THE APPLICATION OF MODIFIED CAMBRIDGE MODEL FOR THE WELLBORE STABILITY ANALYSIS OF DEEPWATER SHALLOW SEDIMENTS IN PETROLEUM DRILLING1)1)

深水浅层的压实程度低、结构薄弱,其破坏规律是深水浅层相关问题研究中的关键点之一。目前修正的剑桥模型已经应用于深水浅层的各类研究中,但是在深水浅层的井壁稳定问题中,深水浅层往往仍然被认为是理想弹塑性材料。将井眼周围地层分为3个区域：弹性区、流动区、塑性区。弹性区,地层为线弹性状态;流动区,地层服从修正的剑桥模型及小变形理论;塑性区,地层服从摩尔库伦准则。对各个区域的应力分布进行了求解,并在求解的基础上,结合超级孔隙压力建立了深水浅层的井壁稳定分析模型。通过实例运算,该井壁稳定模型的可靠性得到了验证。     

ANALYSIS OF THE WELLBORE STABILITY BASED ON PLASTIC DAMAGE THEORY IN SOFT SHALE FORMATION

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-- 应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10% 时,渗流-- 应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。     

基于塑性损伤理论的软泥页岩地层井壁稳定性分析

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10%时,渗流-应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。     

瓦斯渗流场作用下煤层抽放钻孔弹塑性解

为研究瓦斯渗流场作用下的煤层抽放钻孔周围应力分布情况,假定钻孔周围煤体中瓦斯的流动为稳定径向流动状态,建立了渗流力学模型,给出了瓦斯径向稳定渗流方程;在考虑瓦斯渗流场作用下,推导了钻孔周围煤体的微元体力学平衡方程,并引入应力调整系数,求解出其弹性应力解析解;再应用Mohr-Coulomb屈服准则,求解出钻孔周围煤体的塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过实例分析表明:钻孔内的抽放负压对钻孔周围煤体应力、塑性区的半径等参数影响较小;在一定的抽放负压(15k Pa)下,随着煤层原始瓦斯压力的增大,钻孔周围煤体的塑性区半径随之增大,距钻孔足够远处的弹性区煤体的应力也随之增大,这比不考虑瓦斯渗流场作用时的经典弹塑性解更加符合实际情况。     

海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变, 同时降低沉积物的胶结程度, 使地层的抗剪强度和承载能力降低, 从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题. 为此, 在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内, 基于扩展的三维Biot固结理论, 考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用, 建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型, 并开发有限元程序对其进行数值求解. 以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象, 构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型, 预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律, 揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势. 结果表明: 储层降压导致地层有效应力增大, 进而引起井周地层发生沉降, 且地层的沉降主要发生在降压开采前期, 最大沉降位置位于井壁周围, 向储层内部延伸地层沉降量快速减小; 水合物分解导致井周地层力学强度降低, 加剧了储层的沉降; 井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显, 从而造成井壁破坏的潜在风险, 这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.      

海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变,同时降低沉积物的胶结程度,使地层的抗剪强度和承载能力降低,从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题.为此,在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内,基于扩展的三维Biot固结理论,考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用,建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型,并开发有限元程序对其进行数值求解.以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象,构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型,预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律,揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势.结果表明:储层降压导致地层有效应力增大,进而引起井周地层发生沉降,且地层的沉降主要发生在降压开采前期,最大沉降位置位于井壁周围,向储层内部延伸地层沉降量快速减小;水合物分解导致井周地层力学强度降低,加剧了储层的沉降;井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显,从而造成井壁破坏的潜在风险,这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.     

超深硬岩地层井壁失稳的动力学分析模型：本征频率和高应力的影响

针对超深致密砂岩地层井壁动力学失稳难题，考虑孔隙流体和硬岩的压缩性、惯性及黏滞耦合作用，建立井筒压力波动条件下井周应力分布公式，建立了超深致密硬岩地层井壁坍塌指数的孔隙弹性动力学模型，分析地层本征频率与高应力对井壁失稳的影响规律。本文提出的孔隙弹性动力学模型预测的地层较传统模型预测的地层更易失稳，且高本征频率、最大地应力高的地层比一般地层更易失稳；揭示了超深硬岩地层井壁突发性失稳力学本质，可为钻井过程中井筒压力控制参数调整提供科学依据。     

剪胀性饱和砂土弹塑性模型

在修正剑桥模型基础上,本文建立的剪胀性饱和砂土弹塑性模型使用相变状态参数描述剪胀性饱和砂土剪胀特性,克服了修正剑桥模型不能直接模拟剪胀砂土力学行为这一局限性。该模型有两方面的改进:一方面,模型将剪胀应力比Md引入剪胀方程;另一方面,模型在塑性功基础上提出用与应力路径无关的硬化参数来替代修正剑桥模型中的塑性体积应变增量。通过试验验证及与修正剑桥模型计算结果对比,结果表明,该模型较适合模拟剪胀性饱和砂土的力学性能,同时也能较好地体现较密实砂土的硬化及软化现象。模型共8个参数,用常规三轴试验就可获取。     

