温度压力耦合作用下的岩石屈服破坏研究

以深部开采为背景,讨论了温度和压力对深部岩石变形和破坏规律的影响。将岩石的屈服破坏过程视为能量释放和能量耗散的过程,根据最小耗能原理导出了温度和压力耦合作用下的深部岩石屈服破坏准则。该准则具有明确的物理意义,即当岩石的塑性耗散能及温度梯度引起热传导的耗散能累积耗散到一定程度时,岩石就会发生破坏失稳。

考虑温度压力耦合效应的控压固井全过程水力参数计算方法

综合考虑固井井筒流体瞬态流动特征、温压流变性以及水泥浆水化反应,建立考虑温度压力耦合效应的固井全过程水力参数计算方法。利用新模型开展数值模拟与场地试验,揭示控压固井全过程瞬态温度压力演化规律。结果表明新模型能精确预测固井全过程温度、压力,很好地满足工程需求;受循环变密度、变排量等影响,固井循环过程井筒压力呈现出明显的非稳态特征;固井循环阶段各流体流变性受温度压力影响明显,温压流变性的影响对精确预测固井井筒压力不可忽略;固井侯凝期间,受水泥浆水化反应的影响,水泥浆压力逐渐降低,温度呈现先增加后降低的趋势,该阶段需要在井口施加一定回压来避免固井气窜的发生;控压固井技术能够有效避免窄安全密度窗口地层井漏、气窜等事故的发生,构建的固井全过程水力参数计算模型可为成功实施控压固井技术提供理论支持。

温度压力耦合对瓦斯爆炸危险度的影响研究

为了研究低浓度瓦斯利用中瓦斯极限浓度的爆炸危险性,通过特殊环境条件20L爆炸特性测试系统测试温度压力耦合条件下瓦斯爆炸极限,对结果进行拟合,获得温度压力耦合对瓦斯爆炸极限影响的统计关系。引入爆炸危险度的概念对温度、压力耦合条件下的瓦斯爆炸危险性进行量化。结果显示,爆炸危险度随着环境温度与环境压力的增加而上升;且随着环境温度及压力的增大,爆炸危险度的上升速率逐渐变缓。

海上超高温高压钻井井筒温度压力场耦合研究

为研究海上超高温高压钻井井筒温度压力的变化规律,基于流体力学和传热学理论,考虑超高温高压井筒环境对钻井液密度以及钻井液流变参数的影响,建立海上超高温高压钻井井筒温度压力耦合预测模型,并利用实例井现场随钻数据进行模型验证,分析正常钻进期间井筒温度压力的变化规律。研究结果表明:对井筒温度而言,钻井液流变性变化的影响大于钻井液密度变化的影响,耦合计算温度结果要大于不耦合计算的温度值,且两者之间的温差随井深的增加越来越大;对井筒压力而言,钻井液密度变化对当量循环密度ECD(equivalent criculating density)的影响要大于流变性对ECD的影响,且耦合计算的ECD要小于不耦合计算的ECD值。该耦合模型可以提高井筒温度压力的预测与控制精度,并降低超高温高压地层窄密度窗口中的安全钻进风险,研究结果对超高温高压钻井精准的井筒温度压力预测及控制具有重要意义。

温压耦合作用下锚固界面变形失效机理

深部地层高地温、高地应力环境使巷道围岩树脂锚固支护结构稳定性降低,围岩变形有效控制问题亟待解决。因此,研究温度与压力耦合作用下锚杆杆体-树脂锚固剂界面变形破坏机理十分必要。首先,根据两淮矿区深部支护工程现状并结合室内不同温度环境下拉拔试验结果,发现高地温环境下树脂锚固体变形破坏加剧;进一步分析锚固体受拉拔荷载作用轴向、径向破坏模式,将第一锚固界面破坏分为弹性围岩-剪切-滑移型、未贯穿-剪胀滑移破坏及贯穿-剪胀滑移破坏等3种模式。其次,基于弹塑力学分析受围岩应力作用锚固界面不同破坏类型的界面受力状态,考虑高温环境下树脂锚固剂层力学强度弱化,建立温度-围岩应力耦合作用的第一界面失效破坏力学计算模型;分析围岩应力、环境温度及弹性模量比等因素变化对第一界面锚固性能影响的规律,发现第一界面极限轴向荷载随温度升高而降低,围岩处于裂隙发育或裂隙贯穿状态时,围岩应力对第一锚固界面剪切破坏影响程度较未产生裂隙时大幅度增高。最后,结合室内拉拔试验数据对比验证所推导计算方程式的合理性。研究可为深部巷道围岩稳定性控制及锚固支护参数设计提供理论依据。

