深部巖體力學(xué)參數(shù)特征化方法研究及應(yīng)用

　　本書的主要創(chuàng)新成果包括以下幾個方面。①針對資源高效開發(fā)利用鉆井時所引起的地面變形情況，采用有限差分方法，通過結(jié)合有限差分商業(yè)軟件（FLAC3D），建立油氣生產(chǎn)時資源儲層及圍巖的溫度場-滲流場-應(yīng)力場（THM）耦合的儲層壓縮變形導(dǎo)致地面移動的數(shù)值計算模型，揭示在多場耦合作用下深部巖體的變形演化機(jī)制。②針對資源高效開發(fā)利用鉆井時所引起的井筒圍巖變形，采用離散單元法，通過結(jié)合商業(yè)離散元軟件（UDEC），建立從宏觀上描述裂隙巖體中裂隙網(wǎng)絡(luò)開裂、延伸和貫通與多場耦合效應(yīng)的非線性特征的地質(zhì)力學(xué)數(shù)值計算模型，對深部工程不同方式鉆井時井壁的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。同時，在不同巖體力學(xué)參數(shù)情況下，深部巖體工程的巖體力學(xué)行為得到描述，將巖體力學(xué)參數(shù)與巖體力學(xué)行為之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定量描述，同時將定量化的數(shù)據(jù)收集整理形成人工智能巖體力學(xué)參數(shù)特征化的機(jī)器學(xué)習(xí)樣本。③針對人工水壓致裂造縫提高資源采收率的問題，本書對工程巖體在反復(fù)注入液體作用下產(chǎn)生裂隙的機(jī)制開展了研究。基于離散單元法的Fish語言構(gòu)建了深部裂隙巖體的溫度場-滲流場-應(yīng)力場（THM）多場耦合地質(zhì)力學(xué)模型，采用該模型研究了考慮天然裂隙的分布及影響的水壓致裂造縫機(jī)制及過程，這與實際工程更為接近。通過模擬分析巖體力學(xué)參數(shù)對水壓致裂巖體的變形及井底孔隙壓力變化的影響，找出巖體力學(xué)參數(shù)與巖體力學(xué)行為之間的線性/非線性關(guān)系，從而揭示深部裂隙巖體在注入流體人為活動的變形破壞機(jī)制，同時為開展深部儲層和圍巖巖體力學(xué)參數(shù)特征化，提供了理想的人工智能反演模型機(jī)器訓(xùn)練樣本和驗證樣本。④結(jié)合數(shù)值模擬和人工智能技術(shù)建立了人工智能多參數(shù)特征化反演模型，實現(xiàn)了基于監(jiān)測的場地信息對巖體力學(xué)參數(shù)特征化的研究。通過將識別到的參數(shù)代入建立的正演模型中，對工程巖體力學(xué)行為進(jìn)行分析。人工智能的結(jié)果，以及數(shù)值計算結(jié)果、現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和人工智能預(yù)測結(jié)果表明，采用人工智能巖體力學(xué)參數(shù)特征化反演模型獲得的巖體力學(xué)參數(shù)是有效的和等效準(zhǔn)確的。這為定量化深部巖體力學(xué)參數(shù)提供了新方法，同時為進(jìn)一步認(rèn)識深部資源的高效開采規(guī)律提供了技術(shù)支持。在項目的實施和應(yīng)用過程中，解決了從宏觀層面上描述裂隙網(wǎng)絡(luò)演化與多場耦合效應(yīng)的非線性特征，為認(rèn)識裂隙巖體的斷裂損傷破壞演化機(jī)制和進(jìn)行裂隙巖體工程穩(wěn)定性評價提供了理論基礎(chǔ)。同時，結(jié)合現(xiàn)場能監(jiān)測到的場地信息，采用人工智能技術(shù)，建立壓力和位移多參數(shù)特征化反演分析模型，為解決在地下工程設(shè)計、施工、維護(hù)、評價和數(shù)值模擬中地下工程巖體的巖體力學(xué)參數(shù)獲取這一科學(xué)難題提供了新的分析方法。本書為項目研究工作的系統(tǒng)總結(jié)，由7章組成。第1章介紹了深部巖體力學(xué)與工程的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及本書的研究內(nèi)容和特色。第2章介紹了深部巖體力學(xué)的概念和評價體系、工程巖體特性，以及深部工程中亟須解決的難題。第3章介紹了人工智能預(yù)測和反演識別模型的相關(guān)理論，并給出相應(yīng)算例分析。第4章介紹了基于地面位移的巖體力學(xué)參數(shù)識別研究。第5章模擬分析了井壁穩(wěn)定性，并介紹了基于井壁變形的巖體力學(xué)參數(shù)特征化研究。第6章模擬分析水力壓裂過程，介紹了基于井底壓力反演巖體力學(xué)參數(shù)的研究內(nèi)容。第7章是結(jié)論與展望部分。本書在出版過程中得到了河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目“深部裂隙巖體凍壓裂破壞機(jī)理及巖體力學(xué)參數(shù)特征化研究”（No.2018GGJS122）、河南省自然科學(xué)基金項目“裂隙巖體凍損傷演化機(jī)理與地質(zhì)力學(xué)參數(shù)特征化方法研究”（No.182300410160）、河南省重點科技攻關(guān)計劃項目“非常規(guī)油氣儲層巖體凍破壞機(jī)理及其地質(zhì)力學(xué)參數(shù)反演識別研究” （No.182102310804）、中國博士后科學(xué)基金面上項目“深部裂隙巖體破壞機(jī)理及巖體力學(xué)參數(shù)特征化研究”（No.2016M602259）、河南省高等學(xué)校重點科研項目“基于人工智能技術(shù)的深部巖體力學(xué)參數(shù)特征化研究”（No.20B560002）等項目的資助，在此，衷心感謝中國博士后科學(xué)基金委員會、河南省科學(xué)技術(shù)廳、河南省教育廳等有關(guān)部門給予的支持。

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