裂纹端部塑性区修正公式的改进——对Irwin模型的修正

对于小范围屈服断裂,必须进行塑性区修正,为此,Irwin G.R.,Dugdale D.S.等人先后提出了简化该问题研究的模型和处理方法,鉴于Irwin模型的不甚合理,本文对它提出了一个修正方案,使之较为合理和精确。计算结果表明,修正后的模型比原Irwin模型更接近于公认较精确的Dugdale模型。我国新编的材料力学教材中,都介绍了Irwin模型,采用了Irwin G.R.关于塑性区修正的观点与结果。而且,“由于平面应力状态塑性区较宽,必须进行修正。”可见,对该模型存在的问题进行讨论和改进实有必要。     

脆塑性厚壁壳体的稳定条件

一、脆塑性结构稳定问题的损伤面扰动提法脆塑性模型是考虑了介质损伤与应变软化特性的弹塑性本构关系的一种简化形式(图2)。它适用于描述岩石类介质的本构性质。脆塑性结构稳定问题的求解一方面是确定结构中应变软化区即损伤域的扩展规律,一方面是计算临界载荷。在图1所示的脆塑性结构中,S_u为支承边界,S_T为力边界。     

岩土材料塑性应变增量方向的确定

通过与金属材料的类比，分析了岩土材料的特征面(SMP面)的特性，提出了SMP面上的应力 决定岩土材料塑性应变增量流动方向的观点，并由此推导出计算公式. 通过增加一个材料参 数，还可以考虑存在黏聚力时的情况. 由该公式计算的塑性应变增量方向得到了 试验结果的验证. 该公式也在用变换应力修正的剑桥模型中得到应用，模型预测结果能够合理反映试验数据.     

非等温黏弹性复杂流动的改进SPH方法模拟

非等温黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中,准确预测黏弹性流体的非等温流动机理和复杂流变特性有着重要的应用价值.文章提出一种改进的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法对非等温黏弹性复杂流动进行了数值模拟,其中流体的黏弹特性通过eXtended Pom-Pom本构模型来表征.为了提高模拟结果的精度,采用了一种核函数梯度的修正算法;为了灵活地施加边界条件,发展了边界粒子和虚拟粒子相联合的边界处理方法;为了消除流动过程中的拉伸不稳定性,施加了粒子迁移技术.运用改进SPH方法数值模拟了液滴撞击固壁和F型腔注塑成型问题,通过与Basilisk软件得到的结果进行比较验证了改进SPH方法求解非等温黏弹性流体的有效性.通过利用不同粒子初始间距进行计算,评价了改进SPH方法的数值收敛性.研究了非等温流动相较于等温流动的不同流动特征,深入分析了不同热流变参数对流动过程的影响.数值结果表明,文章提出的改进SPH方法可稳定、准确地描述非等温黏弹性复杂流动的传热机理、复杂流变特性和自由面变化特性.     

可压缩理想塑性体中逐步扩展裂纹顶端的弹塑性场

本文利用理想塑性固体平面应变问题的基本方程,分析了可压缩理想塑性体中逐步扩展裂纹顶端的弹塑性场,得到了关于应力的渐近场,分析了弹性卸载区的演变过程和修正的中心扇形区的发展过程,预示了出现二次塑性区的可能性,弹性可压缩性的影响明显表现在经典的中心扇形区必需加以修正,垂直于板面方向的应力偏量不再为零,而且随着新裂纹面的形成,裂纹前方的均匀应力场和紧连着的修正的中心扇形区的应力偏量将发生变化,这种变化是由于垂直于板面方向的应力偏量发生变化造成的。     

黏弹性管道水柱分离弥合水锤有限体积法模型

基于有限体积法二阶Godunov求解格式对黏弹性输水管道中水柱分离弥合现象进行建模和模拟研究. 在传统的弹性管道模型基础上考虑管道黏弹性效应的影响. 在瞬变流控制方程中引入管道黏弹性项和动态摩阻项, 采用有限体积法进行求解, 考虑压力修正系数来模拟自由气体对计算单元的影响, 同时为避免数值模拟结果产生虚假震荡引入斜率限制器MINMOD函数; 通过虚拟单元法进行边界构建, 实现了计算区域的统一计算. 将所建模型计算结果与已有模型结果、试验结果进行对比, 并对影响模型的各参数进行敏感性分析. 结果表明, 本文模型能够准确模拟出纯水锤、水柱分离弥合水锤两种情况下的瞬态压力变化, 均能与试验数据高度吻合; 与传统的特征线方法相比, 当库朗数C_r小于1时, 有限体积法二阶Godunov格式计算结果更准确、稳定; 在压力波动的衰减过程中, 黏弹性效应相比于管道摩阻起主导作用; 与弹性管道模型相比, 考虑管道黏弹性效应后可显著提高模拟结果的准确性, 尤其是压力波峰值的相对误差明显降低.      

