Mô hình vi cơ học ba quy mô cho mô hình hóa hư hỏng đàn hồi – dẻo của đá shale

Acta Geotechnica - Tập 15 - Trang 3525-3543 - 2020
F. Farhat1, W. Q. Shen1, S. Y. Xie1, J. F. Shao1, H. Pourpak2, K. Su2
1University of Lille, CNRS, Ecole Centrale Lille, LaMcube, UMR9013, Lille, France
2TOTAL Scientific and Technical Center, Pau, France

Tóm tắt

Bài báo này tập trung nghiên cứu hành vi hư hỏng đàn hồi – dẻo của đá shale không đồng nhất. Cấu trúc vi mô đại diện của loại đá này được nghiên cứu trước tiên nhằm xác định thể tích nguyên tố đại diện cho quá trình đồng hóa. Ba quy mô vật liệu liên quan được xem xét. Các lỗ rỗng giữa các hạt được phân bố ở quy mô nan. Các hạt tinh thể calcite và kerogen được hòa nhập ở quy mô vi mô. Các hạt lớn của khoáng chất được nhúng ở quy mô meso. Các tính chất đàn hồi hiệu quả của đá shale được xác định trước tiên bằng cách sử dụng quy trình đồng hóa tuyến tính ba bước. Hành vi hư hỏng dẻo được ước lượng bằng cách phát triển một phương pháp đồng hóa phi tuyến ba bước. Hành vi dẻo hiệu quả của ma trận đất sét xốp với lỗ rỗng nan được mô tả bằng một mô hình phân tích. Các tác động của các hạt nhỏ và lớn từ nhiều loại khoáng chất được điều tra bằng cách sử dụng một mô hình gia tăng hai bước. Hư hỏng do sự tách rời tiến triển của các khoáng chất cũng được xem xét. Sau khi triển khai mô hình được đề xuất, các so sánh giữa kết quả số và dữ liệu thực nghiệm được trình bày.

