页岩地层中孔隙热弹性井眼稳定力学模型

基于多孔介质弹性理论和各向异性线弹性力学,考虑多孔介质中流体组分和流–固–热耦合作用的影响,建立各向异性多孔介质的孔隙热弹性控制方程;将页岩地层视为横观各向同性介质,采用坐标转换方法得到井眼坐标下的本构方程和孔隙热弹性力学模型,给出采用叠加原理进行求解的基本方法,引入弱面强度理论进行稳定性判别;并以直井井壁应力分布和W201–H1井实例分析检验模型的准确性。结果表明:常规模型和本文模型计算出的直井井壁应力分布完全一致(最大误差0.03%),W201–H1井井眼稳定分析结果与实际情况吻合较好,而传统模型计算结果偏差较大,检验了模型的准确性和可靠性;随着钻开地层时间的增加,井眼周围地层的坍塌区域逐渐变宽和变深;页岩强度各向异性、弹性各向异性、井周渗流作用和传热效应是影响页岩井眼失稳的重要原因,而页岩强度各向异性是井眼失稳的主要力学机制;有必要考虑页岩各向异性、流–固–热耦合效应对井眼稳定的影响。研究结果可为页岩地层井眼稳定分析和钻井施工措施的制定提供参考。     

二维应力场下承压地层中渗流的液固耦合问题

考虑到多孔介质渗透率随孔隙变化的特点,研究二维应力场下承压地层中渗流的液固耦合问题,提出了解耦方法;并求出耦合条件下的孔隙压力与介质应务的解析解,计算表明,耦合效应不容忽略。     

变形多孔介质温度–渗流–应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。     

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。     

饱和多孔介质中热弹性波传播特性研究

在饱和多孔介质热流固耦合动力响应模型基础上,建立了饱和多孔介质热流固耦合热弹性波动理论,研究了热物性参数对波的传播特性的影响。通过引入势函数,推导了饱和多孔介质体中热弹性波的弥散方程,重点分析了热膨胀系数对p_{1、p2、T和S波的波速的影响,结果表明:热膨胀系数对p1和p2的影响较大,热流固耦合效应不可忽视。与饱和多孔介质中弹性波的传播特性对比分析验证了本文结果的正确性。}     

渗流的流固耦合问题及应用

 博士学位论文摘要　渗流过程中的孔隙改变, 既影响流体质量, 又会引起介质渗透率的变化, 导致非线性流固耦合作用。因此研究应力与孔隙压力共同作用下孔隙改变的机制是重要的。首先考察了经典渗流力学的基本假定, 说明忽略总应力对孔隙改变的作用是经典渗流力学及其他非耦合理论不能研究流固耦合作用的基本原因。饱和多孔介质是不溶混的混合物, 内部孔隙结构对多孔介质整体和孔隙改变的响应方程有影响。导出了多孔介质的响应方程及有效应力系数A1、孔隙改变的响应方程和有效应力系数A2 以及孔隙压缩模量K p。证明有效应力系数A1 和A2 小于1, K p 小于固体基质的相应模量。它们都取决于组成多孔介质的固体基质的力学性质和孔隙结构。还证明了对于孔隙的变形, 总应力比孔隙压力更重要。任何排除总应力影响的理论, 其出发点均不尽合理。研究了流固耦合机制。在渗流过程中, 介质整体变形和孔隙变化是应力和孔隙压力相互作用的结果; 孔隙改变会影响两相物质之间的扩散力和流体的质量守恒方程; 扩散力和孔隙压力对两相物质的动量守恒有影响。这是一些主要的耦合机制。在混合物理论的基本框架内建立了渗流耦合问题的基本方程, 考虑了流体与固体之间的多种耦合作用, 如线性耦合、非线性耦合、非牛顿流体渗流的耦合作用、饱和多孔介质的动力响应等; 由于渗流定律是孔隙流体动量守恒方程的特殊情况, 应用混合物理论可以从实验得到的非线性一维渗流定律导出非线性渗流的三维定律; 从上述研究还容易看出, B io t 的三维固结理论只考虑了多孔介质整体压缩(膨胀) 对流体动量守恒方程的影响, 反映了流体与固体之间最简单的、线性的相互作用。对某一边界上正应力和孔隙压力为常量的渗流耦合问题, 提出了一种解耦方法, 并得到了平面应变和广义平面应力状态下, 含圆孔的饱和多孔地层中定量抽放和定压抽放问题的解析解。通过这些解答可以看出, 对于稳定渗流, 线性耦合理论(B io t理论) 与非耦合理论没有差别; 对非稳定渗流, 线性耦合理论与经典渗流力学有明显的量的差别, 但没有性质的变化。与弹性力学的差别也与此类似: 若不考虑渗透率的变化, 可压缩流体渗流引起的非线性相互作用以一个高阶小量体现出来, 因此与近似的非耦合分析的结果相差不远。研究了稳定渗流和非稳定渗流情况下非线性流固耦合问题的特点, 并求出了含单一圆孔的问题和单向渗流问题的解答。从中可以看出, 非线性耦合问题与不耦合的经典渗流力学和弹性力学, 不仅在量值上有明显差别, 性质也有不同; 并指出, 非稳定渗流需要考虑更多的因素。当渗流达到最终的稳定状态时, 某些因素, 如原岩应力强度对渗流的影响消失。并研究了初始应力对渗流的影响。证明了可变形多孔介质一维稳定渗流时, 小试件内的孔隙压力梯度在流动方向上是不均匀的。仍然沿用经典渗流力学的方法测试渗透系数, 将导出流体质量不守恒的不合理推论。由此提出了可变形多孔介质渗透系数的新的测试方法。结合渗流的实验研究和微分方程反问题的数学方法, 可得到可变形多孔介质的渗透系数。对粒状多孔介质进行的试验表明, 按不同的试验方法得到的渗透系数相差较大。     

