套管-水泥环-地层应力分布的理论解

利用弹性力学理论研究地应力场中套管-水泥环-地层系统应力分布的理论解，在求解过程中，将原问题分解为两个相对简单的子问题．考虑到套管井系统是层状结构的特点，且各层受力情况具有相似性，进一步地，基于两个弹性力学平面应变基本问题的解，采用结构力学的求解思想，由位移连续条件分别求得了两个子问题的解，最后由叠加原理得到了原问题的理论解．     

水平井压裂水泥环应力分析

为获取准确的井筒应力分布,根据弹性平面应变力学理论,考虑套管-水泥环-地层系统各部分的应力加载过程和水力裂缝产生的诱导应力场,建立了水平井压裂时套管-水泥环-地层系统应力分布的计算模型。利用该模型,分析了水力裂缝形成前后的系统应力分布,以及裂缝诱导应力场、水泥石杨氏模量、套管壁厚对水泥环内壁应力分布的影响。分析结果表明:随着与裂缝的距离增大,水泥环内壁受到的径向压缩应力逐渐降低,环向应力逐渐由压缩应力变为拉伸应力;优化裂缝间距、降低水泥石杨氏模量、增加套管壁厚可以降低水泥环内壁受力,缓解水泥环内壁的应力集中程度。本文所建模型可为水力压裂水平井的固井设计以及裂缝间距设计提供理论指导。     

钻井-固井过程软泥岩井筒结构完整性分析

在建立套管-水泥环-软泥岩地层井筒结构力学模型的基础上,基于多物理过程数值方法,研究了钻固井过程中近井区地层与固井水泥环的塑性损伤形变与应力演化规律。结果表明:钻井成孔过程和渗流-应力耦合效应为软泥岩地层井筒结构失稳的重要机制,固井水泥硬化过程可进一步促进近井区地层的塑性损伤,但程度有限;固井过程中,水泥环内产生的环向拉应力与径向压应力是导致水泥环开裂失效的主要原因;采用低弹性模量、高泊松比固井水泥浆体系可改善固井水泥环受力形态,有利于维持井筒结构在后期生产作业过程中的完整性。     

考虑水泥环完整性的油气井最大允许井口压力计算方法

在最大允许井口压力计算方法中考虑水泥环的完整性,以厚壁圆筒的弹塑性分析理论为基础,建立了套管-水泥环-地层组合体力学模型,将(内层)水泥环内壁发生破坏作为环空允许带压的限制条件。基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算了某实例井各环空的最大允许井口压力,并将其结果与采用API RP 90标准推荐做法的计算结果进行了对比。计算结果表明:如果环空带压值增大,对于套管-水泥环-地层组合体而言,垂深最深与最浅处的水泥环内壁将最有可能率先发生破坏;采用本文方法的计算结果有可能会小于依据API RP 90标准的计算结果,依据API RP 90标准计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为17.04MPa和6.39MPa,而采用本文方法计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为15.1MPa和17.5MPa。     

隧道开挖影响下地层-基础体系的接触力学响应分析

针对隧道正交下穿既有结构施工力学响应的预测问题, 建立了考虑多体接触作用的隧道施工扰动下地层?基础体系力学响应解析预测方法. 该方法将地层视为均匀各向同性的线弹性体, 通过引入接触理论考虑地层与基础间的接触作用, 并提出“隧道开挖与基础作用换序求解”的新解析思路,确定了最终状态接触压力, 解决了隧道开挖及多体接触耦合作用下接触压力难以确定的问题, 进而依据弹性力学解的叠加性获得目标问题的解析解答. 通过对比该解析解与ABAQUS数值解, 发现两者吻合良好. 基于本方法开展参数分析, 研究了地层参数、隧道埋深、隧道边界径向位移以及外荷载集度对地表竖向附加位移、接触压力和基础内力分布的影响规律. 结果表明: 本方法可准确预测地层?基础体系的接触力学响应, 实现了地层与基础间接触力学行为的量化描述; 地层杨氏模量和泊松比对地层?基础体系力学响应的影响分别侧重于变形和受力, 而隧道埋深和隧道边界径向位移变化对受力变形均有较大影响; 地层位移受隧道开挖扰动与多体接触效应的耦合作用, 且接触影响范围局限在接触区域附近; 隧道开挖使接触压力产生“中间释放、端部集中”的重分布现象, 并由此造成基础内力的大幅增长. 当开挖扰动剧烈时, 甚至产生竖向位移不连续的脱空接触现象. 研究成果对城市浅埋隧道施工影响下地层?基础体系力学响应预测具有重要的理论意义和应用价值.      

