地层压力衰减对水平井井壁稳定性的影响

根据等效塑性应变准则,在分析井壁岩石等效塑性应变相对变化量与地层压力衰减值的基础上,研究稳定井壁临界生产压差与地层压力衰减之间的关系。研究发现,井壁稳定性随着地层压力的衰减而减弱,临界生产压差随着地层压力的衰减而减小,且临界生产压差与地层压力衰减值呈幂函数关系。针对水平井开发提出了一套井壁稳定实时监控和生产压差合理调整的方法。     

疏松砂岩临界出砂压差的计算方法研究及应用

提高气田开采速度与控制地层出砂之间的矛盾已逐渐成为困扰疏松砂岩气田开发的主要问题之一.准确预测气层出砂的临界生产压差,以此作为气井配产的重要依据之一,对气井测试及开采具有重要的现实意义.对疏松砂岩气田的出砂机理进行了全面分析,利用测井资料计算岩石力学参数,并运用Mohr-Coulomb破坏准则计算气井出砂的临界生产压差.通过对比S气田多口气井实际出砂生产压差与计算的临界出砂生产压差,其符合程度较高,表明该方法合理,对疏松砂岩气田合理生产压差的确定具有指导意义.     

局部应力应变疲劳的能量方法

应用Neuber准则分析弹塑性材料缺口件时局部应力应变估计过高，因此预测初始寿命常给出过于保守的结论．由于当量应变能密度（Equivalent strain energy density,ESED）准则在Neuber准则的塑性变形项上增加了系数，局部应力应变估计结果更为准确．基于能量方法讨论了循环加载下材料的塑性应变能密度，发现ESED准则相比Neuber准则多考虑了塑性应变能密度，这是ESED准则局部应变场估计值远低于Neuber准则的估计值的能量理论基础．疲劳试验的结果验证了以上结论，     

局部应力应变疲劳的能量方法

应用Neuber准则分析弹塑性材料缺口件时局部应力应变估计过高，因此预测初始寿命常给出过于保守的结论.由于当量应变能密度（Equivalent strain energy density, ESED）准则在Neuber准则的塑性变形项上增加了系数，局部应力应变估计结果更为准确.基于能量方法讨论了循环加载下材料的塑性应变能密度，发现ESED准则相比Neuber准则多考虑了塑性应变能密度，这是ESED准则局部应变场估计值远低于Neuber准则的估计值的能量理论基础.疲劳试验的结果验证了以上结论.     

复合型裂纹扩展的形状改变比能准则

为了预测金属材料裂纹在小范围屈服时的延性断裂，以复合型裂纹为研究对象，将裂纹前缘塑性屈服区内的总形状改变比能用于建立复合型裂纹的断裂准则。该准则表明了金属材料裂纹在扩展过程中，起决定作用的是形状改变比能，而不是整个应变能。能成功地预测了复合型裂纹的启裂角度以及临界荷载，将其结果与Sih的S准则和实验数据结果进行了比较。结果表明，复合型裂纹扩展的形状改变比能准则，在预测裂纹启裂角方面优于S准则，并且预测的临界荷载偏保守。在工程上，将其应用于复合型裂纹断裂判定是安全的。     

复合型裂纹扩展的最大塑性区尺度准则

为了预测复合型裂纹呈滑移型（Ⅱ型）的断裂，在此提出了复合型裂纹扩展的最大塑性区尺寸断裂判据。该准则成功地预测了金属材料复合型裂纹呈滑移型（Ⅱ型）断裂的裂纹开裂角和临界荷载，同时认为金属材料裂纹扩展的动力来源于形状改变比能的释放，与体积应变能无关。将其结果与最大剪应力准则相比，取得了较为一致的结果。因此，结果表明：该准则在预测复合型裂纹呈Ⅱ型断裂上是成功的。     

井眼倾斜角和倾斜方位对裸眼完井地层出砂的影响

结合等效塑性应变准则定量地研究了井眼倾斜角和倾斜方位对裸眼完井砂岩油藏出砂的影响.计算结果表明,在一定的应力和地层条件下,井斜角在0～45°时,随着井斜角的增加,井壁内的塑性应变最大值和塑性区范围都不断增加,出砂的趋势增大;当井斜角在45°～90°时,随着井斜角的增加,井眼内最大塑性应变逐渐减小,出砂趋势减小.井斜角相同,但井眼倾斜方位不同的井,井壁内产生塑性变形的区域不同,塑性变形的程度也不同,从防砂的角度,井眼,尤其水平井眼应该沿原地最小水平主应力方向,或尽可能靠近最小主应力方向.     

