[发明专利]一种井壁坍塌渐进破坏过程的数值模拟方法

说明书

本发明公开一种井壁坍塌渐进破坏过程的数值模拟方法，包括：根据室内实验和测井资料确定目标井地层的岩石基本物性参数、岩石力学参数、地层地应力、地层孔隙压力、井筒压力；建立井周应力分布的流‑固耦合有限元数学模型；计算井周应力分布；计算损伤变量F；确定破坏区域，更新破坏区域的杨氏模量、孔隙度、渗透率；重复步骤进行迭代，直到损伤变量F≤0；绘制井壁失稳区域图，确定失稳区宽度Φ_b和深度r_b。本发明克服了常规有限元模型更新几何模型形状来更新内边界的不足，本发明通过更新破坏区域地层参数杨氏模量、孔隙度和渗透率，令破坏范围内的单元令为等效消失，无法承受应力加载，从而达到更新内边界目的。

技术领域

本发明涉及一种井壁坍塌渐进破坏过程的数值模拟方法，属于石油钻井工程、岩石力学与工程领域。

背景技术

井壁失稳是由于应力集中和井眼连续破坏导致最初圆形井眼的扩展。井壁失稳是一个渐进破坏的过程，如果破坏程度较低，则称为井壁崩落；过多的井壁破坏发生后，则导致井壁垮塌。井壁崩落和井壁垮塌是预测地应力的重要参考指标，经过实验和理论证明，直井的井壁崩落的方向与最小水平地应力方向一致。利用井壁崩落去预测地应力的状态的优势是它们广泛存在井眼中，以及可以使用测井技术出检测它们的位置、尺寸和崩落方位。在深井中，水力压裂很难实现地应力的测量，而井眼崩落是唯一可以得到地层应力状态信息。

为了模拟井壁渐进破坏失稳，国内外学者已经提出了大量的模型，例如，实验：通过真三轴实验，观察井眼的崩落或破坏的形状，由于实验装置尺寸较小，结果通常受到边界效应的影响，并且花费需要大量的人力和物力；解析解：应用弹性理论、弹塑性理论和孔弹塑性理论计算井周应力分布，结合准则预测地层岩石的破坏，解析解具有输入参数少和便易计算的优点，但仅适用于预测井壁崩落的开始和简单的几何模型；离散元模型：把岩石离散为单个独立的颗粒，研究颗粒之间的破坏，其局限性是由于它需要过高的计算机能力，颗粒之间的接触行为的精确描述。深度学习模型：利用AI算法高度线性/非线性拟合地应力与井壁稳定崩落形状关系，不足处是需要大量的数据集来训练AI算法，不能预测崩落或垮塌区的裂纹萌生、扩展、崩落形成；为此有限元是便易实现的方法，有限元模型：可以计算任意井眼形状的应力分布，根据准则确定破坏区域，更新几何内边界。但对于更新几何边界的方法往往难以实现。

为此，本发明提出一种井壁坍塌渐进破坏过程的数值模拟方法。采用连续损伤理论，更改已破坏区域的力学参数，视为该区域等效挖去，模拟了井壁渐进破坏发展的四个阶段：裂纹萌生、扩展、崩落形成和稳定。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种井壁坍塌渐进破坏过程的数值模拟方法；该方法采用连续损伤理论，更改已破坏区域的力学参数，视为该区域等效挖去，从而模拟了井壁渐进破坏发展的四个阶段:裂纹萌生、扩展、崩落形成和稳定。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种井壁坍塌渐进破坏过程的数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤S10、根据室内实验和测井资料确定目标井地层的岩石基本物性参数、岩石力学参数、地层地应力、地层孔隙压力、井筒压力；

步骤S20、建立井周应力分布的流-固耦合有限元数学模型；

步骤S30、根据井周应力分布的流-固耦合有限元数学模型计算井周应力分布；

步骤S40、根据井周应力分布计算损伤变量F；

步骤S50、根据损伤变量F确定破坏区域，更新破坏区域的杨氏模量、孔隙度、渗透率；

步骤S60、重复步骤S30至步骤S50进行迭代，直到损伤变量F≤0；此时无新的损伤区出现，井眼最终趋于稳定，绘制井壁失稳区域图，确定失稳区宽度Φ_b和深度r_b。