热采水平井塑性破坏半径预测方法及应用

有关疏松砂岩油藏水平井塑性破坏半径的研究没有考虑高温交变应力对近井岩石塑性破坏过程的影响.分析热采复杂条件下的水平井近井地层应力分布规律,提出基于不同岩石破坏准则的近井塑性破坏半径预测方法.结果表明,井壁处的塑性屈服函数值越大,井壁破坏程度越大,出砂越严重,塑性屈服函数的零点即为塑性破坏半径.井底温度越高,塑性破坏半径越大.塑性破坏半径受原地主应力顺序、井周角、方位角、井底流压等因素影响.当垂向主应力大于水平主应力时,垂直方向上的塑性破坏半径最大;反之,水平方向上的塑性破坏半径最大.当水平井方位角为0°(或180°)时,井周塑性破坏半径最大;当水平井方位角为90°(或270°)时,井周塑性破坏半径最小.该研究成果对于热采水平井出砂预测有一定的指导意义.     

井眼倾斜角和倾斜方位对裸眼完井地层出砂的影响

结合等效塑性应变准则定量地研究了井眼倾斜角和倾斜方位对裸眼完井砂岩油藏出砂的影响.计算结果表明,在一定的应力和地层条件下,井斜角在0～45°时,随着井斜角的增加,井壁内的塑性应变最大值和塑性区范围都不断增加,出砂的趋势增大;当井斜角在45°～90°时,随着井斜角的增加,井眼内最大塑性应变逐渐减小,出砂趋势减小.井斜角相同,但井眼倾斜方位不同的井,井壁内产生塑性变形的区域不同,塑性变形的程度也不同,从防砂的角度,井眼,尤其水平井眼应该沿原地最小水平主应力方向,或尽可能靠近最小主应力方向.     

水平井产量与出砂关系的研究

通过对定向井、水平井生产时期的受力分析,讨论了油气层出砂与地层原地应力、地层压力、井斜角、方位角之间的关系。研究表明,对于出砂油层来说,应该控制油井产量以保证油井正常生产。提出了油气井临界井底流压和安全产量的概念,对科学地管理油气井有着一定的现实意义。     

疏松砂岩油藏中射孔井的出砂模拟研究

疏松砂岩油藏普遍面临出砂问题,地层应力条件和储层强度是影响出砂最重要的地质条件.分析近井围岩应力分布和射孔孔眼应力分布,进而建立地层出砂预测模型,考虑射孔方位的影响,绘制地层出砂趋势的风险等级划分图版.     

预测水平井产能与出砂量的一种新方法

本文用数值法求解描述水平井流动状态的偏微分方程。获得储油层中各节点的压力分布和三个方向上的速度分布，从而计算水平井的理想产能。并建立了储层中砂浓度的场模型，由此预测出砂井的出砂量。     

江汉油区出砂油井治理技术研究

经过40年的开发,江汉油区地层出砂越来越严重,致使作业维护井次逐年上升,严重影响了油井的正常生产。根据江汉油区出砂储层地质特征和出砂井生产现状,有针对性地开展出砂井井筒清砂和携砂举升采油技术研究或矿场试验,使出砂井治理收到了一定效果,缓解了地层出砂对油井生产的影响,为进一步开展出砂油井治理指明了主攻技术方向。     