二氧化碳地质埋存中套管-水泥环-地层二维模型分析

在二氧化碳被注入地层过程中,井下温度和流体压力的变化会导致套管-水泥环-地层模型发生渗透性变化,从而导致二氧化碳泄漏。针对此问题,本文通过计算机软件FLAC,建立了套管-水泥环-地层的二维模型,并分析了界面处的温度变化、流体压力、固体变形对二维模型的影响,给出了当界面处发生拉伸破坏时孔底内压与界面破坏单元数目的变化关系,得到安全系数随井筒内部压力变化关系:当压力介于8 MPa和750 MPa之间时,安全系数的绝对值大于1,此时二氧化碳注入将处于安全状态,否则将会发生渗漏的风险。以此结果为实际工程提供理论依据。     

梯度非均匀有限层-基结构界面裂纹动态断裂的数值分析

研究了具有一个界面裂纹的有限尺寸梯度非均匀层-基结构在面内冲击载荷作用下的动态响应问题;提出了分析这类问题的一种数值方法,其核心是计算具有一定宽度的裂缝位移场,通过对到缝端距离及缝宽的双重插值求裂尖处动态应力强度因子。文中对涂层是弹性模量及密度连续变化的梯度非均匀材料,基体是各向同性均匀材料的层-基结构作了具体计算,数值结果清楚地显示出动态应力强度因子的时程变化规律,及有关参数(梯度参数,层厚,层长)对它的影响。     

定面射孔新工艺对套管强度的影响研究

用于非常规储层的定面射孔工艺可有效地降低水力裂缝的起裂压力,提高近井筒的泄油面积;但该工艺对套管强度的影响研究较少。本文基于流固耦合理论,建立了地层-水泥环-射孔套管的应力耦合模型,退化为裸套管与API标准进行比对,效验了模型,并发现地层约束条件下套管承受内压的能力提高了1.48~2.16倍,在此基础上,给出了套管尺寸、射孔直径及射孔相位角对套管承压能力的变化规律。计算表明:螺旋射孔方位角为45?时,定面射孔间夹角为30?时,套管内径越小,套管壁厚越厚,则套管的承压能力越高;相同参数下,定面射孔工艺比螺旋射孔工艺引起的套管承压能力略低。     

油水井水泥环在冲击载荷作用下的损伤分析

 冲击整形扩径工艺是修复油水井套管损坏的常用技术，根据冲击整形的施工工艺和波 动理论，建立了套损局部位置处水泥环的损伤力学模型，以有限变形理论为基础，采用悬臂 梁力学模型，分段研究了冲击整形时钻杆屈曲的平衡位形及对套管、水泥环产生 的冲击力. 结合水泥环的应力状态, 根据脆性 材料的Mazars损伤模型，建立了水泥环的损伤力学模型. 并分析了水泥环的损伤 状态. 通过与现场测试结果对比，理论计算与实测结果误差在2.7%左右.     

含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效比热

基于细观力学复合球模型研究了含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效热弹性性质,重点讨论了界面相性质的径向分布对有效比热的影响. 首先,将非均匀界面相沿径向离散为多个同心球壳,每个球壳内的材料性质假设是均匀的. 基于上述离散模型,利用含界面相的复合球模型,推导了复合材料的有效体积模量、有效热膨胀系数及有效比热的数值求解表达式;进一步,假设界面相的性质沿径向连续变化,建立了一组微分方程,上述有效性质依赖于该微分方程组的解. 特别地,当界面相杨氏模量为幂次分布时,通过求解该微分方程组得到了有效比热等热弹性性质的解析解. 算例结果表明,应用此方法预测的有效热膨胀系数与实验结果吻合良好;界面相热膨胀系数的径向分布对有效比热和有效热膨胀系数均有显著的影响,而界面相弹性模量的径向分布对有效比热有显著的影响,对有效热膨胀系数的影响相对较小.      

