国外井壁稳定分析模型研究进展

建立合理的井壁稳定模型可以准确预测井眼稳定性能.针对目前国外提出的5种主要模型：弹性模型,多孔弹性模型,温度-多孔弹性模型,化学-多孔弹性模型,温度-化学-多孔弹性模型,对其研究进展进行了描述,并且分析了模型存在的缺陷,对未来研究方向提供建议.     

基于多物理场耦合的电子器件性能分析

考虑电子器件实际工作过程中受到电、热、力多个物理场的耦合作用,基于顺序耦合计算理论,构建了电子器件的多物理场耦合分析方法。以某型电子插槽为对象,通过实例分析计算,对该分析方法进行了具体应用。最后,通过实验对该分析方法的准确性进行验证,结果表明:仿真计算误差在4.6%以内,能够用于电子器件的性能预测与优化。     

流体流动和岩石变形耦合对井壁稳定性的影响

无论是过平衡钻井,还是欠平衡钻井过程,都可能导致井周围地层孔压力改变,这样就使我们通过假定地层孔隙压力恒定而得到的井周应力分布和地层的安全钻井液密度范围与实际偏离。滤饼质量直接影响到井周围流体流动的情况和井壁附近地层的孔隙压力。定量地计算分析了滤饼质量和流体流动对井周地层径向应力、周向应力、轴向应力和剪应力的影响,结果表明,一方面,随着滤饼质量的提高,井筒内流体在正压差下向地层中流动的能力和程度逐渐减小,井壁地层孔隙压力逐渐趋于原始地层孔隙压力,井壁岩石所受到的径向应力逐渐增大,井壁的稳定性逐渐变好;另一方面,地层颗粒间的接触应力逐渐增大,岩石抵抗张性破裂的能力增强,地层的破裂压力提高,井壁稳定性变好。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤其显著。     

关于多场耦合问题的几个概念探讨

从湍流脉动的高阶关联项以及湍流的雷诺方程出发,指出了动量场、能量场、质量场等相互耦合现象可以湍流脉动关联项和时均项中同时存在,并提高了脉动合和时间均耦合的概念,指出了在引入湍流模型即对雷诺时均方程使用湍流统计矩方程进行了封闭后,动量,能量及质量之间的耦合现象可由时均耦合来描述。介绍了多相耦合的概念及求解耦合问题的基本思路和方法。     

MPCCI在多物理场耦合计算中的应用

头锥结构在高速飞行状态下会产生气动热和结构传热问题,这是一种包含流场、结构场及温度场的多物理场耦合问题。在数值计算中,必须采用耦合计算的方法,才可以得到结构的准确温度和热变形情况,从而为结构设计工作做指导。本文采用松耦合策略,利用MPCCI软件,同时调用FLUENT和ABAQUS软件,以三维弹头结构为算例,计算得出了其在飞行状态下的外部流场特性,并对此弹头结构在不同飞行速度下的结构温升和热变形情况进行了对比研究,结果表明:飞行速度越大结构的温升越快,驻点的温度越高,结构热变形越大。     

基于流固耦合的含水合物地层井壁稳定非稳态解析模型

针对深海水合物地层钻井过程中的井壁稳定问题,考虑水合物分解、热传导、力场-渗流场全耦合作用,建立了过压和欠压钻井下渗流、温度、力场随时间和空间变化的非稳态解析模型。解析结果与相同条件下的数值结果吻合良好,且与力场-渗流半耦合解析结果进行了对比。基于解析模型对井壁稳定的关键参数如钻井液压力、水合物分解引起的地层弹性模量劣化程度等进行了分析,结果表明：①与半耦合分析结果相比,考虑体变对渗流的影响后,过（欠）压钻井时孔压减小（增大）、应力增大（减小）,增量径向位移减小;②最危险位置在井壁处,过高或过低的钻井液压力均会导致井壁失稳,水合物分解引起的地层劣化将降低最安全钻井液压力;③水合物分解引起的地层刚度降低极易诱发井壁失稳。在通常条件下,过压钻井时分解域弹性模量降低50%即可导致井壁失稳。     

