Влияние фильтрации флюида на прочность пористых флюидонасыщенных хрупких материалов

Автор: Димаки А.В., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Псахье С.Г.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2016 года.

Бесплатный доступ

Работа посвящена изучению зависимости прочности флюидонасыщенных проницаемых хрупких материалов от скорости деформирования. Исследование проведено путем численного моделирования методом гибридных клеточных автоматов с применением связанной модели, учитывающей взаимосвязь процессов деформирования твердофазного каркаса, изменения порового давления и фильтрации флюида. Установлено, что влияние порового флюида на прочность материала определяется конкуренцией процессов изменения порового давления флюида (вследствие объемной деформации твердофазного каркаса) и фильтрации. Путем параметрического анализа получены комбинации физико-механических характеристик твердофазного каркаса и флюида и линейных размеров образцов, однозначно определяющие связь величины прочности деформируемого флюидонасыщенного образца со скоростью деформирования. На примерах испытаний на одноосное сжатие и стесненный сдвиг показано, что характер и степень влияния фильтрации флюида на величину прочности образца определяются знаком и величиной изменения порового объема в процессе деформирования. При нагружении, сопровождающемся уменьшением объема фильтрационного пространства и ростом порового давления, перераспределение флюида способствует снижению локальных максимумов порового давления и тем самым обеспечивает увеличение прочности образцов. В условиях нагружения, обусловливающих увеличение объема фильтрационного пространства и падение порового давления, фильтрация способствует поддержанию давления флюида и тем самым снижает прочность образцов. По результатам моделирования построены обобщающие зависимости прочности образцов хрупких материалов от скорости нагружения, механических свойств жидкости и вмещающего каркаса и размеров образца, имеющие логистический характер. Приведенные результаты демонстрируют, что нестационарный характер связанных процессов деформирования и фильтрации определяет существенные изменения величины прочности образцов проницаемых материалов даже в области малых скоростей деформации.

Еще

Трещиновато-пористая среда, проницаемость, флюид, численное моделирование, метод гибридных клеточных автоматов, поровое давление, фильтрация, дилатансия, разрушение, прочность

Короткий адрес: https://sciup.org/146211643

IDR: 146211643 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.13

Список литературы Влияние фильтрации флюида на прочность пористых флюидонасыщенных хрупких материалов

