温度对气层气体钻井井壁稳定的影响

气体钻井过程中气体经过钻头喷嘴后产生焦耳-汤姆逊冷却效应,导致井底温度远小于地层温度。当气层被钻开后井壁围岩温度、孔隙压力和应力分布发生改变,容易引起井下复杂事故。为此,分析了井底低温对致密砂岩气藏气体钻井井壁稳定的影响。研究表明,井眼钻开后井底低温产生拉热应力,使近井壁有效应力减小,有利于防止岩石剪切失稳,但增加了岩石产生拉伸破坏的可能。气层气体产出使近井壁地层孔隙度和渗透率减小,不考虑井底低温时减小程度偏大。气体钻井近井壁可能存在塑性区,低温使塑性区向地层延伸更容易导致井壁失稳。塑性区的形成不仅取决于水平地应力,而且与垂向地应力有关。通常致密砂岩气藏埋藏较深,垂向应力影响大,其弹塑性分析需考虑三维主应力的影响。     

三向非等压应力场下围岩主应力差与塑性区分布关系研究

首先,以弹性理论为基础推导出考虑巷道轴向应力影响的主应力差解析式,通过变化水平侧压比、轴向侧压比研究完全弹性条件时不同应力场下主应力差分布形态演化规律。其次,推导出考虑轴向应力作用的围岩塑性区近似解,研究不同应力环境下围岩的塑性区形态演化规律。最后,对比分析主应力差及塑性区形态特征,研究二者分布形态的对应关系,并通过数值模拟验证理论分析的正确性。研究结果表明：在弹性理论下,三向应力场条件的主应力差值分布会呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态的演化规律;在考虑巷道塑性破坏的情况下,主应力差值在σx、σz较小一侧形成峰值壳,在较大一侧形成卸压壳。在不同水平侧压比及轴向侧压比情况下,围岩塑性区形态会呈现圆形—椭圆形、椭圆形—蝶形、蝶形恶性扩展3个阶段的演化过程。巷道主应力差的分布形态在一定程度上可以反映塑性区形态,主应力差和塑性区在相同应力条件下的形态特征具有逐一对应关系,且二者形态在很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压比对塑性区形态影响较小。160206回风巷在偏转式主应力差集中区形成非对称异化特征。本文基于分析及现场破坏情况提出的联合协同支护技术在现场应用效果较好。     

泥页岩多场耦合流变模型

在泥页岩井壁稳定性分析中,考虑岩石的流变特性和初始微缺陷造成的损伤及其耦合发生过程中的演化扩展,以经典半透膜渗透理论和多孔介质有效应力原理为基础,建立了泥页岩岩石应力场、化学场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,给出了泥页岩在力学与化学耦合下蠕变损伤的有限元分析格式,分析了其对应力场、孔隙压力、渗透率的影响。结果表明:井壁围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性特性,应力最大值不在井壁上,而是在近井壁地带,在井眼附近会形成应力集中,造成井眼破坏,导致井壁失稳;围岩孔隙压力随时间、距离的增长而增大后趋于平衡;岩石蠕变损伤发展引起渗透率先减小后增大,其演化率与岩石的裂缝扩展一致。     

不同应力水平下煤的渗透率演化规律研究

在煤钻进时,井周裂隙发育,钻井液易侵入井周附近地层,影响井周应力分布。准确确定不同应力水平和损伤程度下的煤渗透率是定量计算煤井壁损伤区应力变化,进而分析煤层井壁稳定性的关键。针对长畛矿3#煤,利用MTS816电液伺服岩石试验系统进行不同渗透水压和围压条件下的全应力-应变过程渗流特性试验研究,测定了煤渗透率随应力水平和损伤程度的变化规律。根据分析结果,将渗透率随加载应力增加的变化分为两个阶段:稳定下降阶段与急速上升阶段,建立了煤的渗透系数演化方程;并印证了推导的理论曲线能很好地对应实验结果。     

