Связанная модель флюидонасыщенных пористых материалов, основанная на совмещении дискретного и континуального подходов

Аннотация


Предложена численная модель флюидонасыщенных трещиновато-пористых хрупких материалов, основанная на гибридном подходе, совмещающем метод частиц и метод сеток. В рамках данной модели вмещающее пористое тело описывается на основе метода дискретных элементов. На ансамбле дискретных элементов моделируются процессы деформации пористого твердого тела и фильтрации однофазного флюида в связанной сети «микропор» (пор, каналов и других несплошностей, содержащихся в объеме дискретных элементов). Предложены соотношения, связывающие напряжения и деформации дискретного элемента, изменение объема его порового пространства и поровое давление флюида в «микропорах». Вычисление массопереноса жидкости между «микропорами» и «макропорами» (которые рассматриваются как области между пространственно разнесенными и невзаимодействующими дискретными элементами) осуществляется на более мелкой сетке, «вмороженной» в лабораторную систему координат. С использованием развитой связанной модели проведено изучение механического отклика образцов упруго-хрупкого материала, поровое пространство которых насыщено водой, при одноосном сжатии. Показано, что эффективная прочность таких образцов определяется не только прочностными свойствами «сухого» (ненаполненного жидкостью) материала и давлением жидкости в порах, но в значительной степени - соотношением геометрических размеров образцов, скоростью деформирования и характеристиками пористости материала. По результатам моделирования предложена обобщающая зависимость прочности проницаемого водонасыщенного хрупкого материала при одноосном сжатии от приведенного диаметра фильтрационных каналов, представляющего собой отношение характерного диаметра фильтрационных каналов к квадратному корню скорости деформирования образца. Приведенные результаты демонстрируют возможности построенной модели для изучения нестационарных процессов деформирования и разрушения флюидонасыщенных материалов в условиях динамического нагружения.