Biot M.A. General Theory of Three-Dimensional Consolidation//J. Appl. Phys. -1941. -Vol. 12. -P. 155-164.
Biot M.A. The Elastic Coefficients of the Theory of Consolidation//J. Appl. Mech. -1957. -Vol. 24. -P. 594-601.
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. -P. 113-171.
Mesri G., Jones R.A., Adachi K. Annual report on influence of pore water pressure on the engineering properties of rock. -Urbana, Illinoise: University of Illinoise, 1972. -102 p.
Bishop A.V., Skinner A.E. The influence of high pore-water pressure on the strength of cohesionless soils//Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. -1975. -Vol. 284. -P. 91-130.
Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. -СПб.: Наука, 2001. -343 с.
Lyakhovsky V., Hamiel Y. Damage evolution and fluid flow in poroelastic rock//Физика Земли. -2007. -№ 1. -С. 16-25.
Paterson M.S., Wong T.-F. Experimental rock deformation -the brittle field. -Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. -347 p.
Jaeger J.C., Cook N.G.W., Zimmerman R.W. Fundamentals of rock mechanics. -Backwell Publishing, 2007. -475 p.
Левин Б.В., Родкин М.В., Сасорова Е.В. Особенности сейсмического режима литосферы -проявления воздействия глубинного водного флюида//Физика Земли. -2010. -№ 5. -С. 88-96.
Bidgoli M.N., Jing L. Water pressure effects on strength and deformability of fractured rocks under low confining pressures//Rock Mech. Rock. Eng. -2014. -Vol. 48. -P. 971-985.
Makhnenko R.Y., Labuz J.F. Dilatant hardening of fluid-saturated sandstone//J. Geophys. Res. Solid Earth. -2015. -Vol. 120. -P. 909-922.
Hickman S., Sibson R., Bruhn R. Introduction to special section: mechanical involvement of fluids in faulting//J. Geophys. Res. Solid Earth. -1995. -Vol. 100. -P. 12831-12840.
Киссин И.Г. Флюиды в земной коре: геофизические и тектонические аспекты. -М: URSS, 2009. -328 с.
Wong T.-F., Baud P. The brittle-ductile transition: a review//J. Struct. Geol. -2012. -Vol. 44. -P. 25-53.
Lyakhovsky V., Ben-Zion Y. Damage-breakage rheology model and solid-granular transition near brittle instability//J. Mech. Phys. Solids. -2014. -Vol. 64. -P. 184-197.
Deformation bands in porous carbonate grainstones: field and laboratory observations/A. Cilona //J. Struct. Geol. -2012. -Vol. 45. -P. 137-157.
Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Модель хрупкого разрушения пористых материалов при сжатии//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2009. -№ 17. -С. 47-57.
Стефанов Ю.П. Моделирование поведения консолидированных и высокопористых геологических сред в условиях сжатия//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2007. -№ 15. -С. 156-169.
Brace W.F., Martin R.J. A test of the law of effective stress for crystalline rocks of low porosity//Int J. Rock Mech. Min. Sci. -1968. -Vol. 5. -P. 415-426.
Rice J.R. On the stability of dilatant hardening for saturated rock masses//J. Geophys. Res. -1975. -Vol. 80. -P. 1531-1536.
Coussy O. Poromechanics. -John Wiley & Sons, 2004. -312 p.
Casagrande A. Shannon W.L. Strength of Soil under Dynamic Loading//Proc. Am. Soc. Civil Eng. -1948. -Vol. 74. -P. 591-632.
Seed H.B., Lundgren R. Investigation of the Effect of Transient Loading on the Strength and Deformation Characteristics of Saturated Sands//Proc. Am. Soc. Test. Mater. -1954. -Vol. 54. -P. 1288-1306.
Segall P., Rice J.R. Dilatancy, compaction and slip instability of a fluid-infiltrated fault//J. Geophys. Res. Solid Earth. -1995. -Vol. 100. -P. 22155-22171.
Garagash D.I., Rudnicki J.W. Shear heating of a fluid-saturated slip-weakening dilatant fault zone: 2. Quasi-drained regime//J. Geophys. Res. Solid Earth. -2003. -Vol. 108. -No. B10. -P. 2472.
Samuelson J.E. Laboratory measurement of shear induced fault zone dilatancy, and numerical estimation of its influence on friction constitutive parameters in quasi-undrained scenarios. Ph.D. thesis. -The Pennsylvania State University, 2010. -205 p.
Carmeliet J., Van Den Abeele K.E.A. Application of the Preisach-Mayergoyz Space Model to Analyze Moisture Effects on the Nonlinear Elastic Response of Rock//Geophys. Res. Lett. -2002. -Vol. 29. -P. 1144-1148.
Influence of Water Saturation on the Nonlinear Elastic Mesoscopic Response in Earth Materials and the Implications to the Mechanism of Nonlinearity/K.E.A. Van Den Abeele //J. Geophys. Res. Solid Earth. -2002. -Vol. 107. -P. 1029-1039.
Yamamura J.A., Lade P.V. Effects of Stain Rate on Instability of Granular Soils//Geotech. Test. J. -1993. -Vol. 16. -P. 304-313.
Watanabe K., Kusakabe O. Reappraisal of Loading Rate Effects on Sand Behavior in View of Seismic Design for Pile Foundation//Soils and Foundations. -2013. -Vol. 53. -P. 215-231.
