异常高压气藏应力敏感性研究

 克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏,属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏,在衰竭式开采过程中,地层压力逐渐下降,作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变,产生应力敏感,使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小,从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能,给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此,设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法,以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象,进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明,初始渗透率越低,则应力敏感性越强,孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时,通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线,定量描述地层压力降低后,岩石出现永久塑性变形的特征,这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的,对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。     

疏松砂岩地层套管应力变化三维仿真分析

油田开采到中后期，疏松砂岩地层油井套管损坏愈来愈突出，出砂已成为影响油井产能和损害设备的严重问题。为此针对油田的实际情况，分析疏松砂岩地层的出砂机理，建立了套管、水泥环和地层的三维有限元模型。模型中采用了基于Mohr-Coulomb屈服面的弹塑性本构关系，利用有限元法研究在地层参数一定的条件下，当出砂量变化时，出砂部位、出砂周围区域及射孔孔眼处套管应力变化情况。研究结果表明：随井深和出砂量的加大，套管管体和射孔孔眼处的轴向应力和有效应力都明显增大。这为研究疏松砂岩地层套管的损害机制及防治措施提供了理论依据。     

高水平应力差下水平井螺旋射孔参数优化研究

在压裂施工中,射孔是一个重要环节。射孔能够降低岩石破裂压力,减少近井筒缝网结构的复杂性,有利于水力压裂之后的油井增产。通过开展大尺寸真三轴室内实验,研究水平应力差大小以及在高水平应力差下射孔相位、射孔密度和射孔簇间距对于裂缝的形态、裂缝面的扩展和岩石破裂压力的影响。实验证明:在高水平应力差下,由于地层的各向异性,导致地层的能量不稳定性,有利于相邻裂缝扩展的相互影响,减少近井筒附近的裂缝的复杂性,同时减少岩石的破裂压力;在高水平应力差下,射孔相位增大时,射孔间距变大,不利于相邻裂缝的沟通,增加了近井筒裂缝的复杂的可能性。通过物模实验表明,与射孔相位为90°相比,射孔相位为60°形成的单一平整裂缝扩展面更有利于油井增产,同时岩石破裂压力更小,有利于水力压裂;射孔簇间距适当增加,能够减少两簇之间的相互影响,能够增加多簇同时起裂的可能性,同时还能增加射孔过程中总的射孔起裂数量;射孔密度增加还能减少孔间距,减少相邻射孔之间相互影响的能量,减少近井筒裂缝的复杂性,同时还能够有效地减少岩石破裂压力。     

页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂数值模拟研究

为明确页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂机制,利用Abaqus有限元计算软件,建立三维单级三簇射孔和单射孔段(包含天然裂缝)的压裂裂缝起裂计算模型,研究地应力、井筒方位、射孔参数以及天然裂缝等对裂缝起裂压力和位置的影响。结果表明:裸眼射孔的起裂压力远低于套管射孔;起裂压力随最小水平地应力的增加而增大,但影响程度受垂向地应力与最小水平地应力的比值控制;最大水平地应力和垂向地应力的变化对起裂压力影响不显著;起裂压力大致随井筒方位角的增加而减小,当存在天然裂缝时,起裂压力没有任何线性规律,天然裂缝在剪应力区易发生剪切滑移起裂;起裂压力随射孔方位角的增加先减小后增大,射孔方位角的变化严重影响裂缝的起裂形态;起裂位置与最小和最大水平地应力、井筒方位角和天然裂缝的胶结强度、方位密切相关;由于内部射孔受到两侧射孔产生的沿井筒方向的附加应力干扰,闭合应力增加,因而更难起裂,导致起裂次序从端部射孔开始向中部射孔发展,当应力差较高(>7 MPa)时,附加应力干扰明显,要实现多射孔的多裂缝起裂扩展,需提高注入压力;起裂位置在射孔孔道中的变化是射孔根部应力集中强度与远端受射孔附加应力干扰程度相互竞争的结果;由于射孔簇间距较大,射孔簇间的应力干扰对裂缝起裂影响微弱,各射孔簇压力分布相似。     