井壁Ⅰ型裂缝尖端塑性区研究

探讨考虑中间主应力效应的井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布情况及影响因素。基于双剪统一强度理论,对井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布进行研究,建立了Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解表达式,并以泥页岩井壁为例,求解出泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解,进一步推导了考虑围压作用的泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区计算公式。同时讨论了不同b值、不同拉压强度比、不同强度准则下泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区的变化趋势。结果表明随着中间主应力发挥比例的不断增加,塑性区曲线不断平滑,塑性区裂缝尖端延长线上的裂缝扩展速率也相应降低。考虑中间主应力的积极作用可以使含张拉裂缝的井壁围岩充分发挥岩石自身强度,减小塑性区范围,同时降低裂缝在尖端延长线上的延展。     

锦屏二级水电站施工排水洞岩爆机理及特征分析

利用FLAC3D软件模拟锦屏二级水电站施工排水洞典型洞室断面围岩开挖应力调整过程,通过关键点应力监测分析洞壁不同深度围岩应力变化过程特征及岩爆潜在动力源分布情况,同时,据自洞壁围岩应力释放率分析研究岩爆滞后性特征。研究结果表明:洞壁浅表层围岩最大、最小主应力皆为降低过程,发生应力降低型屈服却不易积聚弹性应变能;距洞壁一定距离处围岩发生塑性屈服并积聚较高弹性应变能,形成岩爆潜在动力源,随围岩屈服过程不同程度地释放能量,对浅表层屈服围岩的稳定产生影响进而发生岩爆灾害;深部弹性区围岩亦聚集较高的应变能,会进一步加剧岩爆的等级及破坏性;围岩应力释放率较低时不会发生岩爆灾害,应力释放率逐渐变大,围岩弹性应变能及塑性应变能分布特征逐渐变化,释放率达到70%～80%时围岩将发生岩爆灾害。     

混凝土弹塑性多轴损伤模型及其应用

针对混凝土多轴应力状态下各向异性损伤的特点,建立了各向异性弹塑性损伤模型.该模型具有可清晰地表征混凝土的渐进破坏过程和表达当前损伤水平及结构破坏趋势的优点.引入了一个应力状态因子,用以表征当前应力状态在应力空间中距离破坏面的程度,从而对损伤演化方程进行了改进以考虑多轴效应.此外,在三轴破坏准则的基础上,还建立了考虑混凝土各向异性损伤破坏的多轴损伤破坏准则,其中包含了塑性、损伤内变量和有效主应力的影响.本模型可有效地表达出混凝土的各向异性和多轴损伤特点.     

海上钻井井壁稳定性研究及应用——以A-1井为例

井壁的稳定性问题是一项急需解决的世界级难题,井壁失稳在世界范围内的各个油田中普遍存在。A-1井是一口位于东海某区块的直井,根据相邻已钻井复杂情况统计可知,该区块遇阻、掉块、卡钻等问题频发。将理论分析与数值模拟相结合,通过收集大量的地质、地震、钻井和测井资料,选择合适的理论模型,预测计算了A-1井的地应力、孔隙压力、破裂压力、坍塌压力等,绘制出了地层七压力剖面图,进而得到该井的安全钻井液密度窗口。经与实测点比对,孔隙压力和破裂压力的预测误差均小于5%。本文基于弹塑性力学理论,分析了井壁围岩的应力状态,并利用ABAQUS软件对井壁稳定性进行了数值模拟,分析了钻井液密度对井筒稳定性的影响,发现在低钻井液密度条件下,井周应变不均匀性明显,最小主应力方向上的井周应变远大于最大主应力方向上的井周应变;而在高钻井液密度下,井周应变较为均匀,没有明显的差异性。研究成果为了解目标区块井壁稳定机理提供了有力工具。     

层理性泥页岩大斜度井井壁稳定性研究

层理性泥页岩的井壁失稳是制约深部油气钻井成功的关键问题之一。由于强度的各向异性,钻进大斜度井时更容易发生严重的井壁失稳问题。根据多孔介质弹性力学理论,建立了大斜度井井周应力状态,采用双重坐标转换,得到了井周集中应力在层理面上的分布。层理弱面和岩石基体均采用莫尔-库仑破坏准则,建立了层理性泥页岩大斜度井井壁稳定分析方法,综合考虑了层理面产状、井斜方位和地应力等因素的影响。研究结果表明,对特定产状的层理面而言,井斜角和方位角对井壁稳定性有重要影响。当井斜角超过一定角度后,坍塌压力急剧升高,井壁失稳风险增大,维持井壁稳定需要的钻井液密度较高,向水平最大主应力方向钻进大斜度井时坍塌压力最高,井壁失稳风险最大,应尽量避免井眼方位与水平最大主应力方向一致。     