基于突变理论的油气井出砂预测新方法

根据弹塑性力学理论建立了考虑渗流情况下的油气井井眼围岩的势能函数,以该势能函数为基础,应用突变理论的尖点突变模型研究油气井的出砂物理过程,进而建立了出砂预测的全新数学模型,求取无砂生产的临界流速,并在此基础上对影响出砂的敏感性因素进行了分析.首次引入突变理论对油气井出砂机理进行分析,建立了无砂生产临界流速的全新求解方法.实例表明该模型的计算结果可靠,敏感性分析表明塑性区的污染是出砂的主要原因.相对以往出砂预测模型,该模型考虑的因素更多,计算结果更可靠.应用突变理论研究油气井出砂机理为出砂预测提供了新的研究方法.     

渤海油田适度出砂水平分支井产能计算模型研究

渤海油田储层多为疏松砂岩,原油黏度高,油井产能低,在油井生产中若放大生产压差将会面临出砂的风险。为了进一步提高单井产能,提出了适度出砂与水平分支井相结合的单井增产技术,产能预测是实现该技术规模化应用的关键环节。水平分支井具有一个或多个分支,且地层出砂后含砂流体的流固耦合使得渗流机理更加复杂。运用等值渗流阻力法,考虑近井地带流固耦合渗流与水平分支井变质量管流耦合因素,设计了适度出砂水平分支井产能预测模型及产能预测软件。应用该模型对渤海S6油田10口井的数据进行分析预测,预测结果与实际生产指标吻合度较高。     

高温高压气井测试中合理生产压差的确定方法

高温高压气井测试中合理生产压差的确定需要综合考虑使气流能够在井筒中携液、返排侵入地层中的泥浆固相颗粒、避免井壁出砂、满足测试工具性能要求等;地层不出砂压差计算还涉及到井壁岩石的强度计算、气流流速计算等。综合这些计算结果所确定的生产压差可以确保测试过程的安全及测试结果的可靠性。     

反映物态变化的砂土状态参数本构模型

基于状态参数Ψ、峰值应力比、相态转换应力比、依赖于状态的剪胀方程和一个双曲线的应力应变关系,建立了一个静力条件下能统一反映密度和压力对砂土变形特性影响的本构模型。该模型具有8个材料参数,都能从常规三轴试验中确定,模型能很好的模拟不同密度和不同固结压力下砂土的这些变形特性,通过数值试验初步验证了模型的合理性。     

Modeling of state parameter and hardening function for granular materials

A modified plastic strain energy as hardening state parameter for dense sand was proposed, based on the results from a series of drained plane strain tests on saturated dense Japanese Toyoura sand with precise stress and strain measurements along many stress paths. In addition, a unique hardening function between the plastic strain en--ergy and the instantaneous stress path was also presented, which was independent of stress history. The proposed state parameter and hardening function was directly verified by the simple numerical integration method. It is shown that the proposed hardening function is independent of stress history and stress path and is appropriate to be used as the hardening rule in constitutive modeling for dense sand, and it is also capable of simulating the effects on the de-formation characteristics of stress history and stress path for dense sand.     

高压条件下石英砂中的静力触探试验及大变形模拟

在深部土层中进行原位试验时,以往针对中低应力水平的数据解译公式不再适用。为探究砂土在高应力条件下的力学特性,利用自行研制的高压标定罐,改变围压水平,进行不同密实度石英砂中的静力触探试验,基于任意拉格朗日—欧拉格式的大变形有限元方法,模拟静力触探仪的完整贯入过程,有效避免了锥尖周围的网格扭曲。大变形模拟中采用修正摩尔—库伦模型描述砂土的内摩擦角和剪胀角随累积塑性剪应变的变化,并通过修正弯曲元试验,确定合理的土体剪切模量。标定罐试验和大变形有限元方法获得的锥尖阻力结果能很好地相互验证;在此基础上,建立高应力条件下静力触探锥尖阻力与砂土相对密实度之间的关系,与已有的低应力水平试验结果进行对比,证明建立的经验公式能通过锥尖阻力很好地预测砂土的相对密实度。     

冻融饱和粉砂动力性能试验

在软土地区,例如上海,98%的地铁联络通道、地下泵房以及越江隧道采用冻结法施工,但土体的冻胀融沉对地下建筑及周围环境的影响显著.尽管冻土的物理、力学特性得到较多关注,关于饱和冻融土动力特性的研究还不是很充分.试验设计了制样-脱模装置和饱和-冻融方法,采用动三轴系统进行冻融饱和粉砂动力试验.结果表明:制样-脱模装置和冻融、饱和方法满足粉砂制样、冻融和饱和要求.重塑粉砂高度、体积冻胀率随温度降低而增大,原状粉砂规律不明显.轴向应变与动孔隙水压力密切相关,动孔隙水压力前期迅速增加,随后震荡调整,约275次附近出现峰值,随后下降并维持一个相对恒定值.冻结温度-30℃时,土样累积塑性变形最大,冻结温度-20℃时,土样累积塑性变形最小,-10℃取得中间值.总体上,累积塑性应变随振动频率增加而减小,围压增大、动应力幅值减少能显著减小粉砂的累积塑性变形.提出的改进Stewart半对数累积塑性变形模型可以预测冻融饱和粉砂的累积塑性变形.     

