“海洋油气工程岩石力学基础”教改探索

李晓蓉 冯永存

[摘 要] 随着岩石力学教学的日益发展，运用传统的岩石力学室内实验进行的教学形式具有局限性，为实现岩石力学复杂实验教学的可视化和重复性，利用有限元数值仿真平台ABAQUS在教学中设计并开展特殊岩石（如盐岩）的单、三轴数值仿真力学实验，学生可通过模拟云图直观地了解岩石受力变形破坏的全过程，有利于提升学生的分析和理解能力。同时，通过重复性的模拟实验，可以增强学生将岩石理论与实验结合的能力，丰富学生的岩石力学专业知识，为培养岩石力学领域的人才奠定基础。

[关键词] 数值仿真;岩石力学;ABAQUS;实验教学

[基金项目] 2019年度中国石油大学（北京）拔尖人才科研基金项目“天然气水合物试采出砂机理预测”（ZX20190179）

[作者简介] 李晓蓉（1988—），女，青海海东人，博士，中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院讲师，主要从事海洋油气工程岩石力学研究;冯永存（1986—），男，山东诸城人，博士，中国石油大学（北京）石油工程学院教授，主要从事石油工程岩石力学研究。

[中图分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）01-0111-04 [收稿日期] 2021-08-03

引言

“海洋油气工程岩石力学基础”是海洋油气工程本科专业一门应用性和实践性很强的基础课程，是海洋油气钻井工程、完井工程、油藏工程等专业课程学习的基础。课程旨在系统讲解岩石的物理和力学性质，介绍岩石力学中重要参数的确定方法，分析海洋油气工程中典型的岩石力学问题，深化和加强学生对工程问题的理解和认识。其中，岩石的抗压、抗拉等基础岩石力学实验是获得岩石力学基本参数的关键方法，也是帮助学生理解岩石受力变形和破坏特征的重要手段。并且，开展井壁稳定、水力压裂等海洋油气工程典型岩石力学问题的实验是帮助学生理解具体工程问题的关键手段。

与传统岩石力学实验教学相比，数值仿真因其通用性强、方便灵活、可重复性等优点，为实现岩石力学实验教学的全面有效开展，提供了一种颇具前景的新方法。

（一）传统力学实验教学限制

在“海洋油气工程岩石力学基础”传统教学中，通常是对常规储层岩石试样开展单、三轴力学实验教学。这很大程度上帮助学生深入理解岩石应力—应变关系。然而，实验教学过程中往往存在一系列限制。

1.由于岩石试样自身非均匀性、非连续性、各向异性等特性影响，基础岩石力学实验中，岩石试样破坏过程较为复杂。尤其是针对特殊储层岩石试样的力学特性更为复杂，如含夹层盐岩的蠕变特性等，导致学生难以测得理想的应力—应变结果，影响对岩石破坏机理的认知。

2.由于实验室空间不足与仪器数量限制，学生往往需要分成若干小组进行实验，难以保证所有学生的参与度和完成报告的独立性。此外，井壁稳定和水力压裂等大型石油工程岩石力学的实验难度大、实验条件复杂，而且室内实验往往无法还原地层真实温—压条件，同时还有一定的危险性，导致传统石油工程岩石力学教学中通常无法做此类实验。

（二）数值仿真实验的教学优势

数值仿真实验是指通过利用软件设计实验的条件，并模拟实验进行的过程，得到的实验结果。数值仿真实验为实现石油工程岩石力学实验的有效开展提供了一种颇具前景的新方法，其优势主要表现在以下几个方面：（1）利用计算机对岩石的变形和破坏过程进行数值仿真实验，不仅具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点，而且可以通过数值实验得到许多常规实验过程中难以观察到的重要信息，比如岩石破坏过程中应力场的演变，模拟特殊储层岩石试样（如含夹层盐岩）的力学特性;（2）数值仿真实验教学过程中，可以针对性地给每位学生的仿真案例设置不同的边界条件参数及受力参数，从而保证所有学生提交作业的结果都是独立和不同的，这样既可以调动学生独立完成作业的积极性，又防止出现作业抄袭、雷同等情况;（3）可以进行由于实验室条件不足（如地层的温压条件）或危险性较高而难以进行的实验，进一步加深学生对理论知识的理解程度，提高学生理论结合实际的能力;（4）数值仿真方法作为解决石油领域各种工程问题的主要方法之一，是学生以后科研工作中不可缺少的一种分析手段。數值仿真实验在教学中的应用和实施，不仅可以帮助学生提前熟悉和了解数值分析方法，又可以为学生在以后的科研工作中提供分析问题和解决问题的基础。