开挖过程中隧洞围岩应力主轴旋转及其对围岩破坏模式的影响

采用扩展有限元法(XFEM),通过模拟岩体初始裂隙,研究应力主轴旋转变化下的岩体裂隙扩展模式;以某地下隧洞工程为例,分析隧洞开挖过程中不同部位围岩主应力旋转变化情况;结合应力旋转下岩体裂隙扩展模式,研究这种变化对围岩破坏的影响。研究结果表明:应力方向的旋转会造成围岩中初始裂隙在扩展深度和扩展方向上发生明显变化;在隧洞开挖过程中,洞顶附近岩体的应力方向则在旋转一定角度后即恢复初始方向,边墙附近岩体主应力最大旋转角度接近90o;受应力主轴旋转影响,不同类型岩体宏观上表现为不同的破坏模式,在实际工程中应予以关注。     

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。     

热孔弹塑性完全耦合作用下的井底岩石应力分布

井底待破碎岩石所处的应力状态作为影响其破碎的关键因素而直接影响着钻井效率,建立综合考虑上覆岩层压力、水平地应力、液柱压力以及孔隙压力和地层温差完全耦合作用下井底岩石的三维物理模型,借助有限元软件进行求解,研究在不同液柱压力、不同井深、不同温差以及不同渗透系数作用下井底岩石应力分布的数值解。结果表明:液柱压力、井深以及温差越大,井底表面岩石最大主应力越大;渗透系数减小,井底表面最大主应力先增大后减小;在井眼轴向方向,在距离井底表面以下一定距离之后,液柱压力和井深越大,岩石最大主应力越小;温差对岩石最大主应力没有影响。     

不同侧压系数下各向异性巷道围岩破坏模式研究

针对各向异性初始应力状态(不同的侧压力系数下)的岩体巷道开挖问题,利用复合材料的Hoffman强度准则考察各向异性对巷道周围应力、位移和塑性破坏区的影响.结果表明:巷道围岩的最大主应力与侧压系数无关,当θ=30°~60°时为最大,θ=0°,90°时为最小.随θ的增加,巷道围岩的水平位移增加,垂直位移减小.在各向异性岩体中强度较大的方向与最大应力方向一致时,破坏发生在此方向,塑性破坏区的范围为最大.     

层理性泥页岩井壁失稳机制的FLAC3D 数值分析

 在层理性泥页岩钻井过程中经常出现井壁失稳,影响钻井的顺利进行。考虑层理性泥页岩的岩块和层理特性,采用层理岩石单元和层理面单元的组合模型描述层理性地层的破坏模式。利用有限差分数值模拟软件FLAC3D建立层理性泥页岩井眼的有限差分计算模型,模拟了实际钻井过程。和均质地层对比,分析了层理性泥页岩井眼的塑性区分布、井眼位移和次生应力分布特点。数值模拟再现了层理面的变形破坏现象,描述了层理面的滑移特征。研究结果表明,数值模拟结果和实际钻井现象相吻合,层理面上下两侧位移差最大为0.8mm,层理面滑移位移是错动位移的8.13倍,证明了层理面的滑移是层理性泥页岩井壁失稳的根本原因。分别模拟了地应力、层理面空间分布、井眼轨迹参数和井眼尺寸对倾斜层理直井和水平层理斜井的变形破坏规律。     

基于修正莫尔-库仑准则的围岩瞬态卸荷塑性变形分析

将卸荷视为动态过程,采用包含拉伸截断和帽盖模型的修正莫尔-库仑准则,对不同开挖形状和应力状态条件下围岩瞬态卸荷塑性区进行了分析.研究结果表明:瞬态卸荷可导致自由面附近产生塑性变形,造成围岩损伤弱化甚至破坏;拉伸应力是造成围岩动态卸荷破坏的重要因素;塑性变形随着埋深的增加而增大;最大压应力方向易于产生塑性变形,以拉伸变形为主,当初始应力满足一定条件时,最小压应力方向将产生严重压剪塑性变形;从卸荷的角度考虑,巷道断面曲率较大为宜,尽量避免直线形边界.     