基于井周应力作用下气井出砂定量预测

基于气井防砂的重要性,本文以松辽盆地徐家围子气田矿场数据为基础,研究了生产时地应力作用下的地层出砂。在4个假设条件的前提下,从地层应力角度出发,建立了基于井周应力作用下气井出砂预测模型,认为生产时出砂不仅在井壁而是延伸至井周一定范围,即满足塑性破坏条件的出砂半径内的出砂,基于井周应力分布依据岩石破坏准则计算气井出砂半径,根据出砂半径内流体渗流规律计算得出气井在一定产量生产时的出砂量.研究结果表明:在应力分布变化方面,径向有效应力、周向有效应力、轴向有效应力分布随圆周角周期性变化,实际大小与该地原始地应力分布有关.X1井周向有效应力随井周角变化较大,极差为24.49 MPa;径向有效应力极差为1.99 MPa;轴向有效应力极差为6.62 MPa.出砂临界半径与井周应力关系密切,随着距井轴距离的增大,地层应力的综合作用逐渐不能满足岩石破坏准则,岩石不在此地应力作用下发生破碎.X1井出砂半径为0.137 m,可认为大于0.137 m范围的井周岩石不在地层应力作用下破碎出砂.该模型在气井投产初期出砂量的预测效果较好,气井出砂量误差控制在2.6%以内,这说明模型对气藏开采初期的出砂具有较好的预测作用.     

海上疏松砂岩出砂快速分析系统研究

出砂是海上油气田开发过程中经常面临的问题,大型出砂分析软件和室内实验能提供精确度较高的分析判断结果。一方面需要大量的油藏地质数据,而在勘探开发程度较低的地区却难以获取足够参数;另一方面,室内实验研究需要岩心的支持,但岩心获取成本极高,尤其是开发成本高昂的海上油气田。为此,整合经验模型和精度更高的力学模型,从经验判断、出砂风险分析、围岩塑性破坏区分布等多种角度进行出砂趋势的研究,编制防砂设计模块,建立了一套使用便捷,能广泛应用于现场,能为现场人员提供更为全面准确的出砂趋势判断的分析系统。     

基于突变理论的油气井出砂预测新方法

根据弹塑性力学理论建立了考虑渗流情况下的油气井井眼围岩的势能函数,以该势能函数为基础,应用突变理论的尖点突变模型研究油气井的出砂物理过程,进而建立了出砂预测的全新数学模型,求取无砂生产的临界流速,并在此基础上对影响出砂的敏感性因素进行了分析.首次引入突变理论对油气井出砂机理进行分析,建立了无砂生产临界流速的全新求解方法.实例表明该模型的计算结果可靠,敏感性分析表明塑性区的污染是出砂的主要原因.相对以往出砂预测模型,该模型考虑的因素更多,计算结果更可靠.应用突变理论研究油气井出砂机理为出砂预测提供了新的研究方法.     

港西油田出砂油井砂粒自由沉降速度研究及应用

为提高出砂油井同心双管水力喷射携砂采油工艺设计参数的合理性,有效防止出砂油井在生产过程中砂粒沉积,避免油井出现砂卡、砂埋现象。以砂粒水动力学为依据,通过室内实验分析,建立了砂粒等价水动力粒径与筛析粒径直线关系式,并根据砂粒自由沉降规律,分析出了不同颗粒直径砂粒在井筒中的自由沉降速度,然后对比井筒混合液向上流速,判断出油井是否会出现沉砂。结果表明:建立的砂粒自由沉降速度模型可用于直井、斜井和水平井的砂粒自由沉降速度分析,能为港西油田出砂油井同心双管水力喷射携砂采油工艺参数的优化设计提供技术支撑。     

运用Drucker—Prager准则的深埋圆形硐室弹塑性分析

基于Drucker—Prager准则,考虑了中间主应力对煤岩塑性屈服的影响,得出了深埋圆形硐室围岩的弹塑性解．与修正的Fenner方程作比较,分析得出了在考虑了中间主应力的情况下,圆形硐室的塑性圈半径变大,而且内摩擦角在20°～45°以及粘结力较大时,两者的塑性圈半径相差并不大,但粘结力较小时两者相差较大,且相差趋势越来越明显．推导结果对现场巷道的支护设计具有参考作用．     

