含水合物沉积物损伤统计本构模型及其参数确定方法

通过建立含天然气水合物沉积物本构模型,揭示沉积物的变形规律,准确预测水合物储层的力学性质,是有效开发天然气水合物资源的基本保证。基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设,将统计强度理论与统计损伤理论有机结合,建立了能同时描述含水合物沉积物应变软化规律和应变硬化规律的损伤统计本构模型,探讨了模型参数求解思路,验证了模型的准确性。结果证明,含水合物沉积物屈服后发生应变软化还是应变硬化,取决于有效围压、水合物饱和度的综合影响,反映在模型参数上表现为Weibull参数m、F₀的共轭特性。模型参数主要影响含水合物沉积物损伤后的变化过程,对未损伤部分的影响较小。     

井壁稳定性评价准则分析

井壁坍塌失稳大多由于井周岩石的剪切破坏造成,而剪切破坏准则的选择是井壁稳定性预测的关键因素。通常使用的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则都存在明显的缺点,致使井壁稳定性预测结果不准确。于是,引进了一种新的破坏准则——Mogi-Coulomb准则。该准则较为合理地考虑了中间主应力对岩石强度的影响,使强度预测结果更加准确。为验证其优势,利用岩石真三轴试验数据对3种准则的强度预测结果进行了对比分析。结果表明:在真三轴应力状态下,Mogi-Coulomb准则预测岩石强度的精度要高于Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,且具有表达简单、使用方便、预测结果准确等优点。因此,建议推广使用Mogi-Coulomb准则预测井壁稳定性。     

天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型

准确描述水合物沉积物的变形规律和力学性质是经济安全开发天然气水合物资源的重要前提。天然气水合物沉积物受到有效围压和水合物含量等多种因素的影响从而表现出应变软化和应变硬化两种力学特性。为精确描述其变形特性,基于复合材料细观力学混合率理论和岩石孔隙损伤理论,考虑岩石统计损伤,考虑水合物含量、围压和沉积物内部孔隙变化对天然气水合物沉积物力学性质的影响,结合水合物沉积物的微元强度统计分布规律,建立了天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型,并建立了全部参数的确定方法。与已有实验研究结果对比表明,该模型不仅可以很好描述水合物沉积物的变形规律和力学特性,且具有模型参数易于确定、便于使用的优点。所建模型可用于水合物沉积物破碎工艺选择中的破碎模拟和破碎成孔中的孔稳定性分析评估,对非成岩天然气水合物的经济安全开采具有一定推动作用。     

盐岩全过程蠕变试验及模型参数辨识

对国内拟建地下盐穴储库的岩心进行三轴蠕变试验,得到泥质盐岩全过程蠕变试验曲线。基于试验的非线性蠕变特点和损伤力学理论,借助伯格斯模型建立了可以反映盐岩加速蠕变阶段的本构模型,并给出参数辨识方法,同时与试验曲线进行了比较研究。结果表明：较高轴向力下进行分级蠕变试验能够加快第三蠕变阶段（加速蠕变阶段）破坏,轴向力越大,加速蠕变起始应变值及蠕变破坏时应变值越小;增大围压时,加速蠕变起始应变值及蠕变破坏时应变值会变大。该本构方程能够很好地反映盐岩蠕变全过程,表明所建模型的正确性及合理性。     

适用于多夹层盐穴储气库的改进Mohr-Coulomb准则

考虑到多夹层盐岩在三轴压缩和拉伸应力状态下破坏强度的差别较大,对盐岩破坏的Mohr-Coulomb准则进行修正,得到改进后的Mohr-Coulomb准则,利用室内盐岩实验数据回归出相应的公式,并与已有的两种准则的计算结果进行对比。建立了多夹层盐穴储气库有限元模型,分析了储气库的埋深、顶跨、顶部盐岩厚度、顶部相邻非盐岩层厚度及弹性模量等参数对储气库最小许可运行压力的影响规律,并对比了改进Mohr-Coulomb准则与已有准则的计算结果。综合研究表明：改进Mohr-Coulomb准则与实验数据具有很好的一致性,能够反映盐岩从三轴压缩应力状态转换为三轴拉伸应力状态时破坏强度变化对储气库最小许可运行压力的影响;储气库最小许可运行压力梯度随着顶跨的增加而增加,随着顶部相邻非盐岩层弹性模量的增加而降低,而顶部盐岩和相邻非盐岩厚度对其影响不显著。     

