井筒结构稳定性及THM耦合效应

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井筒结构稳定性问题在石油、天然气和地热等资源开发中不可避免,始终是油气井工程领域所面临的主要挑战。在高温、高压(HTHP)环境中,地层岩体具有低强度、高塑性力学特征,固井套管、水泥环与地层岩体组成的井筒结构在注水过程中受热流传质、导热影响,产生复杂的THM耦合响应,造成了井壁结构变形、失稳破坏等工程科学难题。为了揭示温度、流体因素对深部复杂地层近井筒区域岩体的影响机制,本文提出了井筒结构稳定性评价的THM耦合模型,考虑近井筒区域复杂几何结构,井筒流体流动、传热及地层岩体变形等物理耦合过程,对近井筒区域孔隙渗流、温度变化、应力分布及损伤破坏程度与深度进行研究。主要开展了以下几个方面的工作:1.基于线性热弹性理论,结合饱和多孔介质THM耦合作用在各个物理过程中的物理含义,推导了THM耦合的变形场、渗流场和温度场的控制方程,并给出了其相关数学模型。2.基于岩体弹塑性损伤本构模型方程,引入塑性损伤变量描述近井筒区域地层强度失效与渗透率变化,研究钻井成孔过程阶段的载荷/位移边界变化,孔隙流体渗流和井壁温度变化,分析了近井筒区域地层的应力分布与塑性损伤演化规律。3.在工作内容2的基础上,建立了钻井-固井施工期间的阶段性有限元模型,对比分析了钻井-固井过程中不同阶段井筒结构的变形及近井筒区域地层损伤范围及深度。4.基于THM耦合模型,依托山东德州乐陵区地热井水循环过程中井壁系统响应开展案例研究,揭示了深层地热井壁温度场、渗流场和变形场随时间的演化过程,利用井壁坍塌、破裂破坏系数评价了近井壁区域地层的破坏程度及深度,讨论了井低温度差和围岩力学性质对近井壁区域地层变形和破坏的影响。
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