采用总荷载不变法的非静水压隧道摄动拓展解

为描述实际地应力场下隧道塑性区演化规律和支护设计原则,基于Mohr-Coulomb准则和弹-脆-塑性模型,采用总荷载不变法并引入弹性区应力摄动解,建立了非静水压力下圆形隧道水平轴和竖向轴处的塑性区半径方程,继而利用几何相似原理拓展至其他方位角处,并与文献总荷载不变法(以应力基尔希公式为基础)、Kastner法、复变函数法和实测数据进行对比,结合非关联流动法则推导塑性区位移解析解,探讨侧压力系数与脆性软化对隧道塑性区边界线、塑性区位移分布和围岩特征曲线的影响特性。结果表明：相比文献总荷载不变法和Kastner法,2阶摄动解作为非静水压圆形隧道的弹性区应力表达式更合理,且得到复变函数法的正确性验证;侧压力系数对隧道塑性区边界线的形状和范围均有明显影响,需针对具体方位角选择支护类型和尺寸以调控收敛约束交点处的支护压力与围岩稳定变形;隧道塑性区半径和洞壁位移随围岩峰后强度的降低而显著增加,宜使用弹-脆-塑性模型构建围岩特征曲线。     

植被根系对土体抗剪强度影响的试验研究

以狗牙根为研究对象,分析了实验用土的液塑限、最大干密度、最优含水量;采用单因素法设计,分别使用竖直、水平、与水平方向成30°3种方式向试样中放置根丝进行GDS三轴试验,绘制了试样的应力应变曲线和包络图,分析了狗牙根加筋土主应力差与轴向应变的关系。结果表明:素土及含根土围压-偏应力间呈线性关系;根丝植入对有效内摩擦角φ影响较小;根丝水平放置、倾斜放置时对试样粘聚力c影响较小,竖直放置时对c值有明显增强作用。这是由于水平和倾斜的放置方式,减少了样品的有效受剪区域。     

广义Hoek Brown破坏准则平面应变问题的滑移线场理论

根据弹塑性力学平面应变问题的特点,推导广义Hoek-Brown破坏准则平面应变问题应力分量的双参数表达式。代入静力平衡微分方程,得到双曲型一阶拟线性偏微分方程组。运用行列式方法,在适当的变量代换后,获得应力偏微分方程组的特征方向和特征上的微分关系。特征方向表明塑性区中的共轭斜交剪切滑移面形成两族非正交滑移线,其共轭角随极限应力状态和Hoek—Brown岩体材料物性参数而变化。由于对称初始应力场条件下圆形硐室理想弹塑性围岩塑性区内最大主应力方向为环向,而滑移线切线方向与最大主应力方向的夹角是最小主应力（径向应力）的函数,结合圆形硐室理想弹塑性围岩的应力分布的分析解,获得滑移线的极坐标曲线所满足的微分方程,进而得到其极坐标曲线方程。     

Test studies of gas flow in rock and coal surrounding a mined coal seam

An analysis of the variation rule of abutment pressure at the mining working face in a single coal seam and the mechanical behavior of surrounding rock during stoping is presented. Consideration of the elastic and plastic deformation zones that develop during the mining process allowed the determination of a relationship between horizontal stress and vertical stress. Based on this, a confined pressure unloading test was conducted by the use of the “gas-containing coal thermo-fluid-solid coupling 3-axis servo seepage” experimental apparatus. Thus, gas flow patterns in the elastic and plastic zones were derived from an experimental point of view. Darcy’s law and the Klinkenberg effect were used to derive a gas flow equation for the elastic and plastic stress fields. The study of gas flow phenomena at the working face during coal mining is of great importance for the study of gas migration and enrichment patterns.     

竖井施工对软土地基的扰动效应研究

为了分析竖井施工扰动对竖井排水效果的影响，基于圆柱形孔扩张理论，并考虑土体自重应力的影响，采用Mohr-Coulomb屈服准则，得到了弹塑性交界处土体位移、塑性区半径以及最终挤土应力等理论计算公式．对塑性区沿深度的变化规律作了仔细分析，分析表明塑性区呈上大下小的漏斗形，半径大小与埋深、土体参数等密切相关．在塑性区分析的基础上，进一步指出传统竖井固结理论认为涂抹区与深度无关的假设跟实际不符，对不同竖井的涂抹区范围取值不加区别也不甚合理，所建议的涂抹区范围对于袋装砂井来说偏小，宜根据土质、竖井类型等来选择涂抹区范围.     