一种基于页岩损伤规律的井壁坍塌压力确定方法

页岩的破坏有劈裂式、单剪切式、双剪切式等3种模式,而目前常用于预测井壁坍塌压力的Mohr-Coulomb准则仅适用于发生单剪切式破坏的井壁。针对该问题,首先基于最小耗散能原理和损伤力学,建立了包括页岩损伤演化方程、损伤阈值应变计算式、极限损伤变量计算式的页岩损伤力学模型;然后,以具有代表性的塔里木盆地群库恰克地区页岩地层标准岩心为研究对象,进行了常三轴抗压室内试验,并将试验得到的应力-应变曲线与理论曲线进行了对比分析,发现吻合较好;最后,将理论模型与室内试验结果相结合,研究了应变能密度与岩石破坏时应变、损伤阈值应变之间的关系曲线,并确定出维持井壁稳定的最低钻井液密度。分析认为,利用该种维持井壁稳定最低钻井液密度的确定方法,可以确定页岩地层的井壁坍塌压力。     

一种基于页岩损伤规律的井壁坍塌压力确定方法

页岩的破坏有劈裂式、单剪切式、双剪切式等3种模式,而目前常用于预测井壁坍塌压力的Mohr-Coulomb准则仅适用于发生单剪切式破坏的井壁。针对该问题,首先基于最小耗散能原理和损伤力学,建立了包括页岩损伤演化方程、损伤阈值应变计算式、极限损伤变量计算式的页岩损伤力学模型;然后,以具有代表性的塔里木盆地群库恰克地区页岩地层标准岩心为研究对象,进行了常三轴抗压室内试验,并将试验得到的应力-应变曲线与理论曲线进行了对比分析,发现吻合较好;最后,将理论模型与室内试验结果相结合,研究了应变能密度与岩石破坏时应变、损伤阈值应变之间的关系曲线,并确定出维持井壁稳定的最低钻井液密度。分析认为,利用该种维持井壁稳定最低钻井液密度的确定方法,可以确定页岩地层的井壁坍塌压力。      

基于井壁稳定分析的井眼轨迹优化方法

井壁稳定问题是钻井工程关注的焦点之一,但目前基于井壁稳定分析优化井眼轨迹方面开展的工作还很少。为此,基于斜井井壁应力分布模型和井壁失稳破坏模式,分别采用Mohr-Coulomb准则、Drucker Prager准则和拉张破坏准则导出了维持井壁稳定的钻井液安全窗口上下限计算模型,利用数值计算方法建立了安全密度窗口、安全和危险井眼轨迹的求解方法,计算和分析了6种典型地应力状态下的井壁稳定性,并分析了相应地应力状态下安全和危险的井眼轨迹。结果表明:①Mohr-Coulomb准则计算结果高于Drucker-Prager准则,主要由于Mohr-Coulomb准则忽略了中间主应力的影响,低估了地层岩石的强度;②在σ_v≥σ_Hσ_h情况下沿最小水平地应力钻进稳定性最好,σ_Hσ_vσ_h情况下钻进稳定性最好的方向为偏离最大水平地应力30°~45°的方向上,σ_(11)σ_h≥σ_v情况下沿最大水平地应力钻进稳定性最好,σ_H=σ_vσ_h情况下直井稳定性最好;③数值计算方法得出的安全井眼轨迹与AZ模型吻合较好,验证了该方法的正确性和准确性。数值计算方法可以直观给出不同轨迹下的安全密度窗口,对于窄安全密度窗口地层,可采用该方法优化井眼轨迹改善井眼稳定性。     

