一种描述胶凝原油蠕变全程的损伤模型_刘刚

收稿日期：2012－04－22

基金项目：国家自然科学基金项目（50904077）；中国石油科技创新基金（2010D －5006－0606）作者简介：刘刚（1975－），男（汉族），山东聊城人，教授，博士，主要从事油气长距离管输技术研究。

文章编号：1673-

5005（2012）06-0137-05一种描述胶凝原油蠕变全程的损伤模型

刘

刚1

，陈

雷1，徐贝贝2，张国忠

1(1．中国石油大学储运与建筑工程学院，山东青岛266580;2．中海石油气电集团有限责任公司，北京100027)摘要：根据统计力学原理，将连续损伤因子引入到虎克体中，得到与损伤耦合的非线性虎克体的本构方程，将得到的非线性虎克体模型与含有塑性体的NVPB 模型串联，得到一个新的描述胶凝原油加速蠕变阶段的模型，编制拟合函数对试验数据进行拟合。对不同结构强度的胶凝原油蠕变过程进行拟合，分析模型中参数的变化规律及其实际物理意义。结果表明：该模型可以较为精确地描述胶凝原油非线性黏弹塑性剪切流变全程曲线；新模型结构简单、物理意义明确、精度高。

关键词：胶凝原油；损伤模型；蠕变；黏弹塑性中图分类号：TE 832．3

文献标志码：A

doi ：10．3969/j．issn．1673-5005．2012．06．025

A damage model for describing whole creep process of gelled crude oils

LIU Gang 1，CHEN Lei 1，XU Bei-bei 2，ZHANG Guo-zhong 1

（1．College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum ，Qingdao 266580，China ；

2．CNOOC Gas ＆Power Group ，Beijing 100027，China ）

Abstract ：Based on statistical mechanics ，continuous damage factor was introduced to elastic element to deduce a constitutive equation of nonlinear elastic element coupling the damage ，then the nonlinear elastic element was integrated with the nonlinear viscoplastic body （NVPB ）model to establish a new rheological model for gelled crude oils．The model could well describe the accelerating creep stage．A function was complied to fit the experimental data．The creep process of gelled crude oils with dif-ferent structure strength was fitted．The change rules of the model parameters were analyzed to verify the actual physical mean-ing of the parameters．The results show that the model could fully describe the whole creep process of gelled crude oils precise-ly．The new model has simple structure ，clear physical meaning and high precision．Key words ：gelled crude oil ；damage model ；creep ；viscoelastic plasticity

李传宪

［1］

用描述黏弹性流体的蠕变模型对非

线性黏弹性蠕变曲线进行拟合，其适用性受限。Ge-mant ［2］通过试验研究建议在构造材料模型时采用分数阶导数，

Shestopal 等［3］

将分数阶导数引入Maxwell 体和Kelvin 体，王志方

［4］

引入分数阶导数描述胶凝

原油蠕变特性，效果较好。关于非线性黏弹性本构关系的研究，更多的是通过不同的方法和手段建立非线性黏弹性本构方程，如多重积分型本构关系、单积分本构方程、含折算时间的单积分本构关系、

Rabotnov 模型、分数微积分模型［5-7］等。徐卫亚等

［8］

建立能够反映多种流变性的黏塑性体（NVPB 模

型），使用多种元件（线性和非线性元件）组合的方

法来反映各种变形共存的岩石流变过程。熊良霄等

［9］

通过将Bingham 体中的线性黏滞体转换为时间和应力的衰减函数，得到了硬脆岩的非线性黏弹塑性流变模型，这为胶凝原油非线性黏弹塑性的描述

提供了思路。刘玉石等［10］

应用损伤力学理论，建立了节理裂隙岩体的弹性损伤－断裂力学模型。Heusermann ［11］利用LUBBY2模型研究了盐岩的应变硬化和时间硬化，损伤力学理论越来越多地应用

到岩石、金属等材料的蠕变本构模型研究［12-14］

中。Cazaux 等［15］发现原油内蜡晶的分布并不均匀且存

2012年第36卷

中国石油大学学报(自然科学版)Vol．36No．6第6期

Journal of China University of Petroleum Dec．2012