[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

说明书

本发明公开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，包括确定地层地应力、孔隙压力、井筒压力；确定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；确定每个参数的最佳分布函数及对应的特征参数；建立井周应力分布的流‑固‑热耦合有限元数学模型；计算井周应力分布；计算损伤变量F；损伤变量F确定破坏区域；重复步骤进行迭代，直到损伤变量F≤0，并绘制井壁失稳区域图，确定每次迭代步下的NYZA值。本发明使用输入参数的不确定性，表示了岩石力学参数的非均质性；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。

技术领域

本发明涉及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，属于石油钻井工程、岩石力学与工程领域。

背景技术

钻开地层形成井眼会破坏原应力平衡，导致井壁应力集中，钻井液压力不足以支持井壁围压发生井壁失稳。井壁失稳是一个渐进的过程，最初圆形井眼向最小主应力方向的逐级扩展破坏进而释放应力集中。而破坏程度较低并能保持正常的钻井作业，则称为井壁崩落；破坏程度较高，则称为井壁坍塌。Zoback指出直井的井壁崩落的方向与最小水平地应力方向一致，室内实验也证明了井壁崩落的方向与最小应力方向一致。

最早为了模拟井壁崩落这现象，利用Kirsch方程计算应力并用摩尔库伦准则判断井周围岩是否破坏，这一方法可以精确的模拟井壁开始破坏阶段。而实际井壁崩落过程，井壁围岩破坏后，井周应力会发生改变，新的岩石将会受到新的应力集中，形成新的破坏区，重复这一过程，直到井壁不再失稳。而这一渐进破坏的过程很难使用解析解计算。现有的数值模拟(有限元法、离散元法和边界元法)研究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。结果表明井壁崩落深度在逐渐增大直至稳定，而崩落宽度在第一次破坏的基础上保持不变；井壁崩落是一系列平行于最小主应力方向的剪切破坏引起的。但岩石都被假设为线弹性、均质和各向同性的材料，实际上，岩石作为天然非均质材料，在其力学行为具有非均质性。此外，现有的井壁渐进破坏数值模拟(有限元法、离散元法和边界元法)仅仅考虑了岩石材料变形破坏特征，忽略了流-固-热多场耦合的影响。

为此，本发明提出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。使用输入岩石力学参数的不确定性，表示了岩石力学参数的非均质性；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，提出一种非均质地层井壁渐进坍塌过程的流-固-热耦合模拟方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：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，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