Об авторах

А В Димаки

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: dav@ispms.tsc.ru

Е В Шилько

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: shilko@ispms.tsc.ru

С В Астафуров

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: svastafurov@gmail.com

С Ю Коростелев

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: sergeyk@ispms.tsc.ru

С Г Псахье

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: sp@ispms.tsc.ru

Список литературы

  1. Zhejun P., Connell L.D. A theoretical model for gas adsorption-induced coal swelling // Int. J. of Coal Geol. - 2007. - Vol. 69. - No. 4. - Р. 243-252.
  2. Taylor D. Fracture and repair of bone: a multiscale problem // J. Mater. Sci. - 2007. - Vol. 42. - Р. 8911-8918.
  3. Jing L., Stephansson O. Fundamentals of discrete element method for rock engineering: theory and applications. - London: Elsevier, 2007. - 562 p.
  4. Biot M.A. General theory of three-dimensional consolidation // J. of Appl. Phys. - 1941. - Vol. 12. - Р. 155-164.
  5. Biot M.A. The elastic coefficients of the theory of consolidation // J. appl. Mech. - 1957. - Vol. 24. - Р. 594-601.
  6. Detournay E., Cheng A.H.-D. Fundamentals of poroelasticity. Chapter 5 in Comprehensive Rock Engineering: Principles, Practice and Projects. Vol. II. Analysis and Design Method / ed. C. Fairhurst. - Pergamon Press, 1993. - Р. 113-171.
  7. Hamiel Y., Lyakhovsky V., Agnon A. Coupled evolution of damage and porosity in poroelastic media: theory and applications to deformation of porous rocks // Geophys. J. Int. - 2004. - Vol. 156. - Р. 701-713.
  8. Lyakhovsky V., Hamiel Y. Damage Evolution and Fluid Flow in Poroelastic Rock // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. - 2007. - Vol. 43. - No. 1. - Р. 13-23.
  9. Мейрманов А.М. Метод двухмасштабной сходимости Нгуетсенга в задачах фильтрации и сейсмоакустики в упругих пористых средах // Сибирский математический журнал. - 2007. - Т. 48, № 3. - С. 645-667.
  10. Бочаров О.Б., Рудяк В.Я., Серяков А.В. Простейшие модели деформирования пороупругой среды, насыщенной флюидами // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2014. - № 2. - С. 54-68.
  11. Coupled fluid flow and geomechanical deformation modeling / S.E. Minkoff, C.M. Stone, S. Bryant, M. Peszynska, M.F. Wheeler // J. of Petroleum Sci. and Eng. - 2003. - Vol. 38. - Р. 37-56.
  12. Micromechanically Based Poroelastic Modeling of Fluid Flow in Haversian Bone / C.C. Swan, R.S. Lakes, R.A. Brand, K.J. Stewart // J. of Biomech. Eng. - 2003. - Vol. 125. - Р. 25-37.
  13. Silbernagel M.M. Modeling Coupled Fluid Flow and Geomechanical and Geophysical Phenomena Within a Finite Element Framework. - Golden, CO: Colorado School of Mines, 2007. - 218 р.
  14. White J.A., Borja R.I. Stabilized low-order finite elements for coupled solid-deformation/fluid-diffusion and their application to fault zone transients // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. - 2008. - Vol. 197. - Р. 4353-4366.
  15. Jha B., Juanes R. Coupled multiphase flow and poromechanics: A computational model of pore pressure effects on fault slip and earthquake triggering // Water Resour. Res. - 2014. - Vol. 50. - Iss. 5. - Р. 3776-3808.
  16. Turner D.Z., Nakshatrala K.B., Martinez M.J. Framework for Coupling Flow and Deformation of a Porous Solid // Int. J. Geomech. - 2014. - Р. 04014076. (in press).
  17. Masson Y.J., Pride Y.J., Nihei K.T. Finite difference modeling of Biot’s poroelastic equations at seismic frequencies // J. Geophys. Res. - 2006. - Vol. 111. - B10305.
  18. Finite element modelling of the effective elastic properties of partially saturated rocks / D. Makarynska, B. Gurevich, R. Ciz, C.H. Arns, M.A. Knackstedt // Computers & Geosciences. - 2008 - Vol. 34. - Р. 647-657.
  19. Наседкина А.А., Наседкин А.В., Иоване Ж. Моделирование нестационарного воздействия на многослойный пороупругий пласт с нелинейными геомеханическими свойствами // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2009. - № 4. - С. 23-32.
  20. Наседкина А.А. Моделирование нестационарных процессов фильтрации в пороупругих средах с физическими нелинейностями // Вестник Нижегород. ун-та им. Н.И. Лобачевского. - 2011. - № 4-3. - С. 1006-1008.
  21. Доброскок А.А., Линьков А.М. Моделирование течения, напряженного состояния и сейсмических событий в породах при сбросе давления в трещине гидроразрыва // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2011. - № 1. - С. 12-22.
  22. Численное моделирование динамики составного пороупругого тела / Л.А.Игумнов, С.Ю. Литвинчук, Д.В. Тарлаковский, Н.А. Локтева // Проблемы прочности и пластичности. - 2013. - № 75, Т. 2. - С. 130-136.
  23. Rieth M. Nano-engineering in science and technology: An Introduction to the World of Nano-Design. - Singapore: World Scientific, 2003. - 164 p.
  24. Cundall P.A., Strack O.D.L. A discrete numerical model for granular assemblies // Geotechnique. - 1979. - Vol. 29. - Р. 47-65.
  25. Mustoe G.G.W. A generalized formulation of the discrete element method // Eng. Comp. - 1992. - Vol. 9. - Р. 181-190.
  26. Shi G.H. Discontinuous deformation analysis - a new numerical model for statics and dynamics of block systems // Eng. Comp. - 1992. - Vol. 9. - Iss. 2. - Р. 157-168.
  27. Munjiza A.A., Knight E.E., Rougier E. Computational mechanics of discontinua. - Chichester: Wiley, 2012. - 276 p.
  28. Lisjak A., Grasseli G. A review of discrete modeling techniques for fracturing processes in discontinuous rock masses // Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. - 2014 - Vol. 6. - Р. 301-314.
  29. Munjiza A. The combined finite-discrete element method. - Chichester: Wiley, 2004. - 352 p.
  30. Bićanić N. Discrete element methods // Encyclopedia of computational mechanics / eds. Stein E., Borst R., Hughes T.J.R. Vol. 1: Fundamentals. - Chichester: Wiley, 2004. - P. 311-371.