超音速三角翼多场耦合分析研究

为了对超音速三角翼在气动加热作用下的结构和气动耦合特性进行系统分析和研究,分别采用有限元方法和计算流体力学方法,建立结构和气动分析模型,在此基础上,建立热流、气动压力到有限元节点和有限元节点位移、温度到气动节点的插值模型,确立气动、结构模型之间压力场、热场、温度场和位移场的耦合关系,通过多轮迭代计算,获得考虑耦合效应的结构和气动特性。通过某马赫数为3的三角翼的计算和验证,可以得出,此方法能够对超音速飞行器的气动和结构耦合问题进行比较准确的分析,在超音速飞行器设计中具有较大应用价值。     

多场耦合作用下氯离子分布场的数值模型

为了研究温度场、湿度场和CO2分布场对氯离子分布场的影响,基于Fick扩散定律和质量守恒定律,主要考虑氯离子扩散系数、湿度以及氯离子结合和释放4个敏感参数,推导了混凝土中氯离子三维分布场控制方程,给出了初始条件和边界条件.利用ANSYS内部集成的参数化程序设计语言APDL建立了数值分析框架.结合试验参数,进行了湿度场作用下混凝土中氯离子分布场的数值计算,并进行了模型参数敏感性分析.结果表明:该模型可以实现不同边界条件下二维和三维多场耦合的数值计算.湿度扩散系数、氯离子扩散系数、边界氯离子浓度以及氯离子结合等温线的取值对氯离子浓度分布影响显著.数值计算结果与实验结果吻合良好,数值模型具有足够的可靠性.     

时变条件下滑动轴承系统的多物理场耦合分析

针对传统非耦合分析方法无法研究轴颈、油膜与轴瓦之间的相互作用以及普通流-固耦合方法无法真实反应轴承运转工况的问题,提出了一种融合计算流体动力学、流-固耦合和热流耦合的瞬态分析方法,分析了时变条件下轴承系统速度、压力和温度的多物理场耦合,并分析了空化现象的影响,精确计算了恒定载荷下的偏心率和温升场,以及从启动到稳定过程的轴心轨迹.同时,分别考虑腔结构、轴颈转速和载荷对油膜压力、偏心率、温升和气穴的影响,并将计算结果与相关文献的实验结果进行比较.结果表明:所得计算结果与实验结果较吻合;轴承的轴心轨迹呈螺旋形;油腔数目对轴心轨迹、气穴和温升的影响很大.     

泥页岩井壁坍塌周期分析

应用力学/化学耦合理论对泥页岩井壁延迟坍塌机理进行了分析.以多孔介质渗流力学为基础,建立了近井壁地层孔隙压力的计算模型,计算了不同时期的临界坍塌压力,分析了钻井液物性参数对井壁稳定性的影响,得到了近井壁地层孔隙压力及强度参数在时空域内的分布,以及一定钻井液密度下泥页岩井壁坍塌破坏的时间.算例分析表明,在同一膜效率下,随着钻井液水活度增加,坍塌周期缩短;在同一钻井液水活度下,提高膜效率可以延长坍塌周期;钻井液水活度越小,膜效率的影响越显著.现场选择钻井液时,同时考虑水活度和膜效率并根据井壁坍塌压力改变钻井液密度,效果才会更好.     

地层孔隙压力变化对井壁稳定性的影响研究

受长期注采工程作业的影响,地层孔隙压力将发生大幅度波动,从而导致地层的岩石强度、地应力相对开采初期已发生较大变化,且横向分布更为复杂,进而诱发、加剧井壁失稳,井下复杂状况频发。理论与实验相结合研究了孔隙压力变化对砂岩地层岩石强度及地层坍塌压力的影响,结果表明：（1）岩石强度与地层孔隙压力呈负相关,随地层孔隙压力增大,地层岩石强度、弹性模量呈线性递减;（2）地层孔隙压力变化将影响调整井的井壁稳定状态,压裂、注水、注聚等工程作业导致井周地层孔隙压力增大,将加剧井眼失稳;而在一定限度内,油气的压力衰减式开采将降低地层坍塌压力,利于井眼保持稳定。     

垂直Bridgman法多组元晶体生长的多场耦合模型

对垂直Bridgman法多组元晶体生长的准稳态模型所采用的Boussinesq线性密度假设进行了改进，基于密度的Taylor展开式，得到了熔体密度随温度、浓度变化的非线性函数关系并引入到模型中，改进后的准稳态模型（PSSM）能揭示晶体生长过程的非线性本质．明确了模型的边界条件，得到了晶体生长的完整数学描述．改进后的PSSM以及已获得的多组元晶体准确物性为晶体生长的多场耦舍定量数值模拟研究奠定了基础．     