基于弹性应变能强度准则评价井壁稳定性

岩石强度准则是石油工程的重要基础理论,对于井壁稳定性研究更是不可或缺。然而,以经典弹塑性理论的岩石强度准则作为井壁失稳判断依据时所得结果,往往与现场实际情况存在较大误差。开展三轴力学试验,测试岩石不同围压条件下的极限储能,从能量角度建立岩石能量强度准则,并与其他强度准则对比分析了井壁的稳定性。计算结果表明:使用不同强度准则所得坍塌压力相差较大,其中Hoek-Brown准则的坍塌压力过低且存在井壁坍塌风险,Mohr-Coulomb和Drucker-Prager准则的结果过于保守且存在压破地层风险,而根据能量强度准则所得坍塌压力则能保证井壁不塌不漏。该准则是井壁稳定评价的一种新方法,为钻井液密度设计提供了可靠的理论依据。     

脆性地层井壁稳定性评价准则

脆性地层在钻井过程中的井壁稳定问题一直是困扰石油工业界的一个十分复杂的问题,其评价准则的选取是预测井壁稳定性的关键。目前,讨论最多的针对脆性地层井壁稳定性评价准则有:Mohr-Coulomb准则,Hoek-Brown准则,Mogi-Coulomb准则,三维Hoek-Brown准则。在调研国内外评价准则的基础上,介绍了几种方法的基本原理、误差来源分析及适用范围:Mohr-Coulomb准则公式简单,参数获取方便,但只能反映岩块的线性破坏特征;Hoek-Brown准则虽能更好的反映岩块的非线性破坏特征,但由于没有考虑中间主应力的影响,结果是一个偏低的估计;Mogi-Coulomb准则引入了中间主应力的影响,且拟合结果居中,但进行三轴试验要求较高;三维Hoek-Brown准则既考虑了中间主应力的影响,又继承了Hoek-Brown准则的优点,且拟合偏差最小。建议深入研究中主应力对岩石强度的影响效应,推广脆性地层井壁稳定性评价准则适用范围。     

X90超高强度输气钢管材料本构关系及断裂准则

针对试制成功的X90输气钢管,进行5种不同圆棒缺口的准静态拉伸试验及应力三轴度计算,发现由于试样缺口存在,应力三轴度值增加2.43倍,断裂应变减少29%,损伤应变能降低71%。利用常规拉伸试验机和Hopkinson拉杆试验装置进行不同应变速率拉伸试验发现,应变速率对断裂应变的影响相对较小,准静态和高速状态下,差异最大约10%。基于Johnson-Cook本构和失效模型,分别建立了考虑应变率效应的X90管线钢本构模型和考虑应变率、应力三轴度的失效模型;同时,基于损伤力学理论,得到了基于塑性均匀延伸率和损伤应变能的X90管线钢断裂准则。基于材料损伤应变能密度临界值不变假设以及试验数据,得到了X90管线钢断裂特征长度与应力三轴度、试样直径之间的关系式。     

苏里格气田定向井井壁稳定性分析研究

通过坐标转换关系,建立了定向井井壁围岩的应力分布函数,分析了定向井井壁周围应力的分布情况.依据库伦-摩尔强度准则和最大拉应力破裂准则,建立定向井井壁坍塌压力和破裂压力计算模型,并据此编制了定向井井壁稳定计算分析软件.利用苏里格气田某井的实际数据资料,计算出了定向井井壁坍塌压力和破裂压力,绘制出坍塌压力和地层破裂压力随井...     

渗流对欠平衡钻井井壁稳定性的影响

欠平衡钻井过程中井壁稳定是保证欠平衡钻井成功的关键。在常规钻井时，井壁不稳来自力学和化学作用，而欠平衡加大了这些作用机理。在欠平衡钻井过程中，地层流体不断流入井内，井眼形成后井筒周围的应力将伴随地层流体的渗流而重新分布，进而影响井壁的稳定性。文章将由原地应力产生的应力与地层流体向井眼径向渗流产生的应力叠加而求得了欠平衡钻井井周应力的解析解，运用Mohr-Coulomb强度准则建立了欠平衡钻井坍塌压力的计算式。计算结果表明:在欠平衡钻井过程中，考虑地层流体在岩石中的渗流作用后、地层坍塌压力更大即井壁更易失稳，应用于塔中722井的井壁稳定性分析表明，理论结果与工程实际吻合，说明了模型的正确性，可进一步推广应用。     

