基于损伤力学理论的泥页岩井壁稳定性研究

论文摘要

钻井中的泥页岩井壁稳定性问题是影响钻井技术发展的重大问题之一,由于水进入泥页岩地层,劣化了泥页岩力学性质参数,减弱了井壁围岩的支撑能力,因此加剧了井壁失稳问题。本论文基于损伤力学理论研究了泥页岩地层遇水产生的井壁损伤失稳机理及演化规律,并确定了井壁损伤失稳周期。本论文所做主要工作如下：(1)通过分析了泥页岩所含粘土矿物的组分、结构特点和电化学性质,建立了泥页岩井壁失稳模型,分析了井壁水化损伤机理；结合损伤力学理论确定了复杂应力状态下的损伤变量、损伤本构模型和损伤演化方程；(2)通过泥页岩试验研究,建立了水化扩散模型,分析了岩石力学参数随着含水率和时间的劣化规律；结合岩石强度和变形理论,推导了泥页岩遇水后损伤变量函数,得出了岩石力学参数随着损伤变量的演化规律,并确定了泥页岩的损伤极限值；(3)通过静力学、几何学、物理学三方面建立了考虑损伤的井壁围岩应力分布的平衡方程；结合线弹性力学理论推导了直井、定向井井壁应力分布,并根据能量等效原理推导了泥页岩水化应力,结合二者建立了泥页岩井壁围岩总应力场；(4)通过考虑损伤变量,建立了泥页岩剪切和拉伸损伤破坏准则,以及井壁坍塌、破裂压力计算模型；通过实例分析了泥页岩井壁的水化损伤坍塌破坏周期,形成了一套预测井壁损伤失稳的理论方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 泥页岩井壁稳定性问题的提出
• 1.2 泥页岩井壁稳定性问题的研究
• 1.2.1 井壁稳定性弹性力学分析
• 1.2.2 井壁稳定性弹-塑性分析
• 1.2.3 井壁稳定性力学与化学稱合分析
• 1.2.4 井壁稳定性损伤力学分析
• 1.3 研究内容
• 1.4 技术思路
• 1.5 技术创新
• 第二章 泥页岩组构特征和物理特性
• 2.1 泥页岩的成岩
• 2.2 泥页岩粘土矿物结构特征
• 2.2.1 常见粘土矿物结构特点
• 2.2.2 高岭石
• 2.2.3 蒙脱石、伊利石
• 2.2.4 绿泥石
• 2.3 粘土矿物水化作用
• 2.3.1 粘土水化膨胀机理
• 2.3.2 粘土水化分散机理
• 第三章 岩石损伤力学理论
• 3.1 损伤力学机理
• 3.2 损伤变量
• 3.2.1 面积定义损伤变量
• 3.2.2 弹性模量定义损伤变量
• 3.2.3 多轴应力下损伤变量
• 3.2.4 有效应力张量
• 3.3 损伤本构模型
• 3.3.1 Mazars损伤模型
• 3.3.2 Loland损伤模型
• 3.3.3 Sidoroff各向异性损伤模型
• 3.3.4 损伤模型优选
• 3.4 损伤演化方程
• 第四章 泥页岩井壁损伤机理研究
• 4.1 泥页岩水化扩散模型
• 4.1.1 泥页岩扩散系数
• 4.1.2 模型验证及求解
• 4.2 泥页岩岩石力学强度软化研究
• 4.2.1 单轴压缩试验研究
• 4.2.2 单轴压缩试验结果分析
• 4.2.3 三轴压缩试验研究
• 4.2.4 三轴压缩试验结果分析
• 4.3 泥页岩遇水损伤力学分析
• 4.3.1 泥页岩遇水后的强度和变形特性
• 4.3.2 泥页岩遇水损伤变量确定
• 4.3.3 泥页岩遇水损伤演化方程研究
• 4.3.4 泥页岩损伤变量下的力学强度演化规律
• 4.4 泥页岩损伤本构模型研究
• 4.4.1 泥页岩井壁水化损伤应力平衡方程
• 4.4.2 泥页岩井壁水化损伤对力学性质的影响
• 第五章 泥页岩井壁损伤失稳强度准则
• 5.1 泥页岩井壁受力状态分析
• 5.1.1 垂直井的井壁应力分析
• 5.1.2 定向井的井壁应力分布
• 5.1.3 井壁水化膨胀应力
• 5.1.4 井壁总应力
• 5.1.5 井壁主应力
• 5.2 泥页岩损伤强度破坏准则
• 5.2.1 剪切破坏准则
• 5.2.2 拉伸破坏准则
• 5.3 井壁坊塌压力计算模式
• 5.4 井壁破裂压力计算模式
• 第六章 应用实例分析
• 6.1 井壁含水率分布规律
• 6.2 井壁损伤变量变化规律
• 6.3 井壁应力场分布规律
• 6.4 井壁水化损伤坊塌压力变化规律
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要