页岩-液体作用对套管变形的影响研究

页岩气井压裂后套管变形问题严重,已成为制约页岩气资源高效开发的瓶颈,但目前引发套变现象的原因仍认识不清,且无有效防治措施。根据页岩结构特征及力学性质,结合数值模拟技术对页岩-液体作用对套管变形的影响及其防治措施开展研究。结果表明,由于液相侵入导致的裂缝层间膨胀会造成页岩在液体作用下产生微弱形变,由于页岩力学强度高,且水化后仍具备较高的弹性模量,造成液-岩反应后的膨胀变形会产生较强的作用力,在无应力释放的情况下该作用力施加在套管上导致套管应力增加,对套管变形产生重要影响。水泥环弹性模量的降低以及密集射孔能够对防治套管变形起到积极作用。     

地层各向异性对套管受力的影响

套管损坏是制约油气生产的瓶颈问题，而套管外挤载荷设计合理与否对套管寿命具有决定性的作用。前人在研究套管外挤载荷时，都将地层考虑为正交各向异性、横观各向同性材料，没有考虑在垂直井眼轴线平面上岩石力学性质各向异性的问题。在考虑这一特点的基础上，建立，套管应力计算的力学及有限元模型。计算结果表明，在均匀水平地应力条件下，若地层为横观各向同性，则套管应力为均匀分布：若地层力学件质在垂直井轴平面上为各向异性，则套管应力由均匀分布转化为非均匀分布，且戍力极值增大。这一结论说明；在均匀水平地应力条件下，地层各向异性对套管受力有着较为明显的影响，在设计套管外挤载荷时，应该给予允分考虑；同时这也有助于解释套管所受外挤载荷超过上覆岩层压力的问题。在非均匀水平地应力条件下，无论地层为各向同性或各向异性，套管应力均呈现非均匀分布态势，其套管应力极值变化不大。因此，在非均匀水平地应力条件下，地层各向异性对套管受力影响不大，在设计套管外挤载荷时，可简化省略。     

膨胀土边坡物理模型试验研究

进行了一系列压实膨胀土的大型静力模型试验,对边坡土体吸湿后的含水率、膨胀变形等进行了实时监测。试验成果显示,膨胀土边坡浅层土体吸湿后其含水率场分布不均匀,干湿分界面处土体易由于不均匀膨胀变形而导致局部剪切错动,并随水分在坡体内的迁移,局部滑动面逐渐向边坡纵深扩展,在不同深度、不同部位形成多重剪切滑动面,最终导致边坡整体塌滑。针对静力模型试验进行了考虑膨胀性的非线性有限元计算,比较了边坡自重条件下和吸湿后应力场的变化,可知吸湿引起顺坡向正应力在干湿分界面处变化剧烈,剪应力明显增大,强度折减法得到的模型试验边坡安全系数仅0.92。研究成果表明：影响膨胀土边坡浅层稳定性的最根本原因并非膨胀土的超固结性或裂隙性,而是土的胀缩特性。     

某超长隔震结构建造过程非载荷变形模拟与监测

针对超长复杂隔震结构在建造过程中出现的非载荷变形问题,考虑混凝土收缩应变和当量温差,对该类结构在建造过程中的温度效应进行有限元模拟,并对结构建造过程中由于温度变化和混凝土收缩导致橡胶隔震支座非载荷变形进行现场监测。通过数据对比分析,表明有限元模拟和现场监测结果基本吻合。结合某平面不规则超长隔震实际工程,总结了隔震支座变形和结构内力变化规律,探讨该结构在最不利温差工况下的隔震支座变形、底板的变形和内力,可以为超长隔震结构的设计和施工提供参考。     

悬挂器坐挂引起的套管二维屈曲失效形式研究

针对尾管固井时尾管载荷过大导致悬挂器坐挂失败的现场问题,提出了坐挂套管局部应力计算方法。该方法基于板壳理论,建立了悬挂器卡瓦与套管的力学模型,分析了套管的屈曲失效模式,得到了塑性铰发生的位置。通过有限元分析软件ABAQUS,研究了卡瓦与套管坐挂时的应力状态,得到了套管在卡瓦挤压下的等效塑性应变。14-3/8″套管坐挂分析结果表明:在弹性范围内,套管局部最大应力的解析值和有限元数值解的误差为15.6%;当卡瓦载荷达到40MPa时,套管的最大应力已经超过弹性极限;当卡瓦载荷达到55 MPa时,套管的塑性区域已经连通,套管将会以塑性铰的形式失效。     

