井壁稳定问题的断裂损伤力学机理的研究

论文题目: 井壁稳定问题的断裂损伤力学机理的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 固体力学

作者: 郑贵

导师: 唐立强

关键词: 井壁失稳,岩石的非线性损伤本构方程,初始损伤压力,井壁附近的损伤场,井壁失稳的有限变形分析

文献来源: 哈尔滨工程大学

发表年度: 2005

论文摘要: 井壁失稳问题是石油钻井过程中普遍存在并一直是困扰石油工业界的一个大问题。据保守的估计,井壁失稳每年会给世界石油工业造成约5—6亿美元的损失。由于钻井过程是地下工程,涉及到复杂的、千变万化的地质结构而且由井壁失稳引起和诱发的其它井下事故对钻井工程危害极大,使得该问题成为一个十分复杂且带有世界性的难题,一直受到国内外石油钻井界的关注,是国内外钻井技术界一直坚持不懈努力攻关的重要内容。井壁稳定机理的研究表明,井壁失稳问题既有力学问题,也有化学问题,而化学问题最终仍然反映到力学问题上。论文在对地层坍塌压力、破裂压力调研的基础上,根据地质力学、弹塑性力学、断裂力学和损伤力学理论,从力学角度对井壁稳定机理进行研究。 1、应用断裂力学和细观损伤力学理论,从细观损伤力学的观点分析了微裂纹开裂的条件,扩展方向,研究脆性岩石的变形机理。通过对井壁围岩的受力状态进行分析计算,并结合岩石破坏准则,建立了地层坍塌压力、破裂压力的计算力学模型。在模型中综合考虑了岩石力学特征、岩石的断裂韧性(K1c)和裂纹细观尺度对井壁地层坍塌压力、破裂压力的影响。用一种新方法重新考察和研究钻井工程中的井壁失稳问题。 2、在建立非线性损伤本构方程的基础上,结合采用细观力学方法所建立的初始损伤压力条件,给出井眼周围的损伤场。损伤区的尺度和损伤区的应力分布与岩石材料力学特征、微结构参数和几何尺度相关,从而为研究井壁失稳的损伤坍塌机理与坍塌规律提供新的思路。 3、钻井是破碎岩石形成井眼的过程,井眼的形成对相对稳定的原地应力场产生扰动,同时远场应力也在井壁岩石上产生较强的应力集中,在岩盐层和塑性泥岩层,经常发生并眼的扩孔和缩径。从变形的量级上分析,在工程中井眼的缩径是属于用有限变形理论研究的问题,应用有限变形弹塑性理论分析井眼的扩孔和缩径机理,能为钻井工程提供准确参考依据。 4、论述了井壁失稳的力学、物理一化学和施工工艺机理;讨论了在岩石

论文目录:

第1章绪论

1．1 井壁失稳问题的提出

1．2 井壁稳定力学问题的研究

1．2．1 井壁失稳的力学机理基本类型

1．2．2 井壁失稳的力学问题的研究

1．3 井壁失稳的力学机理研究与钻井工程实践

1．4 本论文研究的主要内容

第2章井壁的坍塌和破坏的力学分析

2．1 硬脆性岩石初始损伤的断裂力学描述和分析

2．1．1 弹性区的应力分布

2．1．2 微裂纹初始起裂的细观力学分析

2．1．3 井壁附近区域微裂纹表面的受力状态

2．2 初始损伤压力P_c的确定

2．3 孔隙压力的影响

2．4 公式(2-25)的意义

2．5 本章小结

第3章硬泥页岩井壁坍塌的损伤机理

3．1 硬脆性泥页岩的损伤本构方程

3．1．1 损伤理论基础的简述

3．1．2 有效应力的应变等价原理

3．1．3 非线性损伤本构方程的建立

3．2 初始损伤的确定

3．3 损伤区的控制方程

3．4 损伤区的应力分布

3．5 本章小结

第4章井壁的扩孔和缩径的有限变形分析

4．1 线弹性解的结论

4．2 有限变形弹塑性本构模型

4．3 有限变形的几何分析

4．4 求解问题的基本方程

4．5 求解问题的控制方程

4．5．1 σ_r≤σ_z≤σ_θ幂硬化条件下的解

4．5．2 σ_θ≤σ_z≤σ_r幂硬化条件下的解

4．5．3 理想弹塑性材料有限变形解

4．6 计算和结果的讨论

4．7 本章小结

第5章井眼失稳的工程实践

5．1 井壁坍塌的特征和现场实例

5．2 井壁失稳坍塌卡钻的原因

5．2．1 地质方面的原因

5．2．2 物理化学方面的原因

5．2．3 钻井工艺方面的原因

5．3 井壁坍塌的预防和处理

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历

发布时间: 2005-10-21

参考文献

[1].泥岩井壁协同防塌作用机理的研究[D]. 张世锋.中国石油大学(华东)2014
[2].准噶尔南缘复杂构造地质力学分析与井下复杂机理研究[D]. 杜青才.西南石油学院2004
[3].井壁稳定性若干力学问题的研究[D]. 杨敬源.哈尔滨工程大学2009
[4].富有机质页岩多尺度结构描述及失稳机理[D]. 俞杨烽.西南石油大学2013

井壁稳定问题的断裂损伤力学机理的研究

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