温度-压力耦合计算井底积液高度方法研究

气井井底积液降低气井产能,实时准确地计算井底积液高度,对气井产能评价及采取合理排液采气措施具有重要作用。关井静态测量以及依靠油压、套压的变化规律分析井底积液高度具有较大局限性。本文在结合气液两相管流压力-温度耦合计算油管内流体温度分布的基础上,结合积液段油管流体温度分布,提出了利用井筒温度分布模型计算气井井底积液高度的新方法。该方法通过井口流体的实时测量温度结合井口压力、产气量、产液量、气藏温度以及井身结构数据,计算的井底积液高度具有实时性。该方法实用范围广,解决了低气液比,环空带有封隔器的气井井底积液高度计算难题。

温度-动水压力耦合作用下不同骨架沥青混合料的冲刷行为研究

为了研究温度-动水压力耦合作用下不同骨架类型沥青混合料的冲刷行为,利用自主研发的动水冲刷仪在温度为30t、40t、50t和动水压力为0.7MPa、lMPa的条件下,对三种类型沥青混合料马歇尔试件进行冲刷试验。结果表明:OGFC-16的水损坏最严重.AC-16最轻;OGFC-16的动力渗水系数最大.AC-16的最小;OGFC-16的质量损失最大为25.6%,AC-16的质量损失最小,仅为1.12%;经冲刷后.AC-16所能承受的峰值力最大,为2920MPa,OGFC-16所能承受的峰值力最小,最大仅为963MPa。

考虑相态的凝析气井井筒压力温度耦合计算方法研究

凝析气井由于井筒内压力和温度变化较大，凝析气在井筒流动过程中产生的相态变化及组成变化都比较大，必须结合相平衡和状态方程，对常规方法进行修正才能适用凝析气井。本文考虑井筒压力与温度之间的耦合关系，再结合凝析气井相态变化预测出井筒流出动态。结果表明：利用本文的计算方法，对凝析气井井口压力的预测结果更加接近实测值。

球面配流副油膜动态耦合建模及求解方法

柱塞泵摩擦副多场耦合建模及求解是柱塞泵失效机理研究及可靠性提升的基础,针对双斜式柱塞泵球面配流副多场耦合模型求解难的问题,提出油膜厚度场-压力场-温度场动态耦合模型及求解方法。在球面配流副受力分析的基础上结合雷诺方程和能量方程建立球面配流副油膜厚度场-压力场-温度场耦合模型;基于有限差分法和牛顿迭代法求解动态耦合模型,温度场、压力场、厚度场间相互耦合变化;通过仿真求解,与现有模型进行对比,结果相近且更符合实际,验证了所提模型及求解方法的有效性。

高温定向井井筒瞬态温度计算模型及其应用

四川盆地西部超深天然气井的目的层埋深在8000 m左右,井底原始地温超过150℃,一般都采用定向井的钻井方式钻至目的层。为了准确预测川西地区定向井钻井过程中的井筒瞬态温度、评价温度环境变化对流体性能与压力分布的影响,基于动量与能量守恒原理,考虑该区定向井的井型特点以及井筒—地层各控制区域在径向与轴向的传热机理,建立了定向井井筒—地层瞬态二维传热模型与温度压力耦合下的井筒压力计算模型,应用全隐式有限差分法对数学模型求解,分析了循环时间、排量对井筒温度的影响,进而评价了温度压力耦合下井筒压力与动静态密度随井深的分布变化特征。研究结果表明:①随着循环时间和排量的增加,井筒下部井段流体与近井壁地层温度降低,均低于原始地温,而上部井段流体、近井壁的套管及水泥环温度则高于原始地温;②考虑温度压力耦合下的井筒循环压力、静止密度及当量循环密度数值均小于无温度压力条件下,分别为2.1 MPa、0.065 g/cm3、0.045 g/cm^(3)。结论认为,该研究成果可以为定向钻具服役环境分析、全井段流体性质评价及井筒压力控制提供可靠的判定依据。

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。

Y油田CO2驱注入井井筒温度场和相态模拟研究

CO2在井筒流动过程中的气液相变对井筒温度、压力分布的计算有较大影响。为了优化注气参数,提高注气开发效果,通过对注入CO2过程中,井筒相态变化和注气井筒与地层传热机理的研究,建立了考虑相态变化的井筒温度压力场耦合计算模型,对注入CO2在井筒中的流动传热规律进行预测。应用该模型对B3井的井筒温度、压力进行了计算。

气井瞬变流动压力、温度耦合模型半解析解

根据异常高压气井测试特点,建立了一套预测气井井筒压力、温度耦合模型,利用LapLace变换详细推导获得了瞬变流动井筒压力、温度耦合模型在各种情况下的拉氏空间通解,运用Stehfest数值反演技术得到井底压力及温度实空间解。并运用VC++6.0语言,研制了异常高压气井井口压力资料处理软件。该软件已经在新疆、四川等油气田投入使用。矿场使用情况表明:文中提出的理论和方法切实可行,解决了由于温度引起的异常高压特高产气井井口压力动态异常问题,因而,具有重要的理论研究和实际应用价值。

