[發(fā)明專利]一種非均質(zhì)地層井壁漸進(jìn)坍塌過程的流-固-熱耦合模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110604358.5
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN113324840B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬天壽;邱藝;劉陽;付建紅;田家林;任海濤
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/12
• 分類號(hào): G01N3/12
• 代理公司: 北京中索知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11640
• 代理人: 唐亭

本發(fā)明公開一種非均質(zhì)地層井壁漸進(jìn)坍塌過程的流?固?熱耦合模擬方法，包括確定地層地應(yīng)力、孔隙壓力、井筒壓力；確定巖石力學(xué)參數(shù)樣本數(shù)量、巖石基礎(chǔ)物性參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)；確定每個(gè)參數(shù)的最佳分布函數(shù)及對應(yīng)的特征參數(shù)；建立井周應(yīng)力分布的流?固?熱耦合有限元數(shù)學(xué)模型；計(jì)算井周應(yīng)力分布；計(jì)算損傷變量F；損傷變量F確定破壞區(qū)域；重復(fù)步驟進(jìn)行迭代，直到損傷變量F≤0，并繪制井壁失穩(wěn)區(qū)域圖，確定每次迭代步下的NYZA值。本發(fā)明使用輸入?yún)?shù)的不確定性，表示了巖石力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性；采用連續(xù)損傷理論，更改已破壞區(qū)域的力學(xué)參數(shù)，視為該區(qū)域等效挖去，模擬了井壁漸進(jìn)破壞發(fā)展的四個(gè)階段：裂紋萌生、擴(kuò)展、崩落形成和穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種非均質(zhì)地層井壁漸進(jìn)坍塌過程的流-固-熱耦合模擬方法，屬于石油鉆井工程、巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鉆開地層形成井眼會(huì)破壞原應(yīng)力平衡，導(dǎo)致井壁應(yīng)力集中，鉆井液壓力不足以支持井壁圍壓發(fā)生井壁失穩(wěn)。井壁失穩(wěn)是一個(gè)漸進(jìn)的過程，最初圓形井眼向最小主應(yīng)力方向的逐級(jí)擴(kuò)展破壞進(jìn)而釋放應(yīng)力集中。而破壞程度較低并能保持正常的鉆井作業(yè)，則稱為井壁崩落；破壞程度較高，則稱為井壁坍塌。Zoback指出直井的井壁崩落的方向與最小水平地應(yīng)力方向一致，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證明了井壁崩落的方向與最小應(yīng)力方向一致。

最早為了模擬井壁崩落這現(xiàn)象，利用Kirsch方程計(jì)算應(yīng)力并用摩爾庫倫準(zhǔn)則判斷井周圍巖是否破壞，這一方法可以精確的模擬井壁開始破壞階段。而實(shí)際井壁崩落過程，井壁圍巖破壞后，井周應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變，新的巖石將會(huì)受到新的應(yīng)力集中，形成新的破壞區(qū)，重復(fù)這一過程，直到井壁不再失穩(wěn)。而這一漸進(jìn)破壞的過程很難使用解析解計(jì)算。現(xiàn)有的數(shù)值模擬(有限元法、離散元法和邊界元法)研究了井壁漸進(jìn)破壞發(fā)展的四個(gè)階段：裂紋萌生、擴(kuò)展、崩落形成和穩(wěn)定。結(jié)果表明井壁崩落深度在逐漸增大直至穩(wěn)定，而崩落寬度在第一次破壞的基礎(chǔ)上保持不變；井壁崩落是一系列平行于最小主應(yīng)力方向的剪切破壞引起的。但巖石都被假設(shè)為線彈性、均質(zhì)和各向同性的材料，實(shí)際上，巖石作為天然非均質(zhì)材料，在其力學(xué)行為具有非均質(zhì)性。此外，現(xiàn)有的井壁漸進(jìn)破壞數(shù)值模擬(有限元法、離散元法和邊界元法)僅僅考慮了巖石材料變形破壞特征，忽略了流-固-熱多場耦合的影響。

為此，本發(fā)明提出一種非均質(zhì)地層井壁漸進(jìn)坍塌過程的流-固-熱耦合模擬方法。使用輸入巖石力學(xué)參數(shù)的不確定性，表示了巖石力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性；采用連續(xù)損傷理論，更改已破壞區(qū)域的力學(xué)參數(shù)，視為該區(qū)域等效挖去，模擬了井壁漸進(jìn)破壞發(fā)展的四個(gè)階段：裂紋萌生、擴(kuò)展、崩落形成和穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提出一種非均質(zhì)地層井壁漸進(jìn)坍塌過程的流-固-熱耦合模擬方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所提供的技術(shù)方案是：一種非均質(zhì)地層井壁漸進(jìn)坍塌過程的流-固-熱耦合模擬方法，包括以下步驟：

步驟S10、根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和測井資料確定目標(biāo)井的地層地應(yīng)力、孔隙壓力、井筒壓力；

步驟S20、根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定目標(biāo)井地層巖石的巖石力學(xué)參數(shù)樣本數(shù)量、巖石基礎(chǔ)物性參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)；

步驟S30、根據(jù)巖石基礎(chǔ)物性參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)確定每個(gè)參數(shù)的最佳分布函數(shù)及對應(yīng)的特征參數(shù)；

步驟S40、建立井周應(yīng)力分布的流-固-熱耦合有限元數(shù)學(xué)模型；

步驟S50、根據(jù)井周應(yīng)力分布流-固耦合有限元數(shù)學(xué)模型計(jì)算井周應(yīng)力分布；

步驟S60、根據(jù)井周應(yīng)力分布計(jì)算損傷變量F；

F₁＝-σ₃-S_t