岩石在不同应力条件下的本构模型与损伤演化

目的建立反映岩石破裂过程的本构关系,解决由于其天然的复杂形态和赋存条件的多样性而导致的复杂破坏特性问题.方法借助连续损伤理论和Weibull统计分布函数,针对岩石不同应力条件下的变形特征分别建立本构模型,并通过引入损伤因子导出损伤演化方程.结果岩石在受到单轴应力以及三轴应力时所得到的本构方程在原理上是一致的,区别在于在受到三轴应力时需考虑围压的影响.随着轴向应变的增大,岩石要经历微型隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段.在三轴应力试验中,随着围压的增大,上述阶段会变得缓慢.结论岩石的应力应变曲线实质上是以裂纹为主的变形破坏过程,是损伤变量趋于1的发展历程.围压增大抑制了岩石中微裂纹的扩张,说明围压会改变岩石的受力状态,宏观上表现为岩石平均强度的增大.经参考试验结果验证,所建立的模型合理可行.     

变形路径对金属塑性损伤的影响

在复杂应力状态下延性金属材料的塑性损伤依赖于加载路径．作者基于伊留辛塑性理论并考虑加载路径的影响，建立了塑性损伤演化方程；并用该方程分析了单调拉-扭加载下金属的塑性损伤．分析结果与实验结果相比较，在破坏应变方面是一致的．     

活性粉末混凝土的疲劳损伤研究

为了探明活性粉末混凝土的疲劳损伤机理,建立疲劳损伤模型,设计了4种不同应力水平下活性粉末混凝土棱柱体试件的疲劳试验,观察了试件的破坏模式和宏观裂纹的演变过程,测量了加载过程中的纵向应变.研究表明,活性粉末混凝土的疲劳损伤可分为三个阶段,且只有当荷载循环次数超过一定阈值时才会发生宏观疲劳损伤;采用累积残余塑性应变定义了活性粉末混凝土的损伤,根据试验数据得到疲劳损伤曲线;利用损伤力学理论建立了活性粉末混凝土的疲劳损伤演化模型,确定了模型参数,模型表达合理, 形式简单,便于工程应用.     

分支井连接段有限元建模与分析

分支井作为一种能够更加有效地开采油气藏的钻井技术,在国内外已经得到普遍推广。然而在应用该技术的实践中也遇到了一些新的难题,井壁稳定性就是其中之一。在前人研究的基础上,采用有限元方法建立分支井连接段的三维模型,综合考虑各向异性地应力,流体对岩石骨架的影响和方位角、倾角变化等,得出连接段附近的应力–应变和渗流场分布规律。并根据摩尔–库仑准则,利用有限元后处理程序图形化了井壁稳定的预测情况。分析结果表明：当支井方位角为90◦,即与最大水平主应力平行时连接段井壁最稳定;井眼直径和连接段位置深度对井壁稳定性影响较小;后期生产压差过大也会增大裸眼完井井壁失稳的可能性。     

动压巷道顶板非均匀剧烈变形机理及其稳定性控制

针对布尔台矿保留巷道受一次采动影响后出现的顶板非均匀剧烈下沉且补强微效的情况,综合现场监测、理论分析、数值计算等方法,分析采空区侧方应力分布规律及其影响下的巷道塑性区发育特征,并对支护阻力对采掘应力场和采动塑性区的控制作用进行系统研究。研究结果表明:1)巷道围岩围压比控制围岩塑性区的发育形态,不同强度的围岩对蝶形塑性区的成蝶敏感性不同,且蝶形塑性区具有方向性;2)受采动影响,采空区侧方最大最小主应力的变化引起主应力方向与围压比处于动态变化中;3)受应力变化的影响,侧方不同位置塑性区也是变化的,且不同围岩成蝶敏感性的不同导致顶板出现隔层塑性破坏,非均匀塑性区内岩石破坏对应的膨胀压力及碎涨变形导致巷道非均匀剧烈下沉及锚索破断;4)巷道工程现有支护水平对采动塑性区的控制作用有限,解释了给定条件下大密度补强的作用有限性。