深部隧道围岩的流变

隧道围岩的流变对于隧道的长期稳定性影响很大,尤其对于深部隧道来讲更是如此. 目前利用线性及非线性粘弹性流变模型对于隧道围岩的研究较多,初始状态多取为弹性状态. 但在深部,由于初始地应力很大,在隧道开挖后,可能会马上出现塑性区. 因此初始参照状态应该取为弹塑性状态,而且应该考虑塑性区及弹性区力学性质的不同. 现利用Shvedov-Bingham模型理论研究了隧道围岩在初始时刻出现塑性区情况下的流变情况,并考虑塑性区及弹性区力学性质的不同, 给出了流变区半径及应力应变的解析解,并分析了应力分布及流变半径的变化规律.     

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解的讨论

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解——Kastner解适用于软岩和小变形情况,若用于非软岩和大变形情况,从Kastner方程会导得：不论巷道围岩塑性变形多大,巷道周边切应力恒等于岩体峰值强度;围岩所承受的地应力可以随围岩塑性区半径增大而持续增大,随巷道周边位移增大而持续增大;此外,Kastner解中切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处有尖峰向上的应力集中.采用符合岩石实际的弹性、非线性硬化和软化光滑连接的应力-应变关系得到的巷道围岩分析解,可以弥补以上三点不足,恰当地反映巷道临界深度和巷道围岩自承地应力极限问题;所绘出的切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处光滑连接,因而有更广的适用性和精确性,对巷、隧道围岩大变形支护设计有参考作用.     

基于Mogi-Coulomb强度准则的隧道围岩理想弹塑性解答

合理选择岩石强度准则对隧道应力及位移预测和支护设计都具有重要意义,基于Mogi‐Coulomb强度准则和理想弹塑性模型,通过中间主应力系数反映中间主应力的影响,推导了圆形隧道围岩应力和位移的解析解,并对所得结果进行比较与验证,得到了中间主应力和围岩抗剪强度参数的影响特性。研究表明：具有广泛的适用性和较好的可比性,Mohr‐Coulomb强度准则解答和Matsuoka‐Nakai准则解答均为其特例;结果关于中间主应力系数 b＝0.5对称,较好地反映了岩石强度的中间主应力效应及其区间性;粘聚力及内摩擦角对围岩塑性区半径和隧道洞壁位移的影响显著,应充分考虑中间主应力影响及围岩抗剪强度参数变化对隧道设计与施工的影响。     

黏土中考虑土体卸荷效应的后注浆压密模型

为研究黏土中考虑土体卸荷条件下后注浆的压密效应,基于球孔扩张理论并通过土体弹性模量折减值来考虑不同卸荷程度的影响,建立考虑土体卸荷效应影响的压密注浆模型,计算不同卸荷程度下压密注浆极限注浆压力、浆体扩张率、塑性区扩张率、径向和环向应力以及径向位移沿径向的分布关系.结果表明:压密注浆极限注浆压力以及塑性区半径随浆体扩散半径增长的速率均随土体卸荷比的增大而非线性减小;同一注浆压力下,当卸荷比小于0.8时,土体卸荷程度不同对土体内部径向应力、环向应力以及径向位移沿径向分布不产生显著影响,当卸荷比大于0.8时,注浆体周围同一位置处的土体径向应力、环向应力以及径向位移显著高于卸荷比小于0.8时的情况;同一注浆量下,相同位置处的土体径向应力,达到最小环向应力、稳定环向应力和稳定径向应力对应的径向距离均随卸荷程度的增大而减小,但是土体径向位移分布不受卸荷程度改变的影响;同一卸荷比下,相同位置处的径向应力,达到最小环向应力、稳定环向应力、稳定径向应力以及稳定径向位移对应的径向距离均随注浆量的增大而增大;最小环向应力值不受卸荷程度和注浆量改变的影响.