符力耘教授团队:高温高压岩石弹-粘-塑非线性变形流变模型

【JGR: Solid Earth】中国石油大学（华东）符力耘教授团队佳文推荐丨高温高压岩石弹-粘-塑非线性变形的统一流变模型

标题：Unified Nonlinear Elasto-Visco-Plastic Rheology for Bituminous Rocks at Variable Pressure and Temperature

中文翻译：高温高压岩石弹-粘-塑非线性变形流变模型

期刊：Journal of Geophysical Research: Solid Earth

通讯作者：符力耘教授，中国石油大学（华东）

原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JB029295

发表日期：2025年3月8日

摘要：

传统高温高压岩石非线性变形流变建模通常依赖经验性时间相关假设或简化理论框架，导致实验结果难以外推至实际地质条件，且无法准确表征高温高压敏感岩石（含软物质和软结构）的温压耦合非线性本构关系。本文提出了一种基于拉格朗日连续介质力学框架的高温高压非线性岩石流变模型，实现了含软物质（如沥青）岩石的非线性本构关系精确建模，并在变温变压沥青砂实验中得到验证。

该模型具有广泛适用性，可用于描述孔弹性或粘弹性材料的任意准静态变形。应用于富含沥青岩石时，该模型成功地对沥青砂的线性与非线性蠕变实验数据进行了精确建模。通过对实验观测数据的反演，得到了多个具有物理意义的材料属性，这些属性与加载应力和温度密切相关。通过在应变-应变率平面上呈现数据，可有效区分三种不同的变形机制：粘弹性、线性塑性（牛顿流体）和非线性塑性（非牛顿流体）。

该模型能够在无需假设材料时间依赖性经验属性的前提下，准确预测由其派生的所有蠕变行为。此外，模型预测了若干新的实验现象，包括快速卸载、时间依赖合规性、应力松弛、任意控制应变变形、恒定应变率变形等。在恒定应变率实验中，测量的峰值应力可作为非线性蠕变启动的指标。对于固定温度条件下，这些峰值应力在应力-应变平面上呈现出一致的线性关系，且与岩石的物理特性密切相关。

亮点

1、提出了一种基于拉格朗日力学高温高压岩石弹-粘-塑非线性变形的统一流变模型，描述含流体与沥青材料的高温高压本构行为；

2、该模型无需经验假设和近似，能精准拟合现有及新的实验数据；

3、通过对沥青砂非线性蠕变实验数据的模拟与反演，揭示了材料的高温高压力学变形行为。

图1 应变-应变速率相平面状态空间的弹-粘-塑岩石形变分解示意图。

本研究创新性地引入拉格朗日力学框架，通过构建应变（ε）与应变速率（dε/dt）的相平面状态空间，将岩石变形分解为三个独立动态变量：E1主导的弹性变形、E2与η2耦合的粘弹性响应、η3（ε）主导的非线性塑性流动（图1）。

图2 不同压力（a）和不同温度（b）实际数据的相平面建模。

通过理论推导与实际数据验证（图2），这种建模方式实现了：

· 状态唯一性：应力仅由当前应变和应变速率决定，无需假设时间相关性

· 多机制解耦：在相平面上清晰区分弹性、粘弹性、线性/非线性塑性变形阶段

· 多加载模式预测：通过实验数据反演获得样品物性参数，可预测任意准静态加载条件下的响应特征（图3-6）

图3 对图2中蠕变实验后的快速卸载模拟

图4 对实验样本进行的静态应力松弛模拟

图5 对不同压力实验样本进行恒定应变速率变形的应力-应变轨迹建模

图6 对不同温度实验样本进行恒定应变速率变形的应力-应变轨迹建模

结论

本文提出了一种基于严密力学原理的高温高压岩石弹-粘-塑非线性变形的统一流变模型，适用于具有显著非线性效应的岩石材料。该模型的核心观点是岩石的变形行为可由三个独立的动态变量来表征，这些变量分别在弹性、黏弹性和塑性变形阶段激活。为验证该模型的适用性，本文开展了系统的实验验证与反演分析，对合成沥青砂的蠕变实验数据进行了深入研究，分析其在不同实验条件下的流变行为。合成沥青砂可作为油砂岩或油藏岩石的类比材料，本文研究具有重要的实际意义。

将不同温度和恒定有效载荷应力条件下的典型蠕变实验曲线转换到应变-应变速率平面上，可识别出三个动态内部变量，明确划分了弹性、黏弹性以及线性与非线性塑性变形区域。本文进一步定义了一种拉格朗日模型，该模型通过考虑弹性和粘性特性，结合反演的弹性非线性和非牛顿粘度参数，描述了材料的两个弹性模量和两个粘性特性，使模型能够精确拟合原始蠕变实验数据以及其他各类实验条件下的观测数据。

该研究成果为高温高压复杂地质条件下的超深层油气勘探开发、地热资源开发、热驱采油及深部地球科学研究提供了全新的理论工具。

原文出处

Li,N.,Morozov,I. B.,Fu,L.-Y., &Deng,W.(2025).Unified nonlinear elasto-visco-plastic rheology for bituminous rocks at variable pressure and temperature.Journal of Geophysical Research: Solid Earth,130, e2024JB029295.https://doi.org/10.1029/2024JB029295