李曉蓉 馮永存

[摘 要] 隨著巖石力學教學的日益發(fā)展，運用傳統(tǒng)的巖石力學室內實驗進行的教學形式具有局限性，為實現(xiàn)巖石力學復雜實驗教學的可視化和重復性，利用有限元數(shù)值仿真平臺ABAQUS在教學中設計并開展特殊巖石（如鹽巖）的單、三軸數(shù)值仿真力學實驗，學生可通過模擬云圖直觀地了解巖石受力變形破壞的全過程，有利于提升學生的分析和理解能力。同時，通過重復性的模擬實驗，可以增強學生將巖石理論與實驗結合的能力，豐富學生的巖石力學專業(yè)知識，為培養(yǎng)巖石力學領域的人才奠定基礎。

[關鍵詞] 數(shù)值仿真;巖石力學;ABAQUS;實驗教學

[基金項目] 2019年度中國石油大學（北京）拔尖人才科研基金項目“天然氣水合物試采出砂機理預測”（ZX20190179）

[作者簡介] 李曉蓉（1988—），女，青海海東人，博士，中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院講師，主要從事海洋油氣工程巖石力學研究;馮永存（1986—），男，山東諸城人，博士，中國石油大學（北京）石油工程學院教授，主要從事石油工程巖石力學研究。

[中圖分類號] G642.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）01-0111-04 [收稿日期] 2021-08-03

引言

“海洋油氣工程巖石力學基礎”是海洋油氣工程本科專業(yè)一門應用性和實踐性很強的基礎課程，是海洋油氣鉆井工程、完井工程、油藏工程等專業(yè)課程學習的基礎。課程旨在系統(tǒng)講解巖石的物理和力學性質，介紹巖石力學中重要參數(shù)的確定方法，分析海洋油氣工程中典型的巖石力學問題，深化和加強學生對工程問題的理解和認識。其中，巖石的抗壓、抗拉等基礎巖石力學實驗是獲得巖石力學基本參數(shù)的關鍵方法，也是幫助學生理解巖石受力變形和破壞特征的重要手段。并且，開展井壁穩(wěn)定、水力壓裂等海洋油氣工程典型巖石力學問題的實驗是幫助學生理解具體工程問題的關鍵手段。

與傳統(tǒng)巖石力學實驗教學相比，數(shù)值仿真因其通用性強、方便靈活、可重復性等優(yōu)點，為實現(xiàn)巖石力學實驗教學的全面有效開展，提供了一種頗具前景的新方法。

（一）傳統(tǒng)力學實驗教學限制

在“海洋油氣工程巖石力學基礎”傳統(tǒng)教學中，通常是對常規(guī)儲層巖石試樣開展單、三軸力學實驗教學。這很大程度上幫助學生深入理解巖石應力—應變關系。然而，實驗教學過程中往往存在一系列限制。

1.由于巖石試樣自身非均勻性、非連續(xù)性、各向異性等特性影響，基礎巖石力學實驗中，巖石試樣破壞過程較為復雜。尤其是針對特殊儲層巖石試樣的力學特性更為復雜，如含夾層鹽巖的蠕變特性等，導致學生難以測得理想的應力—應變結果，影響對巖石破壞機理的認知。

2.由于實驗室空間不足與儀器數(shù)量限制，學生往往需要分成若干小組進行實驗，難以保證所有學生的參與度和完成報告的獨立性。此外，井壁穩(wěn)定和水力壓裂等大型石油工程巖石力學的實驗難度大、實驗條件復雜，而且室內實驗往往無法還原地層真實溫—壓條件，同時還有一定的危險性，導致傳統(tǒng)石油工程巖石力學教學中通常無法做此類實驗。

（二）數(shù)值仿真實驗的教學優(yōu)勢

數(shù)值仿真實驗是指通過利用軟件設計實驗的條件，并模擬實驗進行的過程，得到的實驗結果。數(shù)值仿真實驗為實現(xiàn)石油工程巖石力學實驗的有效開展提供了一種頗具前景的新方法，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）利用計算機對巖石的變形和破壞過程進行數(shù)值仿真實驗，不僅具有通用性強、方便靈活、可重復性等特點，而且可以通過數(shù)值實驗得到許多常規(guī)實驗過程中難以觀察到的重要信息，比如巖石破壞過程中應力場的演變，模擬特殊儲層巖石試樣（如含夾層鹽巖）的力學特性;（2）數(shù)值仿真實驗教學過程中，可以針對性地給每位學生的仿真案例設置不同的邊界條件參數(shù)及受力參數(shù)，從而保證所有學生提交作業(yè)的結果都是獨立和不同的，這樣既可以調動學生獨立完成作業(yè)的積極性，又防止出現(xiàn)作業(yè)抄襲、雷同等情況;（3）可以進行由于實驗室條件不足（如地層的溫壓條件）或危險性較高而難以進行的實驗，進一步加深學生對理論知識的理解程度，提高學生理論結合實際的能力;（4）數(shù)值仿真方法作為解決石油領域各種工程問題的主要方法之一，是學生以后科研工作中不可缺少的一種分析手段。數(shù)值仿真實驗在教學中的應用和實施，不僅可以幫助學生提前熟悉和了解數(shù)值分析方法，又可以為學生在以后的科研工作中提供分析問題和解決問題的基礎。