综上所述，传统的岩石力学实验教学，受试样多样性、实验室空间与设备仪器数量不足、分析问题的复杂性与实验安全等问题限制，难以全面有效地开展。因此，本文提出岩石力学数值仿真实验教学，通过数值仿真实验不仅可以激发学生利用数值软件技术的学习兴趣，提高学生软件使用的能力，还可以将理论知识与实际应用结合，加强学生解决实际问题的综合能力，为今后的研究生学习或工作岗位做好准备。

一、数值仿真实验

（一）数值仿真实验工具

为实现数值仿真实验在“海洋油气工程岩石力学基础”教学中的应用，首先需要一个具备分析岩石在外载荷作用下的破坏过程的数值计算工具。近20年来，国外相继开发了一系列数值计算软件，主要包括：有限元计算软件（如Abaqus、Ansys等）、边界元计算软件（如Examine等）和离散元计算软件（如PFC等）、有限元差分法（如FLAC 3D）。其中，有限单元法（FEM），最初是应用于计算波音飞机机翼的振动，随后由于计算机微型与高速化的普及与矩阵数学的发展，有限元方法开始飞速发展。有限元法是通过离散，将连续介质离散为有限单元的组合体，通过对离散体进行分析，得出满足要求的物理性能的近似解，进而解决理论分析无法解决的问题。有限单元法作为一种强有力的数值计算方法，其特点为适用性强，问题求解效率高、精确度准。

Abaqus是目前应用比较广泛的有限元软件之一，其开发者为法国的达索公司，虽然进入我国较晚，但是其通过率先采用用户接口程序，满足用户对材料性质，单元与边界条件的自定义需求，得以快速在国内发展。目前已经成为国际著名的有限元软件之一。而其作为有限单元法软件数值模拟软的优势有：使用简单，建立复杂问题模型步骤简易，其拥有丰富的材料模型库，便于本科生在进行建模;人机交互界面简洁，易于每个本科生上手操作;拥有强大的非线性分析与模拟能力，可用于大型复杂的有限元模型的分析与模拟;可以通过对参数进行调节，用以得到精确解，计算精度高;适用性强，其分析与处理模块包括Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit与Abaqus/CAE三部分，可以解决包括但不限于热传导、声学分析与岩土力学分析等问题;模拟海洋油气工程岩石力学实验颇有成效。Abaqus软件可以基于不同岩石的弹塑性本构模型对岩石属性进行设置，然后开始数值仿真实验。通过该实验学生可以了解到岩石在力学实验中的受力变形和破坏特征;可以逐帧观察岩石在外载荷下的局部裂纹的萌生及发展过程，从而可以通过追踪局部微观结构的变化来反映岩石宏观破坏特征。为学生在认识不同岩石的力学特性提供了一种很好的仿真实验工具。因此，本研究拟用Abaqus软件进行数值仿真实验教学。

（二）数值仿真实验工具应用

学生已经在混凝土结构，结构动力学等课程中运用数值模拟软件进行数值仿真实验。在混凝土结构课程中学生在课堂上学习了截面分析的基本方法，然后选用OpenSees（地震工程模拟的开放体系）对钢筋混凝土简支梁实验进行数值仿真模拟实验。通过实验学生了解到截面尺寸、截面配筋情况与材料的力学属性对及截面曲率和弯矩的影响，对各个构件的力学性能有更充分的认识，加强了学生理论与实际结合的能力。

