学年校历
近期，我们周博教授团队在石油与地质工程领域的力学理论与数值方法等方面取得新进展。相关研究成果以“MSDM-MHBS: A novel multi-scale damage constitutive model for methane hydrate-bearing sediments considering the influence of fine”发表在期刊《Computers and Geotechnics》（SCI，中科院1区）；以“A semi-analytical method for the stress distribution around a borehole with multiple casings and cement sheaths”和“Mechanical model of the casing sidetracking tool system considering weight on bit and axial displacement”发表在期刊《Geoenergy Science and Engineering》（SCI，中科院2区）；以“Numerical and experimental study on the performance of an electromagnetic energy harvester distributed along drill-string”发表在期刊《International Journal of Mechanical Sciences》（SCI，中科院1区）；以“A novel shear damage model of the shear deformation and failure process of gas hydrate-bearing sediments”发表在期刊《Journal of Zhejiang University-Science A》（SCI，中科院2区）。
上述期刊均为石油与地质工程等领域的著名期刊；上述论文的通讯作者均为周博教授，第一作者为贾朋副教授、朱秀星副教授、王辉（研究生）等人，太阳集团网址8722为第一署名单位和唯一通讯单位。
1.考虑细小影响的含甲烷水合物沉积物多尺度损伤本构模型
研究提出了一个针对甲烷水合物沉积物中键合单元弹性参数的三步均质化模型，考虑了具有不同力学性质和孔隙度的微观组分的影响。模型有效地模拟了由甲烷水合物沉积物和细粒颗粒存在所引起的非线性、应变硬化和应变软化特性。此外，它在不引入额外模型参数的情况下建立了跨尺度关系，为甲烷水合物沉积物的变形机制提供了有价值的见解，并为未来安全开采甲烷水合物提供了理论基础。
图1 甲烷水合物沉积物细观变形机制的离散元模拟
2. 用于分析多套管水泥环结构应力的半解方法
研究开发了一种半解析方法来预测具有多个套管和水泥护套的套管钻孔周围的应力分布。所开发的方法克服了有限元模拟的应力场不连续的局限性。此外，该方法具有简单的公式表达式，使其在实际应用中更加方便和准确。数值结果表明，该方法能够有效预测多套管和多水泥护套的钻孔系统周围的应力分布。
图2 半解析方法与有限元方法的对比
3. 钻柱电磁能量收集器性能的数值与实验研究
研究结合离心软化效应和带间隙的振荡器，提出一种双稳态电磁能量收集器（EMEH），以增强钻柱低频旋转时的能量收集性能。利用有限差分法和拉格朗日方程建立了EMEH与钻柱耦合系统的离散动力学方程。通过模型试验验证了数值模拟的准确性，并通过数值模拟分析了阻尼、激励幅值、转速和重力对单个EMEH性能的影响。数值结果表明，EMEH的谐振频率与激励幅值和转速有关，单台电磁辐射发生器的输出功率可以满足大多数井下传感器的功率需求。
图3 石油和天然气钻井过程中的井下无线传感和通信中继系统
4. 考虑钻压和轴向位移的套管侧钻工具系统力学模型
研究采用分段刚化法，建立了侧钻工具系统的载荷-位移方程，该方程描述了磨鞋的力-位移关系。推导了考虑钻压（WOB）的侧钻工具系统应力方程，能够更有效地描述应力分布特征及其影响因素。通过数值模拟和数据拟合，获得了柔性接头轴向位移函数，并建立了侧钻窗口轮廓方程来表达轴向位移的影响。该研究为设计更有效、更精确地控制侧钻窗口形状的侧钻工具系统提供了理论依据和计算工具。
图4 包括钻柱主要部件的侧钻工具系统
5.含天然气水合物沉积物剪切变形和破裂过程的新型剪切损伤模型
研究通过分析剪切变形的微观机制和破坏特征，提出了一种基于均质化理论和改进的Mohr-Coulomb准则的剪切损伤模型，探讨了模型参数的物理意义并详细分析了剪切过程中天然气水合物沉积物内部的损伤演化和剪应力分配规律。结果表明，该剪切损伤模型能够更好地描述天然气水合物沉积物内部在剪切过程中的损伤演化和剪应力分配机制，从而能够反映天然气水合物沉积物的非线性变形和应变软化特性。
图5 剪切过程中含天然气水合物沉积物的剪应力分配及损伤演化