考虑状态相关的砂土非正交弹塑性本构模型

砂土的力学特性具有显著的状态相关性，主要体现为不同应力状态与密实状态下砂土的变形特性具有显著差异。合理的状态相关硬化规律与剪胀规律描述是反映砂土状态相关变形特性的基础。提出了能够有效描述砂土等向压缩规律与临界状态规律的微分表达式，并基于等向压缩硬化规律建立了状态相关因子ω，发展了砂土状态相关的硬化参数H，旨在合理确定塑性应变增量的大小；在利用非正交塑性流动法则确定塑性应变增量的方向的过程中，引入了状态变量ψ对分数阶次μ的影响，从而考虑了塑性应变增量方向的状态相关性，合理地描述了砂土的状态相关剪胀性。进一步，结合引入了状态变量的Hooke定律，确定了弹性应变增量，从而发展得出能够描述砂土状态相关特征的非正交弹塑性本构模型。通过合理预测Toyoura砂的常规三轴排水及不排水试验结果，验证了所建模型能够有效捕获砂土的状态相关力学特性。     

包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型

首先简要介绍了建立弹塑性本构模型的热力学方法,它不仅具有紧凑的数学结构,而且自动满足热力学定律.基于砂土变形的微观力学机制,将砂土的塑性体积应变增量分 为"应力诱发的体积应变增量"和"剪切应变诱发的塑性体积应变增量"(即Reylonds剪胀)两部分,自然地将与Reylonds剪胀相关的零功约束引入到弹塑性土体模型的热力学超塑性公式中,建立了包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型.基于前人的试验结果与理论分析,建立了固结压力与应力诱发的剪胀角的硬化定律,通过对两种砂土试验数据与预测结果的对比分析,验证了模型的有效性.     

非均匀应力场中井筒卸载过程井壁围岩孔隙弹性动力响应机制

传统井壁稳定理论没有考虑流体和固体的惯性作用,无法解释井筒受力变化下井壁失稳的本质。为了分析井筒卸载过程中井周应力场瞬态演化过程,揭示井壁围岩孔隙弹性动力响应机制,基于Biot饱和多孔介质弹性动力学理论,综合考虑孔隙流体、固体颗粒的压缩性及惯性、黏滞耦合作用,建立多孔弹性地层非均匀地应力场中表征井筒卸载过程井壁围岩动力响应的数学模型,通过对模型进行分解,采用Laplace变换和位移变换法,得到非轴对称井周应力解析解,分析井筒卸载过程井周应力场瞬时波动现象。研究表明:固体和流体的惯性作用导致井筒卸载早期井周孔隙压力与应力场产生波动,该现象传统理论无法揭示;井筒卸载过程中卸载速率越大,孔隙压力与应力的波动峰值越大;卸载后的井底压力越高,径向应力波动峰值越大,环向应力波动峰值越小。建立的模型为动载条件下井壁稳定力学分析提供了理论基础,并对认识钻井过程井下复杂事故具有重要工程意义。     

致密砂岩储层水平井螺旋射孔参数优化研究

射孔孔眼连接井筒和储层,提供泄油通道、有效降低储层破裂压力和引导裂缝走向。开展大型真三轴物理模拟试验,研究射孔长度、射孔密度、射孔孔径、射孔相位和射孔簇间距对裂缝起裂特征、扩展形态和储层破裂压力的影响规律。试验结果表明:射孔参数的改变本质上是改变射孔孔间距,孔间距决定孔眼之间的连通性,影响近井筒裂缝扩展形态和岩石破裂压力;射孔孔径和射孔密度的增加,减小孔间距,有利于裂缝间相互沟通,降低近井筒裂缝复杂性和岩石破裂压力;射孔相位的增大,增大孔间距,易产生分层复杂裂缝,岩石破裂压力增高;而射孔长度和射孔簇间距的变化对裂缝扩展形态没有影响。根据试验结论,给现场提出了射孔参数优化的理论基础和施工建议。     