气井系统出砂预测模型研究及应用

系统出砂预测的基本内容包括定性出砂预测、出砂临界生产压差预测以及实际生产条件下的出砂半径预测。文章首先阐述了定性出砂预测方法；考虑气藏流体压力分布，建立弹性岩石材料的应变平衡方程，求解并结合弹性岩石的应力-应变方程得到地层岩石的弹性应力解；在孔壁上采用考虑孔隙压力的莫尔-库仑准则，便可预测出砂临界井底流压和生产压差；求解塑性变形区的应力平衡方程，并结合塑性区的应力-应变准则可得到塑性变形区的塑性应力解；根据弹、塑性边界的应力连续条件，建立弹、塑性边界上的径向应力平衡方程，求解可计算弹、塑性区边界半径即出砂半径。对涩北气田涩4-9井进行了系统出砂预测，与实际生产资料基本符合。     

地下盐穴储气库盐岩热损伤机理

基于变质量热力学原理，建立盐穴储气库注采过程中的工程热力学分析数学模型，给出了单个注气和采气过程中温度和压力随时间变化的解析解，作为数值模拟的边界条件。根据金坛储气库的基本数据和盐岩实验研究参数，利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立单腔盐穴注采过程的温度-应力耦合模型，模拟恒定注采速率下盐腔围岩的拉伸损伤、剪切损伤和膨胀损伤分布情况，研究夹层和热应力对围岩损伤的影响。基于热应力理论，结合模拟结果分析盐穴储气库注、采气过程中围岩的热损伤机理。模拟结果表明：在热应力存在的情况下，夹层的存在促进了围岩损伤的产生，无夹层时围岩无损伤发生，有夹层时围岩存在损伤；注气过程和采气过程的损伤发生位置存在差别：注气过程损伤多发生在夹层附近的盐岩中，采气过程损伤多发生在夹层中；膨胀损伤的范围最广，且损伤范围覆盖了前2种损伤，因此实际生产过程中推荐使用膨胀损伤判据，损伤评价结果更为保守。     

射孔完井高压气层出砂三维预测方法

针对射孔完井高压气层地层出砂问题,根据有效应力定律,建立了三维应力场弹塑性地层出砂模型,并运用弹塑性有限元方法进行求解。根据编制的计算程序,研究了射孔井筒附近应力、有效塑性应变的分布规律。研究发现,最大有效塑性应变位置是在射孔起始部位的上下端,因而是最容易出砂的位置;同时,地层压力越高、临界生产压力越低,就越不易出砂。临界生产压差是由岩石性质、流体性质、地应力、地层压力等条件综合确定的。尽量维持较高且稳定的地层压力和采用合理的油井生产制度,可以减少出砂量。模型适用于不同地应力条件、不同几何参数与射孔方案、不同岩石和流体参数等条件下射孔完井的气层出砂预测。     

A Mud Weight Window Investigation Based on the Mogi-Coulomb Failure Criterion and Elasto-Plastic Constitutive Model

Abstract

A successful stable borehole scheme results in saving time and money. To reach this aim many parameters such as bottom hole pressure, and stress distribution around the borehole must be considered in the design of a well. During drilling there are two main wellbore stability problems, namely, borehole collapse and fracture. These stability problems can lead to the need for fishing, stuck pipes, sidetracking, and lost circulation. These drilling problems can be mitigated or often eliminated by proper determination of the critical mud pressure.

The most common approach for these studies is a linear elastic and isotropic constitutive model in conjunction with linear failure criteria like Mohr-Coulomb. Numerous researchers have found situations in which the Mohr-Coulomb criterion was deficient because mid-principle geotechnical stress is not incorporated. In addition, the conventional mechanical model is based on the linear elasticity condition, while in reality, it is believed that the fluid barrier and a part of the bore hole wall behave plastically, which provides higher fracturing pressure than Kirsch's equation.

In this article, the mud window is estimated using Mogi-Coulomb failure criterion and the elasto-plastic model. This is based on a hypothesis that wellbore behavior indeed is not strictly elastic and intermediate principle stress plays an important role in rock strength. Therefore, an elasto-plastic model and the Mogi-Coulomb failure criterion should be incorporated. This hypothesis is verified and used in this article for the South Pars gas field (phases 6, 7, and 8) in the Persian Gulf. The results indicate that the newly developed model is more accurate than the conventional approach.