockfailureMBeijing:SciencePress,米勒LM,冯宪海,译北京:煤炭岩石力学李世平诱发的拉应力作用中低围压下,花岗岩在细观层工业出版社,次上表现为张拉破坏和剪切破坏相互耦合的破坏(MlülerLRockmechanicsMTranslatedbyLiShiping,方式,而且破坏机制随围压增大而不断变化,剪切)FengXianhaiBeijing:CoalIndustryPress,破坏逐渐成为主控破坏方式

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