核废料贮存库围岩体热响应耦合场研究

岩体在加热状态的物理力学响应是核废料贮存库安全运行评价的主要指标。结合现场试验成果(温度、孔隙压力和变形),应用多孔连续介质力学理论对热诱导引起的岩体温度场、渗流场和应力场进行了有限元数值对比研究。提出了有限元计算过程中通过调整孔隙率和渗透系数来实现热–水–力耦合分析非线性孔隙弹性的研究方法。现场测试和数值模拟表明:在整个加热过程中,饱和岩体温度和有效应力随时间不断增加,而孔隙压力在加热能量变化初期呈上升趋势,在后期呈下降趋势。     

饱和多孔地层中定量抽放的流固耦合问题

在Ｂｉｏｔ 理论基础上,研究了含单一圆井的饱和多孔地层中,以定流量方式开采时的流固耦合问题。提出了一种解耦方法,求出了耦合的孔隙压力分布和介质应力的解析解。实例计算表明,耦合与非耦合之间的差别是明显的。     

水力压裂时岩石破裂压力数值计算

 以多孔介质流体渗流与岩石应力–应变耦合理论为基础,推导水力压裂时岩石破裂压力数值计算方程,提出一种全新的岩石破裂压力计算方法。该方法考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用,采用有限元法数值计算技术,能模拟计算流体向地层渗滤情况下井眼周围地层有效应力的时空分布,因此,该方法不但能求得岩石的破裂压力,还能同时求得岩石的破裂时间。建立的破裂压力数值计算理论克服传统破裂压力解析计算方法的许多不足,如无法精确计算井眼周围孔隙压力的升高导致应力集中加剧对破裂压力的影响,无法计算地层破裂的确切时间等问题。该计算理论的建立,实现岩石破裂压力数值计算的突破和计算精度的提高,为水力压裂时岩石破裂压力的计算找到了新的理论和方法。     

正冻多孔介质耦合模型研究

 通过分析多孔介质孔隙水的相变过程,研究孔隙冰与孔隙水含量随温度改变的变化规律,建立描述冷冻条件下孔隙冰与孔隙水饱和度的数学关系式。通过引入低温多孔介质有效孔隙压力概念,建立基于多孔连续介质力学理论的低温多孔介质孔隙压力变化的耦合模型,提出低温冻结情况下饱和非饱和多孔介质的体积热膨胀系数表达式。应用现有的试验成果论证此研究模型的正确性。研究成果表明建议的模型能够正确地模拟正冻孔隙介质的有效孔隙压力和骨架应力,并能反映冻胀融缩的变形特点,为科学研究低温多孔介质的应力与变形特点提供合理可靠的方法。     