EFFECTIVE SPECIFIC HEATS OF SPHERICAL PARTICULATE COMPOSITES WITH INHOMOGENEOUS INTERPHASES

基于细观力学复合球模型研究了含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效热弹性性质,重点讨论了界面相性质的径向分布对有效比热的影响. 首先,将非均匀界面相沿径向离散为多个同心球壳,每个球壳内的材料性质假设是均匀的. 基于上述离散模型,利用含界面相的复合球模型,推导了复合材料的有效体积模量、有效热膨胀系数及有效比热的数值求解表达式;进一步,假设界面相的性质沿径向连续变化,建立了一组微分方程,上述有效性质依赖于该微分方程组的解. 特别地,当界面相杨氏模量为幂次分布时,通过求解该微分方程组得到了有效比热等热弹性性质的解析解. 算例结果表明,应用此方法预测的有效热膨胀系数与实验结果吻合良好;界面相热膨胀系数的径向分布对有效比热和有效热膨胀系数均有显著的影响,而界面相弹性模量的径向分布对有效比热有显著的影响,对有效热膨胀系数的影响相对较小.     

散体介质SHPB被动围压试验体应力计算的理论修正方法

SHPB被动围压试验为探究散体介质在爆炸和冲击荷载作用下的力学行为提供了一个行之有效的方法。针对相关试验设计和计算中存在的弊端和不足,借助经典板壳理论将SHPB被动围压试验中用于约束散体介质的刚性套筒简化为受均匀带状内压作用的圆柱形壳体。理论计算了套筒径向位移、环向应变与均匀带状内压及套筒几何、力学参数的关系,得到了套筒径向位移、环向应变沿其轴向的分布规律;分析了套筒长度、厚度、内外径以及均匀带状内压宽度之间等无量纲几何参数对计算结果的影响;将理论计算结果与试验和数值模拟结果进行对比,验证了理论计算结果的正确性。本文中提出的理论修正方法可为指导散体介质SHPB被动围压试验提供参考。     

脆性材料热-力耦合模型及热破裂数值分析方法

针对混凝土、岩石等脆性材料,利用热传导和热-力耦合的相关理论,并结合材料在细观尺度上的损伤演化规律,提出了一种考虑损伤的热-力耦合模型,并在原有材料破坏过程分析系统RFPA(Realistic Failure Process Analysis)模型的基础上建立了脆性材料热破裂过程分析的数值模拟方法.该方法考虑了脆性材料在细观层次上力学性质的非均匀性(包括强度、弹模、传导系数等),并通过统计分布函数建立了宏、细观力学性能之间的联系.对不同均匀程度材料的数值模拟结果表明:材料的非均匀性对热传导规律、热应力分布以及热破坏模式有较大的影响.材料热力学性质的非均匀性加剧了材料内部热应力分布的非均匀性,这是致使非均匀材料热破裂的一个重要因素.对稳态和瞬态热传导两种条件下的脆性介质破裂过程模拟分析表明,考虑瞬态热传导计算所得到的破裂区小于相同条件下稳态热传导所得到的结果,表明在热破裂过程分析中,应注重考虑瞬态热传导对破裂过程的影响.     

任意圈层径向非均质土中桩的纵向振动特性

研究三维轴对称条件下径向非均质土中桩的纵向振动. 首先将桩周土体沿径向分为任意圈层来考虑土体的径向非均质性,每个圈层土体均质; 然后结合边界条件和相邻圈层土体之间接触面上位移和应力连续条件,对任意圈层土体动力平衡方程由外而内逐层求解,进而利用桩-土完全耦合条件求解桩动力平衡方程,得到桩顶的频域响应解析解和时域响应半解析解; 最后通过对土体主要控制参数的研究,得出了土体径向非均匀性对桩-土动力响应的影响.      