基于温度历程的高强钢丝应变及应力计算方法

在已有1 770级φp5低松弛预应力钢丝高温力学性能试验研究基础之上,建立了高温下预应力钢丝考虑温度历程的应变及应力计算方法.其中的应变计算方法以钢丝应变变化为研究对象,考虑了钢丝温度变化过程中蠕变、温度膨胀、应力变化及变形模量变化对钢丝应变的影响;应力计算方法以钢丝应力为研究对象,考虑了钢丝温度变化过程中应力松弛、温度膨胀、应变变化及变形模量变化对钢丝应力的影响.通过试验验证了应变及应力计算方法的可行性,结果表明,这两种计算方法可用于预应力结构的抗火性能分析.     

强膨胀土—桩基相互作用及隔胀效果数值模拟

黑棉土是一种强膨胀土,其受湿度变化影响呈现很强的胀缩特性,对桩基的承载力和变形不利,易导致断桩等多种问题。本文建立了强膨胀土-桩基有限元模型,分析了胀缩条件下桩基内力和位移的变化规律,与桩-土共同作用解析解对比,验证了数值模型的有效性并解释离心机试验现象。利用该模型进行参数分析,指出黑棉土胀缩对桩的不利影响及工程中采用隔胀措施的必要性,进而模拟局部换填和界面隔胀措施。结果表明:浅表层黑棉土适合采用局部换填隔胀,换填宽度宜不小于膨胀土厚度;深厚层黑棉土适合采用双层分离式隔胀,隔胀套管应保证界面折减程度达到土体参数的30%且布置至黑棉土和普通土分界面附近;桩基承台底部宜增加柔性垫层,预留胀缩空间。     

平面应变状态下砂土剪切带分析

提出一种砂土剪切带的两相平衡模型,此模型可看作一种新颖的分岔解。把剪切带考虑作高应变相,剪切带外部其它区域考虑作低应变相。在跨越两相界面处,考虑了变形梯度和应力的不连续性,以及拖曳力和位移的连续性,并且强加了Maxwell关系。推导出砂土在平面应变载荷下的控制方程,并且此分析归结为寻找使控制方程得到唯一一组物理上可以接受的实数解的载荷的最小值。Maxwell应力、剪切带内部和外部的应力应变、剪切带倾角等均可确定,并与实验所观察到的结果相一致。     

复杂温压条件下循环载荷对水泥环密封完整性的影响实验研究

针对油气井试压,试油,压裂等多工况下的复杂温压条件,分析了循环载荷下的固井界面位移变化情况,基于水泥环密封完整性实验装置,运用气窜法测试了高温高压养护条件下水泥环在套管内压力循环载荷下的密封完整性,并运用CT扫描技术对循环载荷施加前后的试件进行了三维可视化分析。实验结果表明:在较高套管内压循环载荷条件下,经过一定数量轮次的加载/卸载循环后,水泥环在卸载过程中容易发生密封失效,且随着套管内压循环载荷的增大,水泥环密封失效所需的循环轮次越来越少;运用CT扫描手段证实了在套管内压力循环载荷条件下,水泥环一界面最易失效,且损伤最为严重,该研究结论可为复杂温压条件下的水泥环密封完整性评价及保护提供技术指导。     

贵广高铁某区域大桥桥墩下覆岩土体膨胀特性研究

贵广高铁某区域大桥桥墩经过现场监测数据显示在雨季出现抬升,旱季下沉,研究发现这种现象是由于桥墩下覆膨胀岩土造成的。文章在此研究背景下,通过自主设计研制的PZY-1型膨胀仪研究桥墩下覆岩土体的膨胀特性。模拟岩样在一定的干密度、初始含水率、轴向荷载和内压下的膨胀变形特征以及产生的膨胀应力值,获得岩土体在膨胀变形过程中吸水量与岩土体体积变化关系;干密度、含水率与膨胀应力应变的变化关系。主要关系如下:岩体发生膨胀变形过程中吸水量大于土体膨胀量;相同干密度下,初始含水率越大对应的膨胀应力应变越小;相同含水率下,干密度越大对应的膨胀应力应变越大。通过得到的桥基覆盖层下膨胀岩土的变形特征和膨胀力学性质,为今后该地区的勘察设计提供帮助。     

