动力水力压裂的相场模拟方法

 水力压裂计算对页岩气开采至关重要,将岩体等效为均匀多孔介质,以动力达西–毕奥流描述岩体内的渗流过程,以相场方法追踪裂缝扩展,将压裂裂缝内流体近似为泊肃叶流,并通过修正渗流方程予以实现,从而提出了动力水力压裂的相场模拟方法,并基于显式有限元框架进行数值求解。通过与一维解析解对比说明所提方法计算位移和动水压的准确性。一系列数值算例表明,提出的压裂相场模拟方法能够模拟动力水力压裂作用下裂缝动态扩展的典型特征,且能够计算水力压裂裂缝的相交、分叉和三维扩展等复杂裂缝扩展形态,为动力水力压裂设计提供了强有力的数值计算工具。     

含界面储层水力压裂试验与数值模拟研究进展EI北大核心CSCD

深部储层含有大量的天然裂缝、断层、层理等各种不连续界面,这些界面直接影响并制约了水力压裂缝网形成及应用效果。从水力压裂试验、理论及数值模拟3个方面系统分析含界面储层的水力压裂研究进展。首先,梳理了水力压裂物模试验研究进展,探讨了不同含界面储层水力压裂物模试验方法,如加载方式、试样制备、监测手段。其次,基于含界面试样压裂物模试验结果,分析了水力裂缝与界面相互作用理论及影响缝网压裂效果的关键因素。然后,从水力裂缝与界面相互作用数值模拟的难点入手,重点阐述了裂缝交叉处理过程,水力裂缝与界面相互作用及压裂缝网形成机制数值模拟研究进展。最后,总结现阶段含界面储层水力压裂研究中存在的问题及发展趋势。     

基于弥散式裂缝模型的水力压裂研究

针对水力压裂数值模拟中传统分离式裂缝模型计算量大、需要预置裂缝及扩展路径等缺点,提出采用弥散式裂缝模型模拟水力压裂过程的解决办法,并根据流–固耦合理论,导出基于弥散裂缝的应力–渗流耦合方程,从而为实现在大尺度储层中模拟裂隙网络的演化提供参考。对混凝土试样进行水力压裂试验研究和基于弥散裂缝的数值分析,由2种方法得到的起裂值基本一致;试验和数值分析中,裂缝扩展主要受地应力影响,其方向垂直于水平最小地应力方向,最后在试件内形成主裂缝并贯穿整个试件。     

无厚度三节点节理单元在裂纹扩展模拟中的应用

节理厚度在实际工程中很难用常量描述,为便于描述节理的力学行为,在原三节点节理单元的基础上构造无厚度三节点节理单元,并推导出相应的刚度矩阵。由于三节点节理单元与原三角形单元共享节点,因而它在模拟裂纹扩展过程中无需对网格进行重新划分;另外,在网格剖分时,也无需考虑裂纹体的几何完整性,可直接对结构进行三角网格剖分。因此,该方法可为裂纹的模拟提供极大的便利,并显著提高计算效率。相应的大理石模拟试验表明,该方法在岩石裂纹扩展的模拟中是有效可行的。     

千斤顶单元法在大跨度钢屋盖拆撑过程数值模拟中的应用

大跨度钢屋盖拆撑过程分析是目前大型工程建设中常遇到的施工力学问题,其求解的难点在于千斤顶工作机理、临时支撑与主体结构脱离和接触以及临时支撑回弹现象的模拟,尚未得到有效解决.基于通用有限元软件平台,利用其模块中的只压不拉杆单元和经典梁单元的独特性质,把这两个特性不同的单元并联在一起,通过耦合单元两端相应节点的自由度和修正单元的刚度,构造一种组合型千斤顶单元.引入刚化系数α和软化系数β分别对杆单元和梁单元的轴向刚度进行修正,研究给出了α和β的取值范围,使组合千斤顶单元具有实际千斤顶的性质.建立了拆撑过程分析的千斤顶单元法,能够模拟拆撑过程中千斤顶和临时支撑的工作机理及其与主体结构之间的相互作用.算例分析表明,千斤顶单元法理论正确,应用方便,可以用于实际工程中拆撑过程的模拟,能够分析主体结构及临时支撑内力和变形的变化历程.     

局部位形约束生死单元法及其在施工力学分析中的应用

借鉴桥梁工程中的3种安装定位原则,提出了适用于建筑工程安装的第4种定位原则。对现有的几种结构非线性施工力学分析方法的特点和适用性进行了研究分析,构造了一种改进的结构非线性施工力学分析方法--局部位形约束生死单元法,抑制了传统的直接生死单元法中“死”单元的“漂移”现象,能很好地控制施工力学模拟中新生单元的安装位形,符合工程安装的实际情况,适用范围广。将这种方法应用于实际工程“法门寺合十舍利塔主塔”的施工过程力学模拟中,理论计算结果和实测结果吻合较好,表明这种改进方法是结构施工力学分析的有效方法。     

基于最小共享度替换准则的复合形法及其在边坡稳定性分析中的应用

提出了一种改进的寻优策略以提高基本复合形法的全局搜索能力,对当前复形,在关于各个顶点的寻优直线上分别找出比各个顶点优异的点,替换各顶点构成多个新复形,选择顶点共享度最小的新复形为寻优复形,并依次迭代,形成了改进的复合形法。通过对2个复杂边坡最小安全系数的搜索发现,改进复合形法的全局搜索能力提高至90%,可满足工程应用的需要。