集簇式刚性连接组合梁桥的力学性能分析

为了研究任意荷载作用下集簇式刚性连接工字钢-混组合简支梁桥的应力和位移分布,首先将组合梁桥的三维结构简化为层合的二维弹性力学平面应力问题,分别求得各层简支梁的弹性力学解,然后用集中力替代集簇式刚性连接件对结构的作用力,根据梁桥表面的受力条件以及界面处位移和应力的衔接条件,确定待定未知量,从而得到组合梁桥的应力和位移分布函数.与有限元结果比较显示了该数值解具有很高的精度,参数化分析揭示了集簇式刚性连接组合梁桥的力学特点并且提出了簇钉间距的合理范围,研究结果为新型组合梁桥的工程设计提供了科学的理论依据.     

水泥基材料的化学-力学耦合作用

水泥石良好的粘结性能和力学性能决定水泥基材料和结构的耐久性.通过试验和理论研究,发现水泥石中含钙水化物质,特别是氢氧化钙Ca(OH)_2和水化硅酸钙C-S-H在化学腐蚀作用下的流失是一个复杂的过程.假定水泥基材料为宏观均匀材料,引入考虑两种水化物不同扩散过程的化学扩散模型.提出了新的化学-力学损伤本构模型,描述水泥基材料在不同化学腐蚀下的应力应变关系.综合应用提出的水泥基材料的化学-力学损伤本构关系和化学扩散模型,可以较好地反映水泥石具有时间效应的力学特性.     

基于修正Burgers模型的泥岩层套管形变影响因素分析

地层含水饱和度的变化对于泥岩储层的蠕变特性有较大影响,尤其是注采过程中泥岩段套管产生形变从而导致套管损坏。本文在Burgers模型基础上加入含水饱和度元件,提高了瞬时蠕变阶段模型的精度,同时对实际油田某泥岩区块进行了比对,得出随含水饱和度增加,地层蠕变量增大,且瞬时蠕变阶段时间减小的结论,同时在蠕变条件下套管壁厚、水泥环弹性模量、地层含水饱和度均可大幅度影响套管变形,而套管尺寸对套管变形几乎无影响。本研究成果能够更加准确地计算地层不同含水量条件下泥岩蠕变的套管变形,对井筒的破坏进行有效的预防及控制。     

正交各向异性复合井壁应力变形分析与应用

推出了正交各向异性多层复合井壁的应力、位移计算公式,分析了双层混凝 土中间夹泡沫塑料板的复合井壁的应力、变形规律. 发现当井壁环向弹性模 量小于径向弹性模量时,内壁最大剪应力和径向位移会随着环向模量的减小 而显著增大,若仍按各向同性设计,将可能出现病态井壁. 通过工程应用和现场测 试综合分析验证了上述结论,并提出了多层复合井壁破裂的新依据.     

初应力对单向复合材料圆柱板周向波的影响

基于“增量变形力学”理论,研究了径向和轴向均匀初应力作用下单向复合材料圆柱板中周向波的传播特性,应用Legendre多项式方法求解了耦合波动方程。讨论了单向复合材料纤维方向分别为周向和轴向时,初应力对圆柱板中的周向类Lamb波和SH波的影响。数值分析结果表明初应力对周向类Lamb波和周向SH波的影响是非常不同的;轴向初应力对频散曲线、位移和应力分布的影响与径向初应力的影响也不相同。     

钢筋混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性动态空腔膨胀阻力模型

在Forrestal素混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性球形动态空腔膨胀理论模型基础上,考虑粉碎区以内钢筋对混凝土的环向约束作用,提出了一个适用于刚性弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型。论文通过体积配筋率的引入,获得了钢筋混凝土靶空腔表面径向应力的理论解,并讨论了配筋率对空腔壁面径向应力及各分区大小的影响。结果表明:钢筋对混凝土的环向约束效应影响了空腔膨胀过程中混凝土各区域的大小分布,并提高了空腔表面的径向应力。