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中，钻井液中存在多种化学成分，钻井液时刻与井壁发生作用，导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系，基于渗流力学理论，建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系，为研究化学作用对强度参数的影响提供前提，进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析，建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识，具有一定的工程实用价值。     

多相流传输THM全耦合数值模型及程序验证

 基于连续介质力学原理和混合体理论,导出多孔介质多相流THM全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的动量、质量及能量守恒出发,考虑应力–应变、水体流动、气体传输、蒸气传输、热能传输和孔隙率演化等6个过程的耦合作用,实现对相变、溶解、热驱动、湿度传输和吸湿膨胀等物理现象的模拟,确保THM耦合控制方程组的封闭性和协调性。该模型在THM耦合体系中纳入气体及蒸气传输过程,摒弃以往采用基质吸力和绝对温度定义相对湿度的传统方法,从而使描述介质气体和蒸气运移特性以及THM耦合特性的相对湿度在严格的物理意义上加以定义。通过选取位移、水压、气压、蒸气压、温度和孔隙率为基本未知量,建立有限元数值计算格式,研发三维八自由度多相流THM全耦合有限元程序THYME3D,并采用法国原子能委员会开展的膨润土THM耦合Mock-up试验对数值模型和计算程序进行验证,揭示试验过程涉及的多场耦合机制。研究结果深化对多相流THM全耦合控制方程组、本构关系及计算参数特性的理解,从而为进一步研究THMC全耦合问题奠定基础。     

高温下页岩三轴压缩实验及井壁稳定研究

通过高温下页岩的三轴压缩实验,结合井壁稳定分析理论,进行了高温下页岩的力学特性及井壁稳定性研究.结果表明:高温引起页岩强度劣化,在温度低于150℃时,温度对页岩强度劣化主要体现在粘聚力弱化,在温度超过150℃时,温度会进一步导致页岩内摩擦角减小.钻井液与地层间的温差将在井周附加热应力,随着远离井壁,温差附加径向热应力先...     

流固耦合作用下水平定向孔壁稳定性分析

孔壁失稳是目前水平定向钻进工程中经常遇到的一个实际问题,尤其是在地表的第四纪松散地层中钻进孔壁失稳更是屡见不鲜,严重影响工程施工。针对以往研究中没有考虑渗流场对孔壁稳定性的影响问题,本文在Biot固结理论的基础之上,建立了应力场和渗流场耦合数学模型,采用有限元方法对所建立的模型进行求解。通过对某一水平定向钻进孔壁稳定性进行数值模拟,分析了在流固耦合作用下地层孔隙压力、有效应力和位移的变化规律,并分析了在不同的冲洗液压力下,地层沉降情况。研究发现,在定向钻进过程中,流固耦合作用对地层特别是井壁附近围岩的应力和变形影响很大。研究结果为钻进过程中避免孔壁失稳,合理选择冲洗液及冲洗液压力提供理论依据。     

A coupled thermal-hydraulic-mechanical application for assessment of slope stability

The stability of a slope is subjected to thermal (T), hydraulic (H), and mechanical (M) loadings and their coupling effects. Modeling the coupled THM processes that occur in the slope is important for reliably assessing and predicting the slope performance and stability. Therefore, a numerical model, which can consider the full coupling among the thermal (temperature variation), hydraulic (pore water pressure), and mechanical (stress and displacement) processes, is developed in this study. The developed model is employed to analyze slope stability, and the simulated results are seen to coincide well with the results obtained by traditional limit equilibrium calculation. A comparison of the results verifies the validity of the developed model for slope stability analyses under THM coupled effects. Furthermore, the capability of the developed THM model for predicting the slope performance is validated through comparisons of three case studies in terms of both laboratory experiments and numerical simulations. A favorable agreement between the modeling results and the compared data confirms the capability of the developed model to accurately describe the behavior of a slope affected by THM coupled processes. The modeling results can also contribute to a better understanding of slope failure induced by the THM couplings.     