綜上所述，傳統(tǒng)的巖石力學實驗教學，受試樣多樣性、實驗室空間與設備儀器數(shù)量不足、分析問題的復雜性與實驗安全等問題限制，難以全面有效地開展。因此，本文提出巖石力學數(shù)值仿真實驗教學，通過數(shù)值仿真實驗不僅可以激發(fā)學生利用數(shù)值軟件技術的學習興趣，提高學生軟件使用的能力，還可以將理論知識與實際應用結合，加強學生解決實際問題的綜合能力，為今后的研究生學習或工作崗位做好準備。

一、數(shù)值仿真實驗

（一）數(shù)值仿真實驗工具

為實現(xiàn)數(shù)值仿真實驗在“海洋油氣工程巖石力學基礎”教學中的應用，首先需要一個具備分析巖石在外載荷作用下的破壞過程的數(shù)值計算工具。近20年來，國外相繼開發(fā)了一系列數(shù)值計算軟件，主要包括：有限元計算軟件（如Abaqus、Ansys等）、邊界元計算軟件（如Examine等）和離散元計算軟件（如PFC等）、有限元差分法（如FLAC 3D）。其中，有限單元法（FEM），最初是應用于計算波音飛機機翼的振動，隨后由于計算機微型與高速化的普及與矩陣數(shù)學的發(fā)展，有限元方法開始飛速發(fā)展。有限元法是通過離散，將連續(xù)介質離散為有限單元的組合體，通過對離散體進行分析，得出滿足要求的物理性能的近似解，進而解決理論分析無法解決的問題。有限單元法作為一種強有力的數(shù)值計算方法，其特點為適用性強，問題求解效率高、精確度準。

Abaqus是目前應用比較廣泛的有限元軟件之一，其開發(fā)者為法國的達索公司，雖然進入我國較晚，但是其通過率先采用用戶接口程序，滿足用戶對材料性質，單元與邊界條件的自定義需求，得以快速在國內發(fā)展。目前已經成為國際著名的有限元軟件之一。而其作為有限單元法軟件數(shù)值模擬軟的優(yōu)勢有：使用簡單，建立復雜問題模型步驟簡易，其擁有豐富的材料模型庫，便于本科生在進行建模;人機交互界面簡潔，易于每個本科生上手操作;擁有強大的非線性分析與模擬能力，可用于大型復雜的有限元模型的分析與模擬;可以通過對參數(shù)進行調節(jié)，用以得到精確解，計算精度高;適用性強，其分析與處理模塊包括Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit與Abaqus/CAE三部分，可以解決包括但不限于熱傳導、聲學分析與巖土力學分析等問題;模擬海洋油氣工程巖石力學實驗頗有成效。Abaqus軟件可以基于不同巖石的彈塑性本構模型對巖石屬性進行設置，然后開始數(shù)值仿真實驗。通過該實驗學生可以了解到巖石在力學實驗中的受力變形和破壞特征;可以逐幀觀察巖石在外載荷下的局部裂紋的萌生及發(fā)展過程，從而可以通過追蹤局部微觀結構的變化來反映巖石宏觀破壞特征。為學生在認識不同巖石的力學特性提供了一種很好的仿真實驗工具。因此，本研究擬用Abaqus軟件進行數(shù)值仿真實驗教學。

（二）數(shù)值仿真實驗工具應用

學生已經在混凝土結構，結構動力學等課程中運用數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值仿真實驗。在混凝土結構課程中學生在課堂上學習了截面分析的基本方法，然后選用OpenSees（地震工程模擬的開放體系）對鋼筋混凝土簡支梁實驗進行數(shù)值仿真模擬實驗。通過實驗學生了解到截面尺寸、截面配筋情況與材料的力學屬性對及截面曲率和彎矩的影響，對各個構件的力學性能有更充分的認識，加強了學生理論與實際結合的能力。

在結構動力學課程中學生需要學習如何分析動力荷載和結構動力響應的特征，但在此過程中由于設計概念抽象，公式復雜，學生接受該部分知識較為困難。學生通過結合軟件開展數(shù)值仿真實驗，能直觀地看到大型工程結構在動力荷載作用下的響應，進而更好地理解動力學的概念，將結構動力學的知識運用到教學仿真案例中，利用教材案例與學生產生互動，提升學生學習的趣味性、主動性。

在上述基礎上對“海洋油氣工程巖石力學基礎”的數(shù)值仿真巖石力學實驗進行改進，學生通過操作Abaqus軟件仿照室內實驗進行數(shù)值仿真實驗方案設計。利用Abaqus軟件輸出巖石受力變形云圖，分析巖石變形過程中的應力—應變曲線圖，結合巖石力學專業(yè)理論展開分析巖石的物理、力學性質。對比前兩種數(shù)值仿真模擬，該種仿真實驗增強了學生的數(shù)值分析能力與理論分析能力。

