射流冲击载荷对井底岩石应力场的影响

考虑三向地应力、液柱压力、孔隙压力和射流速度的影响,建立射流冲击井底岩石流固耦合模型,运用有限元及有限体积法进行求解。结果表明:井底压差越大,井底岩石最大主应力越大;射流最大冲击压力与速度平方成正比,孔隙压力在冲击面和冲击轴线上随距离增加均呈"三次抛物线"减小;射流冲击井底岩石存在明显的局部效应,射流主要影响区域在冲击面上约为2倍射流半径,在冲击轴线上约为2.5~3.5倍射流半径,与应力波理论结果相吻合。     

欠平衡井底附近岩石应力状态分析

由于欠平衡钻井具有大幅度提高钻速、有效保护油气层和降低钻井成本等优点,被广泛应用于国内外各大油田,但对欠平衡钻井井底岩石应力状态特点的相关研究较少。本文以欠平衡钻井井底附近井眼为研究对象,通过分析地应力、孔隙压力、液柱压力等对井底岩石机械力学特征变化的影响,来研究欠平衡条件下非渗透性井壁和渗透性井壁岩石的破碎效率、井斜、井壁稳定等问题。研究结果表明：井底附近岩石力学性质受地应力、孔隙压力、井眼及液柱压力等的综合作用。非渗透岩石时,欠平衡钻井破岩效率高,机械钻速大,井壁集中力大,易井斜;渗透井壁时,随渗透率的增大,欠平衡钻井破岩效率降低,机械钻速减小,井壁集中力减小,井斜倾向变小。     

基于空间球对称模型的井底岩石可钻性研究

针对井底复杂应力环境下的岩石可钻性问题,开展了岩石可钻性和岩石单轴抗压强度实验和理论研究,研究 中采用弹性力学理论和Drucker-Prager 强度准则,建立了球坐标系下的井底岩石可钻性模型,并以川西地区某井须家 河组致密砂岩实验数据和测井资料为基础,进行了算例分析。结果表明,井底岩石可钻性随着液柱压力的增大而增 加;井深一定时,沿井底表面径向方向,随着距离的增加,岩石可钻性增大。该模型计算结果,能够较好地反映井底岩 石可钻性级值的变化规律,有助于钻具优化设计。     

基于等效岩体表征方法的花岗岩切削破碎机理

利用离散元颗粒流方法，建立了花岗岩的等效岩体表征模型，研究了单向应力和双向应力作用下钻齿切削花岗岩的切削力动态响应、微宏观裂纹、岩屑生成、能量耗散等机理问题.研究发现，晶间拉伸裂纹和晶内剪切裂纹是切削过程中产生的两种主要裂纹；随着切削深度的增加，裂纹数增加；单向应力下，侧压和液柱压力都会使得岩石压实，使总裂纹数降低，增加切削能耗，且液柱压力对花岗岩破碎的影响高于同值下的侧压，而大侧压或液柱压力会使得晶间拉伸裂纹数量增多；双向应力下，液柱压力对花岗岩破碎的影响远远高于同值下的侧压，侧压和液柱压力的相对大小是影响花岗岩破碎的重要因素.研究结果可为深部硬脆性花岗岩地层的钻井提速提供借鉴和依据.     

应力敏感条件下合理井底流压的判定研究

针对低渗透应力敏感性油藏,生产压差过大后会造成近井地带岩石破碎,从而导致渗透率下降,进而影响油井产能问题,为使低渗透油藏能够得到合理高效开发,本文介绍了渗透率变异系数的计算方法,并推导出考虑应力敏感对储层造成伤害情况下,采油指数和生产压差之间的关系模型,该模型可判定出最大采油指数所对应的流压就是合理井底流压。现场实例计算验证了模型的正确性并分析了渗透率变异系数对合理井底流压影响。指出渗透率变异系数越大,最大采油指数也越低,随井底流压的继续减小而降低的幅度也越大,最大采油指数所对应合理井底流压就越大。     

粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究

地下开采诱发顶板冒落的破碎岩石力学性质直接影响上覆岩层的移动规律。针对破碎岩石力学性质的研究,往往采用理论分析结合室内试验的方法,而室内试验的结果往往与真实现象之间往往存在尺寸效应,并不能直接应用到生产指导中去。本文采用模型试验的方法,对冒落带破碎岩石进行缩尺,利用自主设计的破碎岩石压实仪进行破碎岩石力学特性试验,得到4种不同粒径下碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石块径、压实应力对碎石压实力学特性的影响。研究结果表明：极限轴向应变随粒径的增大而增大,并且增长速率逐渐减小;岩样粒径越大应变增长率越大,所有岩样变形初期的应变增长率大于后期应变增长率;初始切线/割线模量随粒径的增大而减小,降低速率也逐渐减小,随着轴向应力的增大,割线/切线模量受粒径变化影响越大;轴向加载应力相同时,粒径越大的岩样压实度变化越明显,随着应力的增大,压实度呈对数增长。     

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。     

脉冲水射流破岩过程中的应力波效应分析

引入Johnson-Holmquist-Concrete岩石非线性本构关系,利用光滑流体粒子动力学方法,模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波形成、传播及衰减过程,得出了高速脉冲射流作用下岩石表面不同位置处应力值随时间变化曲线,以及应力波峰值强度与离射流作用点距离的关系曲线,根据计算结果分析了岩石在应力波效应下的破坏行为以及射流速度、岩石性质对应力波效应的影响。分析结果表明：脉冲射流的应力波效应具有较强的局部性,应力波峰值强度随与射流作用点距离的增大而急剧减小;脉冲射流应力波强度、作用范围与射流速度呈正比例关系,其对岩石的体积破坏存在一个门限速度;不同岩性岩石在脉冲射流应力波作用下的破坏形式有所不同,砂岩等强度较低岩石的破坏形式主要为应力波对岩石加卸载过程中的拉应力下的裂纹扩展,而石灰岩、花岗岩等脆性硬岩的破坏形式主要为应力集中导致的纵向破坏。     

横风作用下货车篷布结构强度计算

采用基于CFD和CSD的准静态耦合方法对横风作用下货车篷布结构强度进行分析。首先建立横风作用下货车篷布数值模拟计算模型,得到不同运行工况下货车篷布表面压力分布;随后建立篷布索膜结构强度计算模型,以篷布表面压力分布为加载载荷,运用非线性有限元分析方法对不同运行工况下的篷布强度进行数值模拟计算。研究结果表明:货车以速度120 km/h在大风地区运行,当横风风速小于41.4 m/s时,采用双层焊接结构的无网篷布所受最大主应力小于篷布许用应力;当横风风速小于54 m/s时,采用双层焊接结构的有防风网篷布所受最大主应力小于篷布许用应力,满足篷布安全运行要求;篷布顶面和篷布网眼位置的最大位移和最大主应力随着货车运行速度和横风风速的增加而增大,横风风速对篷布最大位移和最大主应力的影响大于货车速度对其的影响。     

微流量控制钻井中两相许用钻杆下行速度研究

针对微流量控制钻井中气液两相许用钻杆下行速度问题,考虑气体滑脱、相与环空壁面阻力、回压及井底压 差,开展了对不同井深的气液两相许用钻杆下行速度半经验模型的研究,获得了气液两相许用钻杆下行速度的变化规 律。当钻杆在气液两相中下行运动时,回压的增大使井筒空隙率减小、气液两相密度增大,加载在井底的有效压力增 大,从而使许用钻杆下行速度减小;当井底气侵量增大,此时井底压力小于地层压力,许用钻杆下行速度增大,可借助 增大的激动压力消除一部分井底与地层欠压差;当井底安全压差减小,许用钻杆下行速度呈减小趋势。控压钻井中精 确计算钻杆许用下行速度,可增大钻井时效。     

围压条件下井底环空循环吸入式粒子射流破岩试验

井底环空循环吸入式粒子射流钻井是解决硬地层破岩钻井效率低下的有效途径。采用所研制的井底围压试验装置,试验探索井底环空循环吸入式粒子射流破岩的规律。结果表明:随着围压的增大,粒子射流破岩效率逐渐减小;随着射流压力、粒子直径和硬度的增大,粒子射流破岩效率逐渐增大;随着喷距和粒子质量分数的增大,射流破岩效率呈现先增大后减小的趋势;井底环空循环吸入式粒子射流高效破岩钻井方法确实可行。     