砂岩地层井壁稳定性分析

 南海某油田深部地层砂岩存在因蠕变导致的缩径现象,有必要分析该油田砂岩地层蠕变性质,为砂岩地层安全钻井提供借鉴。使用某油田深部地层砂岩岩心进行室内蠕变实验,测定不同差应力下岩心蠕变率。使用西原模型拟合了实验结果,拟合精度较高,并计算了某油田砂岩缩径井段安全钻井周期。计算结果表明,提高钻井液密度可大幅提高安全钻井周期,也可采用定期起下钻、下套管封固缩径井段等工程措施阻止或减缓砂岩蠕变。     

用稳定性理论和方法研究井壁坍塌问题

给出了钻井过程井壁围岩的应力场和位移场的解析解。在此基础上,建立了井壁压力和井壁位移的平衡路径曲线,提出井壁坍塌是一种极值点型失稳现象,澄清了石油工程中的一些问题。得到了井壁失稳的临界压力公式,并给出了气体钻井的适用条件。     

基于尖点位移突变模型的井壁稳定性分析

引入基于广义Hoek-Brown准则的有限元强度折减法,考虑井壁不同位置的水平方向位移与强度折减系数的非唯一相关性,以及井壁失稳破坏时岩体变形的瞬时突变性,建立了井壁最大水平方向位移与强度折减系数的井壁稳定性尖点位移突变模型。利用上述模型研究了井眼直径与井筒压力对井壁稳定性影响规律,结果表明,随着井眼直径的增加,井壁稳定性安全系数降低速度越快;随着井筒压力的增大,井壁稳定性安全系数增加速度越快。     

车用柴油机缸孔变形整体接触多场分步耦合模拟

为解决车用柴油机整机开发及老机型改进过程中普遍遇到的机体缸孔变形过大从而影响机油消耗和颗粒物排放量进一步降低的难题,提出了整体接触多场分步耦合的研究方法.以493车用柴油机为研究对象,建立了包含机体、缸盖、缸套、缸盖垫与缸盖螺栓的整体接触关系模型,精确加载缸盖螺栓预紧力、主轴承盖螺栓预紧力、气体最大爆发压力等机械栽荷以及热边界条件,实现机械应力场和热应力场的分步耦合计算,研究机体在实际工作状况下缸孔的变形情况,为优化结构设计提供依据本方法可应用于其他柴油机整机开发或升级改造中的缸孔变形研究.     

注蒸汽井筒隔热油管接箍散热损失所占比例研究

蒸汽沿井筒流动过程中,蒸汽参数(压力、温度及干度等)、径向散热损失和轴向压力,沿流动过程变化。运用传热学、热力学及流体力学等学科知识,建立了井筒数值模拟综合计算模型,并进行了模拟计算。所建模型,对接箍散热量的计算没有采用估算的方式,而是采用接箍视导热系数的方法。计算结果表明,各级别的隔热油管,井筒传热中接箍散热损失所占比例差别较大,从A级到E级,散热损失所占比例12.8%～74.7%,因此接箍散热损失按30%估算是不合理的。     

顺北油气田破碎性地层井壁稳定技术难题与对策

近年来,顺北油气田多口井因钻遇破碎性地层出现了严重的井壁坍塌掉块情况,导致阻卡频繁,多口井回填侧钻,已成为顺北油田勘探开发的重大技术难题之一。统计分析了顺北油气田奥陶系破碎性地层复杂现状,针对破碎性地层技术难点,研究分析了其坍塌失稳机理,提出了安全钻井技术对策。结果表明：失稳机理主要为受挤压构造影响,地层破碎,应力集中,加之地层高角度裂缝、层理等弱面发育,胶结性差,结构松散,极易发生剪切破坏,产生大面积坍塌失稳现象。钻井液应强化致密封堵、固结性能,提高地层完整性和岩石强度,适当提高钻井液密度,加强力学支撑作用,同时提高钻井液携带能力,保持井眼清洁。破碎性地层钻进时应尽量简化钻具,优化钻井参数,“少进多退”,保证井下安全。