Mohr-Coulomb准则主应力回映算法及在地基问题的应用

针对Mohr-Coulomb准则在应力空间中存在奇异点的问题,提出了主应力空间应力回映算法。分析了多屈服面下塑性流动法则,给出了应力更新过程中应力回映区域的判定方法,推导了不同映射区域下塑性因子的Newton-Raphson迭代求解式和应力更新方程,建立了对应的一致切线模量表达式。利用C++语言,编制了弹塑性有限元求解程序,并对岩土地基问题进行求解,计算结果的比对证明了所编程序的可行性和精确性。     

应变损伤材料I型动态扩展裂纹尖端场的渐近分析

研究了应变损伤材料Ｉ型动态扩展的裂纹尖端场。假定材料服从Ｊ２流动理论，且损伤规律以幂律应变软化的规律给出。对于塑性区引进了应力函数φ，ψ０借助于动力学方程的分析，给出了渐近方程及数值解。结果表明，对于可压缩材料Ｉ型平面应变尖端场是完全由塑性区组成，没有弹性卸载区。在裂纹尖端附近，应力和应变分别具有如下的奇异性：σ￣（ｌｎＲ／ｒ）＾－ｎ／ｎ＋１，ε￣（ｌｎＲ／ｒ）＾１／ｎ＋１。     

用有限单元法研究金属粘塑性稳态流动问题

七十年代以来,用有限单元法研究金属塑性变形的方法有了很大发展,这种方法对那些目前只能用试验方法和工程近似方法解决的问题,提供了完全用计算机方法解决的途径。本文采用刚粘塑性有限单元法,求解薄板轧制时金属塑性流动问题。这一方法忽略金属的弹性性质。因此可以不考虑金属的弹性行为,并且不用考虑金属从弹性状态到塑性状态的过渡,这使求解过程大大简化。对于金属塑性加工问题,这样的近似是允许的。这一方法采用了粘塑性材料的本构关系,所以它不仅能够分析理想塑性材料和变形强化材料,而且可以分析包括变形强化性质的变形速度强化材料,这可以使塑性变形力学分析更接近真实情况。     

黏弹-Perzyna黏塑性有限元法应力更新隐式算法

黏弹-黏塑性耦合模型的黏弹性部分由弹簧、黏壶和Kelvin链串联而成,黏塑性部分为双曲线型DruckerPrager屈服函数、各向同性硬化和Perzyna黏塑性流动模型。基于黏弹性蠕变柔度,通过定义与弹性问题相对应的与时间增量相关的黏弹性剪切模量和体积模量,导出增量递推形式的本构方程。为保证算法的收敛和稳定性,把Perzyna黏塑性流动方程转化为与弹塑性相似的一致性条件,建立黏塑性增量因子单侧逼近其收敛值的N-R迭代算法。最后,给出应力更新完全隐式算法和最终计算公式。分别采用黏弹性、黏弹-塑性和黏弹-黏塑性本构关系对一地基蠕变模型进行三维有限元分析和比较,结果表明,本文算法具有较高的计算效率和稳定性。     

分数阶微分流变模型圆形硐室黏弹塑性分析

基于分数阶微分黏弹塑性流变模型,同时考虑受硐室掌子面影响的围岩应力释放效应,根据Laplace变换、分数阶微积分理论、Mittag-Leffler函数,推导了圆形硐室黏塑性区半径、应力、位移的理论解。将理论解与西原本构模型解进行对比,证明了分数阶模型解的合理性。分析结果表明:黏塑性区半径、洞壁环向应力的分数阶微分模型解和西原模型解随时间最终都趋于稳定,两种解法在稳定前有一定差异,稳定后大小相同;一定范围内,掌子面对围岩变形具有一定抑制作用,越靠近掌子面,黏塑性区半径和洞壁径向位移越小;流变特征对硐室围岩黏塑性区环向应力的影响较大,离硐室圆心越近,影响效果越明显,而黏塑性区径向应力和黏弹性区环向应力、径向应力受围岩流变的影响较小。     

修正的虚拟介质方法用于水下爆炸冲击薄板的模拟

近期发展的修正的虚拟介质方法(MGFM)已经成功应用于求解多介质流动问题.本文研究了近体水下爆炸中强激波对薄板冲击的演变及薄板的动力响应过程.为了真实地考虑不同介质在界面处的非线性相互作用,本文将MGFM推广应用于处理流体与弹性薄板的相互作用.研究发现尽管流体和薄板结构的模拟基于各自不同的求解方法,但是用修正的虚拟介质...