Numerical evaluation of the deformation behaviour of thick-walled hollow cylinders of shale

The stability of tunnels and boreholes in shales is a major problem. For example in the oil and gas industry, wellbore instability problems cost the industry many millions of dollars annually. In an attempt to minimise instability problems, detailed and careful analyses of the excavation process are often carried out at the planning stage. However, the accuracy of these analyses is highly dependent on the constitutive model adopted for the shale. One important feature of the constitutive behaviour is the dissipation of pore pressure within the shale. In this paper, two FLAC-based models are used to investigate the influence of induced pore water pressure and its dissipation on borehole deformation of a thick-walled hollow cylinder of synthetic shale. The two models are: a time-dependent model that incorporates coupled flow-mechanical interaction and a steady state time-independent analysis that only accounts for mechanical-induced pore pressure. In both models, a linear elastic-plastic constitutive model (Mohr–Coulomb) is used. Non-linear elastic-plastic and strain-softening constitutive models are also investigated in the coupled flow-mechanical analyses. The numerical predictions obtained using linear coupled Mohr–Coulomb, non-linear elastic-plastic and strain-softening constitutive models are assessed against experimental observations. The FLAC predictions use material parameters obtained from conventional laboratory tests.The investigation shows that there are large differences between predictions obtained from the coupled flow-mechanical analysis and the mechanical-induced pore pressure only simulation. The non-linear coupled Mohr–Coulomb numerical model is shown to be in good agreement with the results of the laboratory tests. The investigation also shows that the simple Mohr–Coulomb constitutive model can adequately predict the deformation in thick-walled hollow cylinders of shale. Further work needs to be done before the simple strain-softening constitutive model developed in this paper can be used confidently for shale. Otherwise, more sophisticated strain-softening constitutive models may have to be used.     

龙马溪组页岩的力学特性及破坏模式研究

井壁稳定性是页岩气勘探开发关键技术的核心问题之一。针对页岩井壁稳定问题,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,结合实际钻井情况,开展了不同围压、加卸载模式、取芯角度、流体浸泡等一系列岩石力学实验,为页岩气的勘探和开发提供基础数据。研究表明:四川盆地龙马溪组页岩单轴抗压强度较高,脆性较强;卸载作用造成岩样破坏更加剧烈,破坏模式更加复杂;取芯方向与层理面夹角为15°时,岩样的抗压强度和内聚力最低,夹角为45°时,岩样的破坏最剧烈;流体浸泡使岩样的强度和内聚力大幅下降,岩样以剪切破坏为主,浸泡过油基钻井液的岩样的强度和内聚力损失最小;随浸泡时间的增长,岩样的内聚力和内摩擦角先快速降低后趋于平缓。     

泥页岩井壁稳定影响因素分析

 考虑泥页岩钻井液体系中电化势渗透产生的流体流动和离子运移以及与固体变形的联合作用,提出泥页岩井壁稳定耦合新模型。通过有限元计算泥页岩井壁周围孔隙压力场和应力场,分析泥页岩及钻井液性能参数对井壁周围地层坍塌破坏系数和坍塌压力的影响。研究结果表明,泥页岩渗透率增大,溶质扩散系数增大,泥页岩单位表面电荷数减小有利于泥页岩井壁稳定。通过使用高浓度、高反射系数的钻井液能够提高泥页岩井壁的稳定性,对于泥页岩地层使用过高的钻井液密度反而会导致井壁不稳定。泥页岩钻井液体系膨胀系数减小,泥页岩水化程度能够减轻。在钻井液浓度大于泥页岩孔隙流体浓度的情况下化学反渗透可能使泥页岩失水,与大尺寸井眼相比,小尺寸井眼坍塌破坏指数随时间变化较显著。     

页岩气藏流固耦合渗流模型及有限元求解

 页岩气渗流模型是页岩气藏动态分析和数值模拟的基础。将裂缝性页岩气藏视为基质孔隙–裂缝双重介质,同时考虑岩石骨架变形对气体渗流场的影响,建立页岩气藏流固耦合渗流模型。模型假设基质孔隙内作克努森流动,裂缝中作达西渗流,综合考虑页岩气壁面滑脱流动与孔内扩散作用、吸附与脱附、应力敏感性等渗流机制。采用有限元法离散控制方程及全隐式耦合求解方法,编制计算机程序。考虑真实页岩参数取值,利用该模型进行算例分析。结果表明,页岩气藏压力下降速率小于常规裂缝性气藏压力下降速率;裂缝渗透率是影响裂缝渗流压力衰减的主要因素,需考虑页岩裂缝导流能力与基质产气速率的匹配关系;原始地层压力越小,裂缝渗流压力衰减越慢。所建模型可为页岩气藏模拟器开发及动态分析提供理论基础。