基于统一强度理论的井简围岩应力分析

在考虑井筒周围岩石的渗流作用和孔隙水压力的基础上,对有效应力进行了修正;基于统一强度理论,充分考虑中间主应力,对井筒周围岩石进行了弹塑性分析,并给出了井筒周围岩石的应力分布表达式和保持井壁稳定的弹性极限荷载及塑性极限荷载的统一解析式.分析结果表明:通过改变统一解析式中的参数,可将其退化为其他强度理论条件下的解析式,所得的统一解适用于不同强度理论条件下各类岩石材料的弹塑性分析;有效应力修正后的极限分析为井壁稳定分析提供了理论依据,具有一定的理论及实际应用价值.     

压力相关弹塑性Cosserat连续体模型与应变局部化有限元模拟

提出了一个压力相关弹塑性Cosserat 连续体模型。具体考虑非关联Drucker-Prager 屈服准则,应力和应变速率向量的偏量和球量部分分离,在Cosserat 连续体模型的框架下,推导出压力相关弹塑性Cosserat 连续体本构模型的一致性算法:率本构方程积分的返回映射算法和压力相关弹塑性切线本构模量矩阵的闭合型显式表示。避免了计算切线本构模量矩阵时的矩阵求逆,保证了模型的数值求解过程的收敛性与计算效率。利用所发展的模型和有限元法,对应变软化引起的平面应变问题中的应变局部化现象进行了数值模拟。数值模拟结果表明,所发展的模型能保持应变局部化边值问题适定性、再现应变局部化问题特征:塑性应变局限于局部处急剧发生和发展以及随塑性变形发展的整体承载能力下降等方面的性能。     

A sand production prediction model for weak sandstone reservoir in Kazakhstan

Weakly consolidated reservoirs are prone to sand production problem,which can lead to equipment damages and environmental issues.The conditions for sand production depend on stresses and properties of rock and fluid.Accurate sand volume estimation is,however,still a challenging issue,especially for reservoirs in weak formations.The weak reservoirs containing viscous or heavy oil are mainly discovered in shallow depths in Kazakhstan,with moderate temperature and pressure.Many prediction models developed for open-hole completions where the reservoir materials usually possess certain strength are not applicable for the local reservoirs where the materials are significantly weaker even if casing is used to support the wellbore with oil produced through the perforation tunnels.In this context,a prediction model was proposed where the volume of the produced sand was estimated as the volume of the plastic zone of the failed materials surrounding the perforation tunnels.The model assumes an evolving truncated conical shape for the damage zone and takes into account stress distributions and shear failure in this zone.Then,the proposed model was used to estimate sand volumes in 20 wells during oil production with sequential increase of flow rates.The predictions match well with the measured sand volumes in a local oil field.Finally,a sensitivity analysis was conducted on the model performance.It shows that the permeability of the plastic zone was the most significant controlling factor in the prediction results.     

隧道爆破下底部脱空埋地输气管道的动力响应

以下穿兰成渝输气管道的仙女岩隧道爆破为背景,建立包括管道脱空区在内的隧道爆破三维动力有限元模型,研究爆破地震波引起的不同脱空长度下埋地输气管道的动力响应规律.结果表明:埋地管道下部脱空时,爆破振动作用下管道底部的振速峰值和位移峰值均大于管道顶部,且二者沿管道轴线以脱空中心为对称点呈逐渐减小的趋势;随着脱空长度增大,管道...     