平面SH波作用下套管–水泥环的动力响应

套管完井结构(套管+水泥环+围岩)的长度远大于直径,将平面SH波作用下套管完井结构的动力响应问题简化为二维平面问题,假定套管、水泥环和围岩均为各向同性的均质弹性体,运用波函数展开法和复变函数的保角映射法,根据套管内边界自由、套管与水泥环完全联结和水泥环与围岩完全联结的边界条件,得到散射和折射SH波势函数展开式的待定复系数的理论解。以某气田102井的套管结构为实例,计算地震SH波产生的套管动应力,其最大值大于套管屈服应力,由此说明地震是导致该气田套管变形的直接原因。最后,通过引入动应力集中因子概念,分析围岩和水泥环对动应力集中的影响,结果表明：(1) 降低水泥环的强度可以减小水泥环的动应力集中;(2) 围岩越硬,水泥环的动应力集中越小;(3) 围岩的动应力集中基本不受围岩软硬程度和水泥环强度的影响。     

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。     

四川长宁页岩气水平井压裂套管变形实例分析

选择一口典型井作套管变形实例分析。套管变形是在压裂期间发生的,压裂是套管变形的工程原因。套管变形位置接近小断层,邻井套管变形具有剪切特征,表明套管变形是由小断层滑动引起的。利用微地震监测数据和蚂蚁体追踪数据,识别小断层的倾角和倾向,根据地应力和施工压力数据分析该断层的力学活动性,结果表明应力状态满足滑动条件。分析该井固井质量数据、压裂施工曲线和微地震数据的特征,由于固井质量差,压裂时压裂液可能会突破套管和地层之间的间隙,侵入断层,最终激活断层。因此,为了避免套管变形,建议提高固井质量和避开小断层。     

饱和土体柱形扩孔时大变形不排水统一解析解

 将柱孔周围的土体分为弹性区和塑性区,在弹性区中采用小变形理论,在塑性区中采用大变形理论和统一强度准则。根据应力平衡方程、应力和应变连续的边界条件,推导出考虑土体大变形和不排水时柱形扩孔问题的塑性区半径、极限扩孔压力和超孔隙水压力的理论解答。理论计算结果与现场实测结果较为接近,说明该理论具有一定的参考价值。通过计算分析还可知：扩孔压力随着参数b的增大而非线性增大,而超孔隙水压力则正好相反。     

热-流-固耦合的群井抽灌环境效应分析

分析了地下水源热泵系统3个物理场之间的耦合作用,利用有限元软件建立了热-流-固三场不完全耦合的数值计算模型;通过对渗流场、温度场、应力场、位移场的分析得出:抽灌水引起的水头差导致的强迫渗流对渗流场的分布起主导作用;土体传热和热对流对温度场的影响远小于渗流的影响;应力场主要有两部分:一是温度变化引起的热膨胀应力;二是地下水的强迫渗流对土骨架的作用力;位移场是应力场的外在表现,规律与应力场基本相似。     

软岩层引起的套管外载计算方法研究

在我国部分油田中,软岩层流变致使套管挤毁,造成巨大经济损失。以黏弹性流变模型理论为基础,建立软岩层、水泥环和套管流变耦合的力学模型。从材料本构关系、几何变形协调、静力平衡三方面进行分析,推导出均匀地应力下水泥环和套管流变外载的表达式。编制相关计算程序,研究软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变和水泥环对套管外载的影响规律。研究结果表明,软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变、水泥环力学参数对套管外载的影响较大。井眼的初始蠕变可释放部分流变载荷,改善套管受力;水泥环使套管受力恶化,在井眼环空不注水泥能延长套管使用寿命。所得结论与一些油田的现场实践相吻合,研究成果已成功应用于江汉油田岩盐层固井和套管设计。     

