[发明专利]一种非均质地层井壁渐进坍塌过程的流-固-热耦合模拟方法

权利要求书

1.一种非均质地层井壁渐进坍塌过程的流-固-热耦合模拟方法，其特征在于，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的地层地应力、孔隙压力、井筒压力；

步骤S20、根据室内岩石力学实验确定目标井地层岩石的岩石力学参数样本数量、岩石基础物性参数和岩石力学参数；

步骤S30、根据岩石基础物性参数和岩石力学参数确定每个参数的最佳分布函数及对应的特征参数；

步骤S40、建立井周应力分布的流-固-热耦合有限元数学模型；

步骤S41、建立控制方程：

式中，G和λ是拉梅常数；k是多孔介质渗透率；μ是流体的粘度；u、p和T分别是多孔介质的位移、孔隙压力和温度；下标t表示时间的导数；φ是多孔介质的孔隙度；K_f、K_m分别为流体和岩石的体积模量；I^T＝[1,1,1,0,0,0]；D是弹性刚度矩阵；λ_T是多孔介质基质导热系数；ρ_sc_s是多孔介质基质热熔；ρfc_f是流体热熔；β_s是多孔介质基质热膨胀系数；β_f是流体热膨胀系数；

步骤S42、使用伽辽金法有限元法逼近控制方程，可以得到控制方程的有限元求解格式：

其中，

M＝∫_VB^TDBdV

B＝LN_u

式中，B为应变和位移相关的应变矩阵；上标T为矩阵转置；N有限元形函数；u、p和T分别为未知变量u、p和T的向量；u_t、p_t、T_t分别为未知变量u、p和T的时间导数；f^u、f^p、f^T分别是节点载荷向量、流体源汇向量和热源向量；L是微分算子；N_u是位移形函数；

步骤S50、根据井周应力分布流-固耦合有限元数学模型计算井周应力分布；

步骤S60、根据井周应力分布计算损伤变量F；

F₁＝-σ₃-S_t

式中：C为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；S_t是岩石抗拉强度；F₁为最大拉应力状态函数；F₂为Mohr-Coulomb状态函数；F为损伤变量；σ₁为最大主应力；σ₃为最小主应力；

步骤S70、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；

E＝(1-F)E₀

式中：E、E₀分别为岩石损伤前后的杨氏模量；φ、φ₀分别为岩石损伤前后的孔隙度；K、K₀分别为岩石损伤前后的渗透率；F为损伤变量；

步骤S80、重复步骤S50至步骤S70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，实现非均质地层井壁渐进坍塌过程的数值模拟，并绘制井壁失稳区域图，确定每次迭代步下的NYZA值。

2.根据权利要求1所述的一种非均质地层井壁渐进坍塌过程的流-固-热耦合模拟方法，其特征在于，所述地层地应力包括最大水平地应力、最小水平地应力。

3.根据权利要求1所述的一种非均质地层井壁渐进坍塌过程的流-固-热耦合模拟方法，其特征在于，所述岩石力学实验包括单轴压缩和三轴压缩岩石力学实验；所述岩石基础物性参数包括孔隙度、渗透率和Biot系数；所述岩石力学参数包括杨氏模量、泊松比、内摩擦角、内聚力。