Từ khóa

#đá shale #hư hỏng đàn hồi–dẻo #mô hình vi cơ học #đồng hóa #lỗ rỗng nan

Tài liệu tham khảo

Abedi S, Slim M, Hofmann R, Bryndzia T, Ulm FJ (2016a) Nanochemo-mechanical signature of organic-rich shales: a coupled indentation-edx analysis. Acta Geotech 11:559–572 Abedi S, Slim M, Ulm FJ (2016b) Nanomechanics of organic-rich shales: the role of thermal maturity and organic matter content on texture. Acta Geotech 11:775–787 Abou-Chakra Guéry A, Cormery F, Shao JF, Kondo D (2008) A micromechanical model of elastoplastic and damage behaviour of a cohesive geomaterial. Int J Solids Structures 45:1406–1429 Abou-Chakra-Guery A, Cormery F, Shao JF, Kondo D (2010) A comparative micromechanical analysis of the effective properties of a geomaterial: effect of mineralogical compositions. Comput Geotech 37:585–593 Ahmadov RSO (2011) Microtextural, elastic and transport properties of source rocks. PhD thesis, Standford university Bennett KC, Berla LA, Nix WD, Borja RI (2015) Instrumented nanoindentation and 3d mechanistic modeling of a shale at multiple scales. Acta Geotech 10:1–14 Bennett KC, Luscher DJ, Buechler MA, Yeager JD (2018) A micromechanical framework and modified self-consistent homogenization scheme for the thermoelasticity of porous bonded-particle assemblies. Int J Solids Struct 139–140:224–237 Bobko CP (2008) Assessing the mechanical microstructure of shale by nanoindentation: the link between mineral composition and mechanical properties. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge MA Borja RI, Yin Q, Zhao Y (2020) Cam-clay plasticity. Part ix: on the anisotropy, heterogeneity, and viscoplasticity of shale. Comput Methods Appl Mech Eng 360:112695 Bornert M, Bretheau T, Gilormini P (2001a) Homogénéisation en mécanique des matétriaux 1. Matériaux aléatoires élastiques et milieux périodiques, Hermes Sciences Europe Ltd Boulenouar A, Mighani S, Pourpak H, Bernabé Y, Evans B (2017) Mechanical properties of vaca muerta shales from nano-indentation tests. San Francisco, CA, 51th U.S. Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, ARMA Brown JM, Abramson EH, Angel RJ (2006) Triclinic elastic constants for low albite. Phys Chem Miner 33:256–265 Dai LH, Huang GJ (2001) An incremental micromechanical scheme for nonlinear particulate composites. Int J Mech Sci 43:1179–1193 Delafargue A (2004) Material invariant properties of shales: nanoindentation and microporoelastic analysis. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA Doghri I, Ouaar A (2003) Homogenization of two-phase elastoplastic composite materials and structures: study of tangent operators, cyclic plasticity and numerical algorithms. Int J Solids Struct 40:1681–1712 Farhat F, Shen WQ, Shao JF (2017) A micro-mechanics based viscoplastic model for clayey rocks. Comput Geotech 89:92–102 Gathier B (2008) Multiscale strength homogenization-application to shale nanoindentation. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA Hashin Z, Shtrikman S (1963) A variational approach to the theory of the elastic behaviour of multiphase materials. J Mech Phys Solids 11(2):127–140 Hill R (1965) Continuum micro-mechanicsof elastoplastic polycrystals. J Mech Phys Solids 13:89–101 Hornby B, Schwartz L, Hudson J (1994) Anisotropic effective medium modeling of the elastic properties of shales. Geophysics 59:1570–1583 Jakobsen M, Hudson JA, Johansen TA (2003) T-matrix approach to shale acoustics. Geophys J Int 154:533–558 Ju JW, Lee HK (2000) A micromechanical damage model for effective elastoplastic behavior of ductile matrix composites considering evolutionary complete particle debonding. Comput Methods Appl Mech Eng 183:201–222 Kumar V, Curtis ME, Gupta N, Sondergeld CH, Rai CS (2012) Estimation of elastic properties of organic matter in woodford shale through nanoindentation measurements. In SPE Canadian unconventional resources conference, society of petroleum engineers, Calgary, Alberta, Canada, 30 October–1 November Lide DR (2004) Handbook of chemistry and physics. CRC Press, New York Lucier AM, Hofmann R, Bryndzia LT (2011) Evaluation of variable gas saturation on acoustic log data from the haynesville shale gas play, nw louisiana, usa. Lead Edge 30:300–311 Mori T, Tanaka K (1973) Average stress in a matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions. Acta Metall Mater 42:597–629 Niandou H, Shao JF, Henry JP, Fourmaintraux D (1997) Laboratory investigation of the mechanical behaviour of tournemire shale. Int J Rock Mech Min Sci 34:3–16 Qin X, Han DH, Zhao L (2014). Rock physics modeling of organic-rich shales with different maturity levels. In: SEG technical program expanded abstracts Semnani SJ, White JA, Borja RI (2016) Thermoplasticity and strain localization in transversely isotropic materials based on anisotropic critical state plasticity. Int J Numer Anal Meth Geomech 40:2423–2449 Shen WQ, Shao JF (2015) A micro-macro model for porous geomaterials with inclusion debonding. Int J Damage Mech 24:1026–1046 Shen WQ, Shao JF (2016) An incremental micro-macro model for porous geomaterials with double porosity and inclusion. Int J Plast 83:37–54 Shen WQ, Shao JF, Kondo D, Gatmiri B (2012) A micro-macro model for clayey rocks with a plastic compressive porous matrix. Int J Plast 36:64–85 Shen WQ, Kondo D, Dormieux L, Shao JF (2013) A closed-form three scale model for ductile rocks with a plastically compressible porous matrix. Mech Mater 59:73–86 Shen WQ, Zhang J, Shao JF, Kondo D (2017) Approximate macroscopic yield criteria for Drucker-Prager type solids with shperoidal voids. Int J Plast 99:221–247 Su K, Onaisi A, Galeazzi S (2014) Geomechanical characterization and fracability assessment of the vaca muerta shale play. Mendoza City, Argentina, 3–7 November, CONEXPLO Tohgo K, Weng GJ (1994) A progress damage mechanics in particle-reinforced metal-matrix composites under high triaxial tension. J Eng Mater Technol 116:414–420 TOTAL. http://csr-analysts.total.com. TOTAL (2012) Geomechanical characterization of Vaca Muerta gas shale formation in view of hydraulic fracturing stimulation Weibull W (1951) A statistical distribution function of wide applicability. J Appl Mech 18:293–297 Zeszotarski JC, Chromik RR, Vinci RP, Messmer MC, Michels R, Larsen JW (2004) Imaging and mechanical property measurements of kerogen via nanoindentation. Geochim Cosmochim Acta 68:4113–4119 Zhang Q, Choo J, Borja RI (2019) On the preferential flow patterns induced by transverse isotropy and non-darcy flow in double porosity media. Comput Methods Appl Mech Eng 353:570–592 Zhao Y, Semnani SJ, Yin Q, Borja RI (2018) On the strength of transversely isotropic rocks. Int J Numer Anal Meth Geomech 42:1917–1934 Zhao YH, Weng GJ (1995) A theory of inclusion debonding and its influence on the stress-strain relations of a ductile matrix. Int J Damage Mech 4:196–211