在结构动力学课程中学生需要学习如何分析动力荷载和结构动力响应的特征，但在此过程中由于设计概念抽象，公式复杂，学生接受该部分知识较为困难。学生通过结合软件开展数值仿真实验，能直观地看到大型工程结构在动力荷载作用下的响应，进而更好地理解动力学的概念，将结构动力学的知识运用到教学仿真案例中，利用教材案例与学生产生互动，提升学生学习的趣味性、主动性。

在上述基础上对“海洋油气工程岩石力学基础”的数值仿真岩石力学实验进行改进，学生通过操作Abaqus软件仿照室内实验进行数值仿真实验方案设计。利用Abaqus软件输出岩石受力变形云图，分析岩石变形过程中的应力—应变曲线图，结合岩石力學专业理论展开分析岩石的物理、力学性质。对比前两种数值仿真模拟，该种仿真实验增强了学生的数值分析能力与理论分析能力。

二、基于有限元数值模拟的岩石力学实验课程设计

课程改革内容包括课程教学资料建设与教学方法建设。课程资料建设包括形成“海洋油气工程岩石力学基础”数值仿真课程教学讲义和教案，编写基于Abaqus软件平台的数值仿真习题集，编制软件上机指导手册与操作案例。探索课程教学方法建设，具体指根据教学内容及其所占比例合理安排课堂理论教学、软件实际操作、案例分析、分组讨论等教学方法的应用和应用比例，并充分借鉴岩土工程、矿业工程、水利工程等其他相关专业的数值仿真教学经验。

数值仿真教学内容主要包括：基础岩石力学实验的数值仿真教学，具体由岩石压缩的物理实验来验证数值仿真模拟等内容;在此基础上，通过改变实验参数，进行岩石压缩实验过程中的参数敏感性分析，进一步达到学生对岩石压缩实验的全面理解和掌握。

单轴抗压实验仿真。试样尺寸：100mm×50mm;网格划分数：650个;应力分析模式：平面应力;加载方式：单轴压缩;加载条件：位移控制加载;分析步时长：1;最大增量步：0.01;实验内容：（1）应力—应变曲线;（2）强度;（3）破坏模式。

图1为Abaqus单轴压缩数值模拟实验与室内试验效果对比图。数值仿真实验与室内实验单轴抗压强度误差小于3%，数值仿真实验破裂成果与室内实验一致，因此，学生可以利用Abaqus软件进行岩石的数值仿真压缩实验，对实验结果展开理论分析，更深入了解岩石的变形破坏机理。

虚拟数值仿真实验既可保证实验的安全性，又能增强实验的可操作性。学生可以通过在Abaqus软件的属性操作界面改变岩石的基础属性;在荷载界面改变荷载设置，进而模拟出不同的加载工况，对比总结岩石在不同工况下的力学特性。

通过在合理范围内改变某项岩石的性质参数，保证学生作业的差异性，进而达到保障学生独立完成度的目的。此外，除了单、三轴试验的模拟，还可以进行由于实验室条件不足与实验室安全要求等原因，未进行的井壁失稳等实验的数值模拟仿真实验，通过给定的地层信息（如地层压力梯度、地温梯度、岩石泊松比等），进行井壁失稳等井筒完整性失效情况的模拟仿真实验，通过模拟不同地层条件下不同的井筒完整性失效情况的数值仿真模拟，达到提高学生参与度，独立完成作业的程度与小组讨论效果的目的，同时，将理论与实际案例结合，进一步达到提高学生理论结合实践的能力，为学生今后的科研与工作奠定基础。

结语

本研究通过将数值仿真实验教学方法引入到“海洋油气工程岩石力学基础”教学当中，形成“海洋油气工程岩石力学基础”数值仿真教学资料，包括教学讲义、教案、仿真案例与上机指导等。解决了由于实验室条件，设备数量与实验室安全性的限制，进一步提高了学生的参与度与独立完成的程度。同时，通过教学实践帮助学生更好地理解岩石破坏问题的本质，以及石油工程中涉及的典型岩石破坏问题，深化学生对相关工程问题的认识，培养学生对数值仿真技术的兴趣，提升学生将理论与实际结合的能力，稳固学生今后科研工作的基础。同时，还可以推动数值仿真实验在本校教学中的应用，为本学科及其他相关学科的教学改革提供借鉴。

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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