Numerical modeling of plastic deformation and failure around a wellbore in compaction and dilation modes

Abstract

Summary In many wellbore stability analyses, the ability to forecast both the occurrence and extent of plastic deformation and failure hinges upon a fundamental understanding of deformation mode and failure mechanism in the reservoir rock. This study focuses on analyzing plastic zones, localized deformations, and failures around a borehole drilled overbalanced or underbalanced through a highly porous rock formation. Based on several laboratory experiments, porous rocks are prone to deform under both shear‐induced dilation and shear‐enhanced compaction mechanisms depending on the stress state. The shapes of the deformation and failure patterns around the borehole are shown, depending on the initial stress state and the local stress paths. The inquiry of the local stress paths in the near‐wellbore zone facilitates the understanding of the reasons for different types of failure mechanisms, including the mixed‐mode and the plastic deformation structures. The modification of the 2D plane strain condition by imitating third stress in the numerical scheme helps us bring the stress paths closer to the real state of loading conditions. Our modeling reveals that the transition from isotropic to anisotropic stress state is accompanied by an increase in the deviatoric part of effective shear tensor that leads to the development of inelastic deformation, degradation, and subsequent rock failure. Particular interest is devoted to the modeling of strain localization especially in compaction mode around a wellbore and computing the amount of stress concentration at the tips of dog‐eared breakouts. Stress concentration can result in a change in irreversible deformation mode from dilatancy to compaction, elucidating the formation of the shear‐enhanced compaction phenomenon at the failure tips in the direction of the minimum horizontal stress.

The Numerical study of the influence of a two-scale pore structure on the dynamic strength of water-saturated concrete

“…Отметим при этом, что неупругое поведение мезомасштабных объемов цементного камня при нагружении обусловлено, главным образом, возникновением, накоплением и ростом повреждений микро-и наноскопического масштабов. Поэтому для описания релаксации напряжений и накопления неупругой деформации в этом компоненте бетона использовался неассоциированный закон пластического течения с критерием Мизеса -Шлейхера (модель Николаевского) [33], широко применяемый для хрупких природных и искусственных материалов [35,36].…”

Nonlinear Mechanical Effect of Free Water on the Dynamic Compressive Strength and Fracture of High-Strength Concrete

“…We applied the non-associated plastic flow law with the Mises–Schleicher yield criterion (Nikolaevsky’s model) [ 62 , 63 , 80 ] to describe stress relaxation and accumulation of inelastic strains in the cement stone. This model is widely used for natural and artificial brittle materials [ 81 , 82 ]. The effect of pore pressure in the volume of a discrete element that simulates a cement stone on its inelastic mechanical behavior is taken into account using a modified formulation of the Mises–Schleicher yield criterion (Equation (10)): where α is the internal friction coefficient, Y is cohesion (yield stress under simple shear loading), and is the equivalent (Mises) stress.…”

Моделирование Полос Локализации Деформаций В Пороупругопластическом Теле С Использованием Метода Спектральных Элементов На Графических Процессорах

“…Отличительной особенностью данной модели является двустороннее сопряжение между механическими процессами, происходящими в пористой упругопластической матрице и насыщающей вязкой жидкости, позволяющее учитывать как влияние изменения порового давления в жидкости на напряженно-деформированное состояние пористого скелета горной породы, так и обратное влияние изменения формы порового пространства (в результате деформаций скелета) на поровое давление в жидкости и, как следствие закона Дарси, на скорость перетока жидкости внутри пористой горной породы. Для моделирования накопления упругопластистических деформаций в теле с последующим развитием зон их локализации (полос скольжения) используется теория течения с неассоциированным законом пластичности по модели Друкера-Прагера [5,8,12], позволяющая учитывать различие в значениях угла внутреннего трения и угла дилатансии для большинства типов горных пород, а также объемные пластические деформации. Кроме того, в рамках рассмотренной модели пороупругопластичности учитывается нелинейная зависимость параметров модели (модули упругости, модуль Био, проницаемость и другие) от пористости, которая, в свою очередь, зависит от объемной деформации скелета.…”