科研人員建立白堊岩的化學-力學耦合本構模型

在北海油田，白堊岩是一種主要的石油儲集層。石油被開採之後，孔隙壓力降低，導致儲油層壓縮。為了阻止沉降，將海水注入儲油層恢復孔隙壓力，但是這種方法反而使得海底沉降進一步加劇。通過室內試驗發現，白堊岩的強度與飽和流體的性質有較大的關係，油飽和的白堊岩比水飽和的白堊岩強度高很多。目前最流行的做法是考慮毛細作用，將非飽和土的方法應用在白堊岩中。但是試驗證明將油換成乙二醇和甲醇時，同樣會增大白堊岩的強度，這兩種流體均與水混溶，不存在毛細作用，所以毛細效應並不能完全解釋這種行為。

中國科學院武漢岩土力學研究所土動力學組研究員韋昌富及其研究團隊提出了一個考慮微觀物理化學作用力的白堊岩的本構模型，充分解釋了白堊岩的化學流體敏感性。該模型考慮了兩種水弱化機理：毛細作用、白堊岩和飽和流體之間的物理化學作用。模型採用修正劍橋模型為基礎，以粒間應力作為本構變數。該粒間應力是基於真實孔壓的概念，考慮了微觀的物理化學作用力，包括Donnan效應、毛細和吸附；從而可以將化學和力學載入採用同一個屈服面表示。為了考慮白堊岩和孔隙流體的相互作用，引入粒間壓力作為額外的硬化變數來表示微觀的物理化學作用力對前期屈服應力的硬化作用。通過對試驗數據進行模擬，證明了該模型可以採用同一套參數來模擬不同流體飽和的白堊岩的化學-力學耦合特性。

圖1 油飽和和水飽和白堊岩的屈服和破壞線

圖2 不同壓縮實驗的壓縮曲線

來源：中國科學院武漢岩土力學研究所

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