二、基于有限元數(shù)值模擬的巖石力學實驗課程設計

課程改革內容包括課程教學資料建設與教學方法建設。課程資料建設包括形成“海洋油氣工程巖石力學基礎”數(shù)值仿真課程教學講義和教案，編寫基于Abaqus軟件平臺的數(shù)值仿真習題集，編制軟件上機指導手冊與操作案例。探索課程教學方法建設，具體指根據教學內容及其所占比例合理安排課堂理論教學、軟件實際操作、案例分析、分組討論等教學方法的應用和應用比例，并充分借鑒巖土工程、礦業(yè)工程、水利工程等其他相關專業(yè)的數(shù)值仿真教學經驗。

數(shù)值仿真教學內容主要包括：基礎巖石力學實驗的數(shù)值仿真教學，具體由巖石壓縮的物理實驗來驗證數(shù)值仿真模擬等內容;在此基礎上，通過改變實驗參數(shù)，進行巖石壓縮實驗過程中的參數(shù)敏感性分析，進一步達到學生對巖石壓縮實驗的全面理解和掌握。

單軸抗壓實驗仿真。試樣尺寸：100mm×50mm;網格劃分數(shù)：650個;應力分析模式：平面應力;加載方式：單軸壓縮;加載條件：位移控制加載;分析步時長：1;最大增量步：0.01;實驗內容：（1）應力—應變曲線;（2）強度;（3）破壞模式。

圖1為Abaqus單軸壓縮數(shù)值模擬實驗與室內試驗效果對比圖。數(shù)值仿真實驗與室內實驗單軸抗壓強度誤差小于3%，數(shù)值仿真實驗破裂成果與室內實驗一致，因此，學生可以利用Abaqus軟件進行巖石的數(shù)值仿真壓縮實驗，對實驗結果展開理論分析，更深入了解巖石的變形破壞機理。

虛擬數(shù)值仿真實驗既可保證實驗的安全性，又能增強實驗的可操作性。學生可以通過在Abaqus軟件的屬性操作界面改變巖石的基礎屬性;在荷載界面改變荷載設置，進而模擬出不同的加載工況，對比總結巖石在不同工況下的力學特性。

通過在合理范圍內改變某項巖石的性質參數(shù)，保證學生作業(yè)的差異性，進而達到保障學生獨立完成度的目的。此外，除了單、三軸試驗的模擬，還可以進行由于實驗室條件不足與實驗室安全要求等原因，未進行的井壁失穩(wěn)等實驗的數(shù)值模擬仿真實驗，通過給定的地層信息（如地層壓力梯度、地溫梯度、巖石泊松比等），進行井壁失穩(wěn)等井筒完整性失效情況的模擬仿真實驗，通過模擬不同地層條件下不同的井筒完整性失效情況的數(shù)值仿真模擬，達到提高學生參與度，獨立完成作業(yè)的程度與小組討論效果的目的，同時，將理論與實際案例結合，進一步達到提高學生理論結合實踐的能力，為學生今后的科研與工作奠定基礎。

結語

本研究通過將數(shù)值仿真實驗教學方法引入到“海洋油氣工程巖石力學基礎”教學當中，形成“海洋油氣工程巖石力學基礎”數(shù)值仿真教學資料，包括教學講義、教案、仿真案例與上機指導等。解決了由于實驗室條件，設備數(shù)量與實驗室安全性的限制，進一步提高了學生的參與度與獨立完成的程度。同時，通過教學實踐幫助學生更好地理解巖石破壞問題的本質，以及石油工程中涉及的典型巖石破壞問題，深化學生對相關工程問題的認識，培養(yǎng)學生對數(shù)值仿真技術的興趣，提升學生將理論與實際結合的能力，穩(wěn)固學生今后科研工作的基礎。同時，還可以推動數(shù)值仿真實驗在本校教學中的應用，為本學科及其他相關學科的教學改革提供借鑒。

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Teaching Exploration of Fundamentals of Rock Mechanics in Offshore Oil and Gas Engineering： Application of Numerical Simulation Experiment

LI Xiao-ronga， FENG Yong-cunb

（a. College of Safety and Ocean Engineering， b. Petroleum Engineering， China University of Petroleum 〔Beijing〕， Beijing 102249， China）

Abstract： With the development of the teaching of rock mechanics in offshore oil and gas engineering， the traditional experiment of rock mechanics has its limitations. In this paper， the large-scale finite element numerical simulation platform ABAQUS is used to design and carry out the uniaxial and triaxial numerical simulation experiments of special rocks （such as salt rock） in the teaching process. Students can intuitively understand the whole process of rock deformation and failure through the cloud chart by using the numerical simulation experiment， and can repeat the experimental operation process so as to realize the visualization and repeatability of complex rock mechanics experiment. This teaching method is conducive to improving students’ numerical analysis ability， enhancing their ability to combine rock theory with practice， enriching their professional knowledge of rock mechanics， and laying a foundation for training talents in the field of rock mechanics.

Key words： numerical simulation; rock mechanics; ABAQUS; experimental teaching