  31. Jing L., Stephansson O. Fundamentals of discrete element method for rock engineering: theory and applications. - Elsevier, 2007. - 562 p.
  32. Williams J.R., Hocking G., Mustoe G.G.W. The Theoretical basis of the discrete element method // Numerical methods of engineering, theory and applications / ed. A.A. Balkema. - Rotterdam: NUMETA, 1985.
  33. Potyondy D.O., Cundall P.A. A bonded-particle model for rock // Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. - 2004. - Vol. 41. - P. 1329-1364.
  34. Хан Г.Н. О несимметричном режиме разрушения массива горных пород в окрестности полости // Физ. мезомех. - 2008. - Т. 11, № 1. - С. 109-114.
  35. Zhao G.F., Khalili N. A Lattice Spring Model for Coupled Fluid Flow and Deformation Problems in Geomechanics // Rock Mech. and Rock Eng. - 2012. - Vol. 45. - P. 781-799.
  36. Cook B.K., Noble D.R. A direct simulation method for particle-fluid systems // Eng. Comp. - 2011. - Vol. 21. - No. 2/3/4. - P. 151-168.
  37. Sakaguchi H., Muhlhaus H.-B. Hybrid Modelling of Coupled Pore Fluid-solid Deformation Problems // Pure appl. geophys. - 2000. - Vol. 157. - P. 1889-1904.
  38. Han Y., Cundall P.A. Lattice Boltzmann modeling of pore-scale fluid flow through idealized porous media // Int. J. Numer. Meth. Fluids. - 2011. - Vol. 67. - P. 1720-1734.
  39. Han Y., Cundall P.A. LBM-DEM modeling of fluid-solid interaction in porous media // Int. J. Numer. Analyth. Meth. Geomech. - 2013. - Vol. 37. - Iss. 10. - P. 1391-1407.
  40. Development of a formalism of movable cellular automaton method for numerical modeling of fracture of heterogeneous elastic-plastic materials / S. Psakhie, E. Shilko, A. Smolin [et al.] // Fracture and Structural Integrity. - 2013. - Vol. 24. - P. 59-91.
  41. A mathematical model of particle-particle interaction for discrete element based modeling of deformation and fracture of heterogeneous elastic-plastic materials / S.G. Psakhie, E.V. Shilko, A.S. Grigoriev, S.V. Astafurov, A.V. Dimaki, A.Yu. Smolin // Engineering Fracture Mechanics, 2014 (in press).
  42. Hybrid Cellular Automata Metod. Application to Research on Mechanical Response of Contrast Media / S. Zavsek, A.V. Dimaki, A.I. Dmitriev, E.V. Shilko, J. Pezdic, S.G. Psakhie // Phys. Mesomech. - 2013. - Vol. 1. - P. 42-51.
  43. Approach to simulation of deformation and fracture of hierarchically organized heterogeneous media, including contrast media / S.G. Psakhie, E.V. Shilko, A.Yu. Smolin [et. al.] // Phys. Mesomech. - 2011. - Vol. 14. - No. 5-6. - P. 224-248.
  44. Развитие формализма метода частиц для моделирования отклика флюидонасыщенных пористых геологических материалов / А.В. Димаки, Е.В. Шилько, С.В. Астафуров, С.Г. Псахье // Известия ТПУ. - 2014. - Т. 324, № 1. - С. 102-111.
  45. Cundall P.A. Formulation of a three-dimensional distinct element model - Part I: A scheme to detect and represent contacts in a system composed of many polyhedral blocks // Int. J. Rock Mech, Min. Sci. Geomech. Abstr. - 1988. - Vol. 25. - Iss. 3. - P. 107-116.
  46. Hwang J.-Y., Ohnishi Y., Wu J. Numerical analysis of discontinuous rock masses using three-dimensional discontinuous deformation analysis (3D DDA) // Geotech. Eng. - 2004. - Vol. 8. - Iss. 5. - P. 491-496.
  47. Hahn M., Wallmersperger T., Kroplin B.-H. Discrete element representation of discontinua: proof of concept and determination of material parameters // Comp. Mat. Sci. - 2010. - Vol. 50. - P. 391-402.
  48. Garagash I.A., Nikolaevskiy V.N. Non-associated laws of plastic flow and localization of deformation // Adv. Mech. - 1989. - Vol. 12. - Iss. 1. - P. 131-183.
  49. Stefanov Yu.P. Deformation localization and fracture in geomaterials. Numerical simulation // Phys. Mesomech. - 2002. - Vol. 5-6. - P. 67-77.
  50. Wilkins M.L. Computer simulation of dynamic phenomena. - Heidelberg: Springer-Verlag, 1999. - 246 p.
  51. Kushch V.I., Shmegera S.V., Sevostianov I. SIF statistics in micro cracked solid: effect of crack density, orientation and clustering // Int. J. Eng. Sci. - 2009. - Vol. 47. - P. 192-208.
  52. Permeability of Wilcox shale and its effective pressure law / O. Kwon, A.K. Kronenberg, A.F. Gangi, B. Johnson // J. Geophys. Res. - 2001. - Vol. 106. - No. b9. - P. 19339-19353.
  53. Paterson M.S., Wong T.F. Experimental Rock Deformation. The Brittle Field. - Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. - 347 p.
  54. Yamaji A. An Introduction to Tectonophysics: Theoretical Aspects of Structural Geology. - Tokyo: TERRAPUB, 2007. - 378 p.
  55. Experimental Deformation of Sedimentary Rocks Under Confining Pressure: Pore Pressure Tests / J. Hangin, R.V.Hager, M. Friedman, J.N. Feather // AAPG Bulletin. - 1963. - Vol. 47. - Iss. 5. - P. 717-755.
  56. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. - СПб.: Наука, 2001. - 343 с.
  57. Robin P.-Y.F. Note on Effective Pressure // J. Geophys. Res. - 1973. - Vol. 78. - No. 14. - P. 2434-2437.
  58. Gangi A.F., Carlson R.L. An asperity-deformation model for effective pressure // Tectonophysics. - 1996. - Vol. 256. - P. 241-251.
  59. Boitnott G.N., Scholz C.H. Direct Measurement of the Effective Pressure Law: Deformation of Joints Subject to Pore and Confining Pressure // J. Geophys. Res. - 1990. - Vol. 95. - No. B12. - P. 19279-I9298.
  60. Хавкин А.Я. Наноявления и нанотехнологии в добыче нефти и газа. - М.; Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2010. - 692 с.
  61. Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. - М.: Недра, 1993. - 416 с.
  62. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. - М.; Л.: Гос. изд-во технико-теорет. лит., 1947. - 244 с.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 163

PDF (Russian) - 82

Cited-By


PlumX


© Димаки А.В., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Коростелев С.Ю., Псахье С.Г., 2014

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах