石油工程岩石力学实验数值仿真技术探讨

李 猛 户淑莉 万立夫

0 引言

为使学生更好地认识和理解石油钻井、开发过程中普遍存在的岩石力学问题，在石油工程岩石力学实验教学中，岩石的拉、压、剪基本实验及岩石的破裂与失稳过程是一个复杂而重要的基本实验教学内容[1]。由于井下高温高压并存，井下岩石材料的非均匀性、非连续性，以及外荷载作用下岩石组织结构之间相互作用的复杂性，当前的实验教学方法难以直接演示岩石变形及破坏的复杂现象，已有的理论解析方法仍然缺少对此过程有效的研究手段，且目前的物理实验不易对岩石的破裂与失稳过程等现象做准确的描述。石油工程岩石力学物理实验教学尚存些许不足之处，而数值实验方法可有效地克服此类问题。

1 石油工程岩石力学仿真实验的必要性

（1）石油工程岩石力学物理实验教学内容时效性较差，创新性不足。

随着大数据时代的来临，油气钻井、压裂技术已数据化、信息化，并朝向智能化发展，高校石油工程岩石力学实验也应与时俱进，及时更新实验内容、方法及手段[2]。而石油工程岩石力学出于成本及资源利用率的考量，高校不可能将最新的岩石力学试验设备技术实时引进实验室，故如何使学生及时接触最前沿的石油工程岩石力学实验技术，有效拓宽思维空间，就成为一个亟待解决的问题。

（2）石油工程岩石力学物理实验成本高，可重复性差。受到现场条件、人力、物力和财力的限制，通常的岩石力学实验教学很难通过大量的物理实验向学生直观演示各种岩石变形、破坏的复杂现象。

（3）石油工程岩石力学物理实验过程演示直观性不足。由于岩石介质的复杂性，传统的物理实验测试方法很难全面地反映岩石在变形损伤演化和宏观破坏过程中的应力场、变形场等重要信息，而数值实验法可以取得较好的效果。

（4）石油工程岩石力学物理实验缺乏必要的井下工况，可理解性较差。尽管岩石破坏试验可得到拉、压、剪等更基本数据，但与井下岩石结构破坏密切相关的工程力学现象，如井壁失稳、井下工具破岩、水力压裂等，通过实验室小型试样的加载试验是难以理解的，因为这些破坏不仅与构成岩石结构的材料性质有关，而且还涉及复杂的井下高温高压环境。

2 石油工程岩石力学仿真实验实施方法

2.1 融合仿真技术，拓宽石油工程岩石力学实验对象

了解当前国内外岩石力学发展的现状和进展，考虑当前石油钻井、开发过程中普遍存在的岩石力学问题，掌握解决这些问题的岩石力学基本理论和实验方法，基于大数据时代的计算机仿真技术，将实验新技术与仿真技术相融合，升级实验项目，培养学生的创新能力。

2.2 考虑井下工况，构造岩石仿真模型

根据所要求的井下工况，虚拟制造岩石材料，加工其几何形状。将所要建立的岩石模型简化为复杂多面体。首先，初始化结构体系统；其次，切割岩体模型，实现单元的离散；然后，将结构面进行统一编号，对现存的单元进行判断；最后，去除虚拟结构面，形成岩石仿真模型。此过程可重复进行。

2.3 岩石模型应力应变分析，渐进破坏演示

图1 岩石三轴压缩强度试验模型及破坏行为展示

图2 学生自主仿真实验过程

（1）在上述岩石几何模型基础上，考虑井下岩石的矿物成分、结构构造、结晶情况、试样尺寸、围压、加载速率、应力路径、孔隙水压力、温度及湿度（含水率）等因素影响，对不同围压下的岩石变形与强度特性进行研究，模拟弹性、塑性、硬化、软化和摩擦等阶段应力状态下岩石的应力—应变关系。

（2）模拟岩石宏观力学破坏行为，实现相应的力学及多场（应力场、应变场）耦合分析演示（如图1 所示），再现细观结构上岩石的损伤演化、裂纹的扩展及应力的重分配等特征，使岩石破坏过程及蠕变现象能以3D 动画的形式展示。

2.4 仿真结果分析，实现岩石力学实验虚拟仿真

（1）对照岩石模型结构（微观、宏观）和组织特点，结合仿真结果，分析岩石的物理性质，弄清影响岩石力学性质的影响因素，理解岩石的流变性质（已知现象）。

（2）探索井眼围岩的应力状态与岩石的破坏准则（未知现象）（如图2 所示），实现岩石力学实验抗拉、抗剪、抗压虚拟仿真。促使学生能够独立思考，对岩石力学实验相关机理充分吸收，达到较为理想的效果。

3 结束语

基于油气钻井新技术、采油压裂新方法背景下的岩石力学新知识，考虑井下实际复杂工况，开发从岩样建模、岩石破坏到应力应变分析的石油工程岩石力学数字虚拟仿真实验教学平台，形象和直观地展现岩石试样制备过程以及在井下载荷作用下的变形和破裂过程、应力应变关系及内力变化过程，可形成虚拟3D 动画显示，且可重复操作，同时保证了实验过程中的人身安全。数字虚拟仿真可作为岩石力学物理实验的辅助教学手段，以达到石油工程岩石力学实验可视化、模拟性、协调性、优化性的目标，实现学生参与实验教学活动的广泛性、主动性、创造性大为增强的目的。