井眼变形局部化剪切带数值模拟研究.PDF

　　第 25 卷 　第 2 期 钻 　采 　工 　艺 　　　　　　　　　 　　 ·17 · 钻井工艺 井眼变形局部化剪切带数值模拟研究 1 1 2 王学滨 ,潘一山 ,杨　梅 ( 1 辽宁工程技术大学力学系 2 辽宁工程技术大学机械学院) 　　摘 　要 : 井眼剪切破坏是井眼岩石基本破坏形式之一。国际上 ,在非线性固体力学的研究中 ,局部化和剪切 3D 带等问题已成为研究的热点问题之一。文中采用 FLAC 对在类似于平面应变条件下的井眼进行了数值模拟研究 , 由模拟结果可见明显的变形局部化现象。采用变形局部化的数值模拟研究可对井眼失效的机理分析、预测和控制 提供新的思路。 关键词 : 井眼 ; 岩石 ; 变形 ; 剪切带 ; 数值模拟 ; 扩容效应 ( ) 中图分类号: TE 21 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 1006 - 768X 2002 02 - 017 - 03 带边界上材料颗粒方向变化急剧 ,剪切带内部具有 局部化现象 非常大的孔隙率等。基于传统弹、塑性力学的有限 局部化现象可以看作延性和脆性破坏的前兆 , 元法存在的主要缺陷是 : 负刚度问题 ; 网格依赖性; 随后便出现裂纹的扩展。具有强烈剪切变形的窄带 不能准确预测出剪切带的厚度、间距和不能较好模 称之为剪切带。剪切带或应变局部化现象可以在黑 拟局部化启动后的行为等。 色金属、有色金属、聚合物、韧性单晶体、韧性多晶 国外学者对传统弹、塑性理论进行了修正和完 体、结构钢、粘土、岩石、混凝土、陶瓷等材料中观测 善 ,典型的方法有应变梯度方法和连续介质微极塑 到 ;此外 ,通常在天然土体、人造堤坝、基础、拦水墙、 性理论方法。文[6 ]对厚壁圆筒进行数值分析 , 由模 巷道、井眼及其它地质构造物中也可以观测到剪切 拟结果可见清晰的共轭曲线剪切带。采用微极塑性 带或应变局部化现象。应变局部化现象不仅存在于 理论 ,文[7 ]在静水压力和稍偏离静水压力条件下对 单相固体之中 ,而且还广泛存在于多相流体饱和的 平面应变的井眼进行数值分析 ,在后一种情况下模 多孔介质材料之中。自然界中广泛存在多种局部化 拟结果与实验室及现场观测结果较一致。 现象 ,如应变局部化、损伤局部化、绝热局部化、孔隙 拉格朗日元法简介 压力局部化、流量局部化和孔隙率局部化等等。 拉格朗日元法采用了混合离散方法、动态松驰 井眼问题的研究方法 方法和显式差分方法[8 ]～[9 ] 。该法不形成刚度矩 通常将井眼简化为厚壁筒问题 ,基于传统弹、塑 阵 ,不必求解大型方程组 ,也不必通过迭代以满足本 性力学的解析法将其视为平面应力或应变的轴对称 构关系。适合于模拟地质材料在达到强度极限或屈 问题,假定厚壁筒沿其圆周均匀破坏。在传统弹、塑 服极限时发生的破坏和塑性流动的力学行为 ;适合 性理