石油工程巖石力學實驗數值仿真技術探討

李 猛 戶淑莉 萬立夫

0 引言

為使學生更好地認識和理解石油鉆井、開發過程中普遍存在的巖石力學問題，在石油工程巖石力學實驗教學中，巖石的拉、壓、剪基本實驗及巖石的破裂與失穩過程是一個復雜而重要的基本實驗教學內容[1]。由于井下高溫高壓并存，井下巖石材料的非均勻性、非連續性，以及外荷載作用下巖石組織結構之間相互作用的復雜性，當前的實驗教學方法難以直接演示巖石變形及破壞的復雜現象，已有的理論解析方法仍然缺少對此過程有效的研究手段，且目前的物理實驗不易對巖石的破裂與失穩過程等現象做準確的描述。石油工程巖石力學物理實驗教學尚存些許不足之處，而數值實驗方法可有效地克服此類問題。

1 石油工程巖石力學仿真實驗的必要性

（1）石油工程巖石力學物理實驗教學內容時效性較差，創新性不足。

隨著大數據時代的來臨，油氣鉆井、壓裂技術已數據化、信息化，并朝向智能化發展，高校石油工程巖石力學實驗也應與時俱進，及時更新實驗內容、方法及手段[2]。而石油工程巖石力學出于成本及資源利用率的考量，高校不可能將最新的巖石力學試驗設備技術實時引進實驗室，故如何使學生及時接觸最前沿的石油工程巖石力學實驗技術，有效拓寬思維空間，就成為一個亟待解決的問題。

（2）石油工程巖石力學物理實驗成本高，可重復性差。受到現場條件、人力、物力和財力的限制，通常的巖石力學實驗教學很難通過大量的物理實驗向學生直觀演示各種巖石變形、破壞的復雜現象。

（3）石油工程巖石力學物理實驗過程演示直觀性不足。由于巖石介質的復雜性，傳統的物理實驗測試方法很難全面地反映巖石在變形損傷演化和宏觀破壞過程中的應力場、變形場等重要信息，而數值實驗法可以取得較好的效果。

（4）石油工程巖石力學物理實驗缺乏必要的井下工況，可理解性較差。盡管巖石破壞試驗可得到拉、壓、剪等更基本數據，但與井下巖石結構破壞密切相關的工程力學現象，如井壁失穩、井下工具破巖、水力壓裂等，通過實驗室小型試樣的加載試驗是難以理解的，因為這些破壞不僅與構成巖石結構的材料性質有關，而且還涉及復雜的井下高溫高壓環境。

2 石油工程巖石力學仿真實驗實施方法

2.1 融合仿真技術，拓寬石油工程巖石力學實驗對象

了解當前國內外巖石力學發展的現狀和進展，考慮當前石油鉆井、開發過程中普遍存在的巖石力學問題，掌握解決這些問題的巖石力學基本理論和實驗方法，基于大數據時代的計算機仿真技術，將實驗新技術與仿真技術相融合，升級實驗項目，培養學生的創新能力。

2.2 考慮井下工況，構造巖石仿真模型

根據所要求的井下工況，虛擬制造巖石材料，加工其幾何形狀。將所要建立的巖石模型簡化為復雜多面體。首先，初始化結構體系統；其次，切割巖體模型，實現單元的離散；然后，將結構面進行統一編號，對現存的單元進行判斷；最后，去除虛擬結構面，形成巖石仿真模型。此過程可重復進行。

2.3 巖石模型應力應變分析，漸進破壞演示

圖1 巖石三軸壓縮強度試驗模型及破壞行為展示

圖2 學生自主仿真實驗過程

（1）在上述巖石幾何模型基礎上，考慮井下巖石的礦物成分、結構構造、結晶情況、試樣尺寸、圍壓、加載速率、應力路徑、孔隙水壓力、溫度及濕度（含水率）等因素影響，對不同圍壓下的巖石變形與強度特性進行研究，模擬彈性、塑性、硬化、軟化和摩擦等階段應力狀態下巖石的應力—應變關系。

（2）模擬巖石宏觀力學破壞行為，實現相應的力學及多場（應力場、應變場）耦合分析演示（如圖1 所示），再現細觀結構上巖石的損傷演化、裂紋的擴展及應力的重分配等特征，使巖石破壞過程及蠕變現象能以3D 動畫的形式展示。

2.4 仿真結果分析，實現巖石力學實驗虛擬仿真

（1）對照巖石模型結構（微觀、宏觀）和組織特點，結合仿真結果，分析巖石的物理性質，弄清影響巖石力學性質的影響因素，理解巖石的流變性質（已知現象）。

（2）探索井眼圍巖的應力狀態與巖石的破壞準則（未知現象）（如圖2 所示），實現巖石力學實驗抗拉、抗剪、抗壓虛擬仿真。促使學生能夠獨立思考，對巖石力學實驗相關機理充分吸收，達到較為理想的效果。

3 結束語

基于油氣鉆井新技術、采油壓裂新方法背景下的巖石力學新知識，考慮井下實際復雜工況，開發從巖樣建模、巖石破壞到應力應變分析的石油工程巖石力學數字虛擬仿真實驗教學平臺，形象和直觀地展現巖石試樣制備過程以及在井下載荷作用下的變形和破裂過程、應力應變關系及內力變化過程，可形成虛擬3D 動畫顯示，且可重復操作，同時保證了實驗過程中的人身安全。數字虛擬仿真可作為巖石力學物理實驗的輔助教學手段，以達到石油工程巖石力學實驗可視化、模擬性、協調性、優化性的目標，實現學生參與實驗教學活動的廣泛性、主動性、創造性大為增強的目的。