基于Hill原理的非相关联流动法则的机理研究

为了克服经典塑性力学中与摩擦相关的n阶齐次屈服函数的耗散功与应力状态无关,以及砂性材料的耗散功为零,后者与塑性发生时耗散功必须大于零的热力学第二定律相违背的缺陷,将真实空间的Hill最大耗散功原理推广到耗散空间的Hill最大耗散功原理.根据摩擦引起的能量耗散与真实空间正应力（或球应力）相关的机制,在耗散空间的屈服准则中引入与真实空间正应力（或球应力）相关的函数项,从而使塑性发生时材料的耗散功大于零.由于耗散空间中的屈服准则与真实应力相关,真实空间的屈服准则与塑性应变之间必须服从非相关联流动法则.     

Strength criterion effect of the translator and destabilization model of gas-bearing coal seam

Coal seam destabilization inflicts damage to equipment, causes property loss and personnel casualties,and severely threatens mining safety and efficient production. To further understand this destabilization based on the basic theory of Lippmann seam destabilization, a mathematical model was introduced for gas pressure distribution by considering intermediate principal stress and support resistance.Subsequently, we established a translation model suitable for the entire roadway coal seam with rocky roof and floor by applying the unified form of yield criterion in the state of plane strain. We also obtained the analytic expressions of coal seam stress distribution on both sides of the roadway and the widths of plastic and disturbance zones. Afterward, we analyzed several typical cases with different material yield criteria, obtained the plastic zone widths of the coal seam under different gas pressures, and assessed the effects of support resistance, roadway size, and coal strength on coal seam destabilization. Results showed that: the results obtained on the basis of Wilson and Mohr–Coulomb criteria are considerably conservative, and the use of Druker–Prager criteria to evaluate the rockburst-induced coal seam destabilization is safer than the use of the two other criteria; coal seam stability is correlated with gas pressure;and high-pressure gas accelerates the coal seam destabilization.     

不同物性的储层砂岩出砂力学响应分析

储层砂岩是由砂岩颗粒胶结而成的沉积岩,同一区域的物性特征不尽相同,油藏开采时的地层响应和出砂也会有差异.以2种不同的储层砂岩为研究对象,基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,模拟射孔围压和油藏流速一定时的砂岩宏细观力学响应,分析出砂的发生和发展过程.砂岩的宏观应力曲线表明砂岩颗粒间的弱胶结性越弱,胶结物质含量越少,砂岩越容易屈服破坏,出砂越容易.砂岩的黏结应力分布同样说明储层的砂岩颗粒越小、胶结含量和胶结程度越小,离散的颗粒越多,颗粒接触上的受力越大,砂岩破坏越严重,出砂的几率越大;同时,颗粒的位移和旋转也说明胶结物质对储层砂岩力学特性和出砂的影响较大,与上述研究成果一致.储层开采中,不同物性的储层砂岩力学响应不同,出砂特性有差异,需要针对实际的储层物性和赋存环境,采用适宜的出砂预测方法和防砂手段.     

SICP方法加固饱和砂土提高抗液化能力的动三轴试验研究

在地震作用下,饱和砂土地基易达到液化状态,从而形成安全隐患。以标准砂为材料进行大豆脲酶诱导碳酸钙沉积（SICP）的胶结固化,对30%、40%和50%相对密实度下的中密砂分别做1~3次处理,进行不同循环剪应力与有效固结围压比值下的动三轴试验。通过分析动应变、超孔隙水压力、动循环次数,对SICP方法处理饱和砂土的抗液化效果进行评价。结果表明：试样的孔压与应变发展都呈现出分阶段增长的特点,孔压在加载瞬间会急剧增长到一定水平,而后伴随塑性应变以稳定的速率增长,直至破坏。SICP方法处理饱和砂土能有效增强砂土的抗液化能力,减缓超孔隙水压力的增长速度,且处理次数越多,密实度越高,抗液化效果越好。     

油层出砂机理研究

本文从砂粒的受力分析出发，讨论了重力、范氏力和双电层斥力对出砂的影响。提出了油层出砂的门限流速概念，对于合理地确定油井产能、保护油层有着一定的实际意义。