Two models for earthquake forerunners/V.I. Mjachkin //Pure Appl. Geophys. -1975. -Vol. 113. -P. 169-181.
The dilatancy-diffusion hypothesis and earthquake predictability/I.G. Main //Geological Society, London, Special Publications. -2012. -Vol. 367. -P. 215-230.
Sibson R.H. Implication of Fault-Valve Behavior for Rupture Nucleation and Recurrence//Tectonophysics. -1992. -Vol. 211. -P. 283-293.
Vernik L., Nur A. Petrophysical Analysis of the Cajon Pass Scientific Well: Implications for Fluid Flow and Seismic Studies in the Continental Crust//J. Geophys. Res. -1992. -Vol. 97. -P. 5121-5134.
Ougier-Simonin A., Zhu W. Effect of pore pressure buildup on slowness of rupture propagation//J. Geophys. Res. Solid Earth. -2015. -Vol. 120. -P. 7966-7985.
Byerlee J. Friction, Overpressure and Fault Normal Compression//Geophys. Res. Lett. -1990. -Vol. 17. -P. 2109-2112.
Garagash D.I., Rudnicki J.W. Shear heating of a fluid-saturated slip-weakening dilatant fault zone: 1. Limiting regimes//J. Geophys. Res. Solid Earth. -2003. -Vol. 108. -No. B2. -P. 2121.
Ougier-Simonin A., Zhu W. Effects of pore fluid pressure on slip behaviors: an experimental studies//Geophys. Res. Lett. -2013. -Vol. 40. -P. 1-6.
Развитие подхода к моделированию деформирования и разрушения иерархически организованных гетерогенных, в том числе контрастных сред/С.Г. Псахье //Физическая мезомеханика. -2011. -Т. 14, № 3. -С. 27-54.
Развитие формализма метода частиц для моделирования отклика флюидонасыщенных пористых геологических материалов/А.В. Димаки //Изв. Том. гос. ун-та. -2014. -Т. 324, № 1. -С. 102-111.
Связанная модель флюидонасыщенных пористых материалов, основанная на совмещении дискретного и континуального подходов/А.В. Димаки //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2014. -№ 4. -С. 68-101.
A coupled discrete element-finite difference approach for modeling mechanical response of fluid-saturated porous material/S.G. Psakhie //Int. J. Numer. Meth. Eng. -2016. -Vol. 106. -P. 623-643.
Mustoe G.G.W. A generalized formulation of the discrete element method//Eng. Computation. -1992. -Vol. 9. -P. 181-190.
Jing L., Stephansson O. Fundamentals of discrete element method for rock engineering: theory and applications. -Elsevier, 2007. -562 p.
Tavarez F.A., Plesha M.E. Discrete element method for modelling solid and particulate materials//Int. J. Numer. Meth. Eng. -2007. -Vol. 70. -P. 379-404.
Potyondy D.O., Cundall P.A. A bonded-particle model for rock//Int. J. Rock Mech. Min. Sci. -2004. -Vol. 41. -P. 1329-1364.
Bićanić N. Discrete element methods//Encyclopedia of computational mechanics/eds. E. Stein, R. Borst, T.J.R. Hughes. Vol. 1: Fundamentals. -Chichester: Wiley, 2004. -P. 311-371.
Development of a formalism of movable cellular automaton method for numerical modeling of fracture of heterogeneous elastic-plastic materials/S. Psakhie //Fracture and Structural Integrity. -2013. -Vol. 24. -P. 59-91.
A mathematical model of particle-particle interaction for discrete element based modeling of deformation and fracture of heterogeneous elastic-plastic materials/S.G. Psakhie //Engng. Fract. Mech. -2014. -Vol. 130. -P. 96-115.
Overcoming the limitations of distinct element method for multiscale modeling of materials with multimodal internal structure/E.V. Shilko //Comp. Mater. Sci. -2015. -Vol. 102. -P. 267-285.
Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. -М.: Недра, 1993. -416 с.
Стефанов Ю.П. Локализация деформации и разрушение в геоматериалах. Численное моделирование//Физическая мезомеханика. -2002. -Т. 5, № 5. -С. 107-118.
Нелинейная механика геоматериалов и геосред/П.В. Макаров /отв. ред. Л.Б. Зуев. -Новосибирск: Гео, -2007. -235 с.
Robin P.Y.F. Note on Effective Pressure//J. Geophys. Res. -1973. -Vol. 78. -P. 2434-2437.
Yamaji A. An Introduction to Tectonophysics: Theoretical Aspects of Structural Geology. -Tokyo: TERRAPUB, 2007. -386 p.
Permeability of Wilcox shale and its effective pressure law/O. Kwon //J. Geophys. Res. -2001. -Vol. 106. -P. 19339-19353.
Alam M.M., Fabricius I.L., Christensen H.F. Static and dynamic effective stress coefficient of chalk//Geophysics. -2012. -Vol. 77. -P. L1-L11.
Modeling of the Bacterial Growth Curve/M.H. Zwietering //Appl. Environ. Microb. -1990. -Vol. 56. -No. 6. -P. 1875-1881.
О влиянии динамических возмущений напряженного состояния на процесс накопления необратимых деформаций на границах раздела в блочных средах/Григорьев А.С. //Физическая мезомеханика. -2015. -Т. 18, № 4. -С. 24-37.

Еще

Статья научная