混凝土早期变形与开裂敏感性评价

温度变形和自生变形是硬化混凝土在初龄期两种最主要的变形。温度变形是由水泥水化热和环境温度变化引起的变形,自生收缩变形是水泥水化导致的自干燥收缩变形,这两种变形对混凝土早期开裂敏感性的影响与混凝土的孔结构有关,而孔结构与混凝土硬化过程的温度水平及温度历程密切相关。试验表明,掺硅灰的混凝土具有较高的早期抗拉强度,而掺粉煤灰的混凝土具有更好的徐变应力松弛能力,抗裂性能较好,不同温度历程下混凝土热膨胀系数的准确测定对应力分析十分重要。     

钻孔过程监测在岩体非均质性中的应用探讨

岩体非均质性研究是地质资源与地质工程领域的重要内容,对地下空间及矿产能源的合理开发利用有着重要的意义。为了实时准确地评价页岩储层岩体的非均质性,将钻孔过程监测(Drilling Process Monitoring, DPM)引入铜川地区鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩的现场勘察钻孔试验中,分别监测了钻头转速、钻杆前推压力、钻杆回撤压力、动力头位置4个参数,利用DPM钻进速率参数从多尺度对页岩岩体的非均质性进行了刻画。相关性分析及回归分析结果表明：DPM钻进速率与岩石可钻性、岩体完整性存在显著的相关性。具体地,储层尺度上,DPM钻进速率的变化可反映出储层岩性的变化,DPM钻进速率可定量地评价岩石的可钻性;岩心尺度上,DPM钻进速率的变化可定性地反映出岩芯的完整程度,但在≤100 mm完整岩芯上的钻进速率并不能有效反映出纹层岩性的变化。进一步地,纹层尺度上,>100 mm厚度页岩纹层的纯钻过程位移曲线可被较好地进行线性拟合,而100 mm以下,泥岩、粉砂岩及凝灰岩纹层的纯钻过程位移曲线线性拟合性较差。研究结果对于正确认识DPM对岩体非均质性的划分及应用有着重要的指导意义。     

陕南西乡—镇巴地区龙马溪组页岩气成藏地质条件评价

西乡—镇巴地区位于华南板块扬子陆块北缘,构造系统复杂,黑色页岩较发育,前人对其页岩研究较少。利用野外调研、钻测井及实验等方法,结合前人研究成果,以西乡—镇巴地区龙马溪组页岩为研究对象,对其烃源岩、储层特征及保存条件等进行了详细分析。研究结果表明:研究区页岩厚度大、分布广,烃源岩有机质丰度高、成熟度高,有机质类型主要为I型干酪根,也有部分II型。储层脆性矿物含量高,天然裂缝较多,粘土矿物含量相对少,主要为伊利石,其次为绿泥石和伊蒙混层;孔隙度、渗透率较低,属低孔、低渗储层。成岩作用类型主要有压实-压溶作用和有机质成熟作用。保存条件良好、埋深厚度大、岩性致密、封闭性较好。研究区龙马溪组具备较好的页岩气成藏地质条件。     

塑料套管混凝土桩挤土效应的非侵入可视化研究

 结合透明土、粒子图像测速(PIV)和近景摄影测量3种技术,研究塑料套管混凝土桩(TC桩)的挤土效应,并对周围土体的变形规律进行探讨,且与传统静压桩打设引起的土体变形进行对比。试验结果表明：圆锥桩尖引起的最大变形量相比平底桩尖的降低了40%;而在平底桩尖TC桩的成桩过程中,影响区域扩展到了远离桩体中心线11倍桩径处,而对于圆锥桩尖,则为6倍桩径;沉管上拔引起的土体移动主要发生在上拔前期,对于圆锥桩尖TC桩,其沉管上拔过程引起的最大位移量和影响区域分别约为平底桩尖的57%和33%,然而,在TC桩成桩过程中,沉管打设是引起土体变形的主导因素,沉管上拔引起的土体恢复变形较小;在与TC桩沉管直径相同条件下,传统静压桩打设引起的土体变形量与TC桩的相一致,然而其影响区域略小。