有效应力对煤样变形和渗透性的影响研究

 为了研究渗透率随有效应力的变化特征,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,在外部应力不变、降低进口气体压力,外部应力、进气口压力同步降低2种实验条件下,观测了赵各庄煤矿9号煤层样品的应变和气相(氦气)渗透率,研究有效应力对煤样变形和渗透性的影响。实验结果显示,随着有效应力升高,煤样的收缩应变加剧,有效应力为5.2～6.5 MPa,收缩体积应变与有效应力之间符合线性关系,有效应力大于6.5 MPa或小于5.2 MPa,应力–应变曲线发生偏折,部分煤样出现扩容现象;气体渗流速度随进口气体压力的降低而降低;升高或降低有效应力,煤样渗透率均随着进口气体压力的降低而增大。由此可见研究有效应力变化条件下的渗透率变化特征,应适当考虑气体滑脱效应的影响。     

Compressive characteristics of methane hydrate-bearing sands under isotropic consolidation

Depressurization is an effective method to produce methane gas from methane hydrate reservoirs. However, during gas production, sediments consolidate due to increasing effective stress. Revealing the compressive characteristics of methane hydrate-bearing sands during consolidation is essential for an accurate understanding of sediment properties and for the development of a constitutive model. Therefore, a series of isotropic consolidation tests was performed on sand in which methane hydrate was artificially generated, and its compressibility characteristics were evaluated. Furthermore, to assess prolonged production, creep compressive behavior was investigated. The experimental results showed volumetric strain due to increasing confining stress decreased with increasing initial methane hydrate saturation. Particle crushing during consolidation was inhibited by the presence of methane hydrate. It was confirmed that the increase in the effects of methane hydrate on soil compressibility followed a power function with the increase in methane hydrate saturation. Creep deformation was observed during the stress holding period regardless of the presence of methane hydrate. Creep behavior during the stress holding period was related to the extent to which the creep component had dissipated before the stress holding period in the past. A theoretical concept for creep strain was proposed based on the experimental results.     

燃气管道弯头应力分布及塑性极限荷载分析

应用有限元分析软件ANSYS,对燃气管道钢质弯头在内压作用下状态进行有限元分析,得到弯头不同内压下的应力分布。根据模型施加的内压和最大等效塑性应变关系,得出了弯头的塑性极限荷载。     

Modeling the static liquefaction of unsaturated sand containing gas bubbles

As a modification of the deviatoric hardening plasticity model, a material state-dependent model was proposed to simulate the response of unsaturated sand containing gas bubbles under undrained triaxial conditions. Affected by the compressibility of gas, the stress paths under undrained conditions approach the drained response of sand when the initial degree of saturation is low. Upon an increase in the degree of saturation, the stress path gradually approaches the saturated undrained response. According to the prediction based on the second-order work criterion, static liquefaction occurs in loose sand, but not in dense sand. Increases in the degree of saturation and the initial gas pressure reduce the stress ratio at the instability points. The instability line obtained by connecting those instability points in the p-q space is nonlinear, and its slope depends on the initial void ratio, the initial degree of saturation, the initial gas pressure, and the confining stress. After comparing the experimental results in the literature with the theoretical prediction, the proposed model was shown to precisely predict the onset of the static liquefaction of unsaturated sand containing gas bubbles.     

非饱和含黏砂土的弹塑性剪胀特性研究

通过引入能够较好反映非饱和土弹塑性变形特性的Barcelona模型并结合能够较好反映砂土剪胀特性的Lade模型,进行了3种不同应力路径的三轴试验,给出了能反映非饱和含黏砂土应力应变特性的非饱和弹塑性模型,并讨论了吸力和净围压对弹性应变、塑性应变、塑性功和屈服函数的影响。推导出了总体积变形的表达式,该式同试验结果变化规律符合较好,说明该理论适合于非饱和含黏砂土。同时,由试验数据可以得出含黏砂土的体变峰值点、剪胀特性同净围压和吸力的变化有密切的关系。     

钙质砂剪切特性试验研究

 对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。     

砂土液化分析的散粒体模型(英文)

在归纳砂土组构张量研究成果的基础上提出一个与已有弹塑性模型不同的新的增量非线性模型。该模型全面地考虑了平均压应力、归一化剪应力、Ｌｏｄｅ 角和主应力轴变化所引起的可逆和不可逆的变形,成功地模拟了单调荷载下密砂的剪胀软化和松砂的不排水剪切失稳现象,往复荷载下的残余变形和孔隙压力积累以及Ｌｏｄｅ 角和主应力轴变化下的液化现象。