气体钻井井底低温对岩石破碎的影响机制

首先分析井底钻头喷嘴的Joule-Thomson效应,其次,建立急剧冷却条件下井底岩石的温度场分布模型,并以此建立井底岩石动态热应力分布模型,对气体钻井井底热冲击应力进行深入剖析。此外,通过引入井底岩石裂纹尖端应力强度因子,对钻头载荷和热应力共同作用下的井底岩石裂纹扩展失稳进行分析,对砂岩岩样进行液氮冷却试验,并对其进行声波实时测量。结果表明:在热应力的作用下岩石裂纹的抗扩展阻力存在极小值,气体钻井岩屑粒度较小;随着温度的降低,波速在岩石中呈线性衰减,声波的首波波幅也有明显的延迟,说明冷却处理对岩心内部结构产生了很大影响。     

自振阀式低压脉冲射流调制器振动特性仿真研究

基于脉动低压波克服井底压差提高钻速的机理，并根据自振阀式低压脉冲射流调制器的工作原理，利用Matlab环境下的Simulink系统建立了调制器液压振动力学的计算机仿真模型，对调制器的阀系运动进行了运动仿真。结果显示，调制器上阀和下阀协调振动具有可行性，调制器振动频率随钻头压降的增大线性增加，随钻井液流量、下阀质量、上阀行程的增加而减小。     

井底压差对岩石破碎的影响机制

综合地层应力、井底压力、孔隙压力以及牙齿吃入地层引起的应力,建立牙齿吃入深度的表达式,依据摩尔-库伦准则建立钻头牙齿吃入地层的岩石破碎模型。将综合地层和钻井参数因素的误差函数β与深度x的比值作为欠平衡钻井的应用参考参数,计算各种压差和β/x条件下的吃入深度,并分析其变化规律。结果表明:在压差的作用下,具有渗透率和孔隙度的待破碎薄地层内的孔隙压力并非原始地层孔隙压力,而是随时间和位置的变化而变化,其分布规律可以用一维不稳定渗流来表示和计算;牙齿吃入深度的表达式可以将压力、流体等因素对岩石破碎的作用清楚地表达出来;所建模型可以解释欠平衡钻井提高钻速的力学机制,以及定量描述随钻地层压力监测dc指数法的适用范围。     

深部矿井围岩应力变形的ANSYS数值模拟

针对矿井开发日益向地壳深处发展的现状,根据岩石力学和流变力学原理,分析了矿井在深部开采条件下开采深度和温度对围岩应力和变形的影响.采用大型通用有限元分析软件ANSYS,建立二维模型并对某矿井进行了数值模拟,184号节点在1 500和2 000 m深度下,矿井岩石的应力分别为42和56 MPa,位移分别为1.18和1.57 m.结果表明:围岩的变形随时间的增加而增加,并且围岩的应力与变形随开采深度(温度)的增加而增加.     

地层H2S侵入时井筒压力变化规律及控制研究

随着我国酸性油气藏勘探开发的深入,处于对井控安全的考虑,需对酸性气体侵入后井筒多相流动及相态转变规律进行研究。针对H₂S特殊的物理性质,并考虑其在井筒内相态变化,建立了钻井过程中H₂S侵入时井筒流动与传热的数学模型。将井筒传热、压力与H₂S物性参数耦合迭代计算,给出了求解方法并编写程序进行数值计算。计算结果表明:井口回压较小时,H₂S在环空上升过程中由液态转化为气态,相态转变点上部为气液两相流,其压力梯度较小,下部为井筒单相流,其压力梯度较大。H₂S侵入速度对环空压力和相变井深均有影响。随着侵入量增大,井底压力先急剧减小,后基本保持不变,而相变井深先增大后减小。井口回压对井底压力影响较大。随着井口回压增大,井底压力增大,但影响程度逐渐减小。井口回压不仅可以控制井筒是否发生相变,而且对相变井深位置影响十分大。对是否考虑传热对相变井深和井底压力的影响进行了对比分析。研究对提高酸性油气藏开发勘探安全具有一定指导意义。     

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.     

岩石内含物对激光破岩的影响

根据非定常传热原理分析了高斯激光光束作用到岩石表面时岩石内部的温度场分布情况,应用温度场分布结合热应力方程的方法分别模拟了岩石内部有无内含物时的热应力分布情况。数值模拟结果表明,同一激光光束作用相同时间,有内含物的岩石在内含物边缘附近产生的热应力比无内含物的大,即相同的激光功率和照射时间分别作用到有无内含物的岩石时,有内含物的岩石碎裂的可能性更大。在自然界中大多是含有杂质的岩石,该研究为含有内含物情况下的激光破岩提供了理论依据。