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专利号: 2021106043585
申请人: 西南石油大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

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‑St

式中:C为岩石内聚力; 为岩石内摩擦角;St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;

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。

4.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,所述步骤S40的具体过程为: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;u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;Kf、Km分别为流体T

和岩石的体积模量;I=[1,1,1,0,0,0];D是弹性刚度矩阵;λT是多孔介质基质导热系数;ρscs是多孔介质基质热熔;ρfcf是流体热熔;βs是多孔介质基质热膨胀系数;βf是流体热膨胀系数;

步骤S41、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,

T

M=∫VBDBdV

T

HTT=λT∫V(▽N)(▽N) dVB=LNu

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u p T

为未知变量u、p和T的向量;ut、pt、Tt分别为未知变量u、p和T的时间导数;f 、f 、f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;Nu是位移形函数。

5.根据权利要求4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,所述步骤S50的具体过程为:根据井周应力分布流‑固耦合有限元数学模型建立非均质地层井壁渐进坍塌过程数值模拟的有限元模型,分别对非均质地层有限元模型赋值非均质材料参数、施加边界条件和划分有限元网格,最后计算井周应力分布,得到最大主应力σ1和最小主应力σ3。

6.根据权利要求5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,根据井周应力分布流‑固耦合有限元数学模型建立非均质地层井壁渐进坍塌过程数值模拟的有限元模型包括:根据平面应变和轴对称条件、井周应力分布流‑固耦合有限元数学模型,建立非均质地层井壁渐进坍塌过程数值模拟的有限元模型,其井筒半径为R,整个模型为50R×50R的几何模型,以排除边界效应的影响,并为了减少计算量。

7.根据权利要求5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,所述非均质地层井壁渐进坍塌过程数值模拟有限元模型的具体非均质赋值过程为:

首先选取合适每个参数的分布方式并编译MATLAB外部随机分布函数,其中随机分布函数以空间位置作为因变量;

然后把MATLAB外部随机分布函数放置COMSOL非均质地层有限元程序同一文件夹;

再点击COMSOL Link MATLAB,把MATLAB与COMSOL链接起,即可以调用已编译好的MATLAB函数;

最后在COMSOL中固体力学接口中,给内聚力、内摩擦角、杨氏模量、泊松比和Biot系数输入相对应的MATLAB函数名称;在COMSOL中流体力学接口中给孔隙度和渗透率输入相对应的MATLAB函数名称。

8.根据权利要求5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,所述边界条件包括:内边界施加钻井液压力Pm,外边界分别施加最大水平地应力σH和最小水平地应力σh,整个域上施加孔隙压力Pp。

9.根据权利要求5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,所述步骤S70中的计算公式为: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。

10.根据权利要求9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NYZA的计算公式为:式中:NYZA为归一化屈服区面积;A1为井壁周围屈服区面积;A2为井眼初始面积。