分层注CO_2井系统模型研究

分层配注CO_2是解决注气提高采收率过程中不同地层间的层间矛盾,实现不同渗透性的地层都能够有效地注入CO_2,维持地层压力,提高气驱动用储量和采收率的重要手段。基于分层配注CO_2的思想,考虑井筒温度和CO_2相态的变化建立了井筒温度压力耦合数学模型,根据注气时段,建立了地层吸气模型,并耦合气嘴嘴损建立了考虑多个注气层的注入井数学模型,提出了相应的数值求解方法。模拟计算结果表明:要提高较差注气能力油层的配注量,井口注气压力需要达到一个临界值,合理地选择井口注气压力和气嘴直径是实现分层配注的关键。该研究成果为分层配注CO_2提供了重要的理论依据。

高含硫气井井筒硫沉积模型

在高含硫气藏的开发过程中,随着井筒温度、压力的降低,硫会在井筒中析出沉积,严重影响气井的正常生产和管道安全。目前多数硫溶解度模型受使用条件的限制,无法准确预测不同温度、压力条件下的硫溶解度。针对高含硫气井的气体组分特征,在Hu溶解度模型的基础上,结合多相流和传热学理论,建立了高含硫井筒温度、压力分布模型以及硫沉积预测模型。对某高含硫气田进行实例分析,计算得出温度分布、硫溶解度分布规律以及硫沉积量,并研究了气井日产量、硫化氢体积分数对井筒硫沉积的影响规律。研究结果表明:硫溶解度从井口到井底逐渐增大,呈非线性变化;同一时间,气井产量增加,井口温度升高,则硫溶解度增大,硫在井筒的析出位置上升,井筒相同深度的硫沉积量增大。模型计算出的硫析出位置与实例相比,误差小于1%。准确预测井筒中的硫沉积,有助于更好地管理具有潜在硫沉积问题的气井。

稠油环空掺稀气举技术——以吐哈油田吐玉克区块为例

为了提高稠油冷采开发水平,利用高18.25 m的垂直多相管流实验回路开展了稠油气举流动实验及压降模型优选。基于实验结果及井筒传热机理,建立了环空掺稀气举井筒压力-温度梯度耦合预测模型,并可通过耦合环空与油管内流动进行循环迭代求解。实验结果表明:注气有助于稠油与稀油更快更充分混合;压降模型优选表明,Ansari模型误差相对最小,为12.12%。针对吐哈油田吐玉克区块稠油井筒举升困难的实际情况,提出了稠油环空掺稀+气举工艺思路,并开展了实例井掺稀气举设计,对注气量、掺稀量等进行了敏感性分析。实例设计结果表明,实例井仅靠气举无法生产,其掺稀生产极限产量可达到16 m3/d,而掺稀+气举极限产量能达到52.5 m3/d;定产油量条件下,在特定范围内增加注气量能极大地减小掺稀量,且井底掺稀气举能极大地提升稠油井的产能。

体积压裂过程中岩性界面对套管应力影响研究

页岩气井压裂过程中套管变形问题显著,岩性界面是导致套管变形的重要影响因素。基于页岩气井压裂工程实际,建立了套管-水泥环-地层有限元模型,采用解析法和数值法结合的方式,计算了页岩储层各向异性、瞬态温度-压力耦合作用以及岩性界面对套管应力的影响。研究结果表明:相比各向同性储层,页岩储层各向异性提高了套管应力,弹性模量各向异性相比泊松比各向异性更为敏感;瞬态温度-压力耦合作用下套管应力先增大后减小,压裂液排量越大,套管应力越高;岩性界面大幅提高了套管应力,是导致套管产生变形的重要原因。研究结果可为页岩气井压裂过程中套管完整性设计和控制提供参考。

异常高压、特高产气井井底流压计算方法研究

异常高压、特高产气井井底流压对气井动态分析及管理至关重要。以高压高产气井井口压力动态为基础,基于质量守恒、动量守恒、能量守恒原理,综合考虑生产过程传热与井筒流动特征,建立了非稳态传热温度、压力耦合模型,编制了异常高压、特高产气井井底流压计算软件。将计算结果与现场实测井底流压进行对比分析表明:对特高产气井井底流压计算,常用的Colebrook、Jain及Chen摩阻因数计算经验公式适应性差,计算得到的流压易出现异常,表现在随着产量的增加,井底流压反而上升,甚至高于地层压力,但首先依据流体雷诺数大小判断流体所在的流动区域,再选用相应公式计算摩阻因数,可消除井底流压异常情况;特高产井产量高、流速快,考虑动能项比不考虑动能项井底流压要高出0.2~0.6 MPa左右,因此特高产气井井底流压计算必须考虑动能项。新模型计算的井底流压与实测值拟合误差小,精度高,具有较好的适用性。

气体钻井井壁热应力及井壁稳定性分析

目前进行气体钻井井筒流动参数计算时,环空气体温度常用地温代替,但是由于气体可压缩,气体温度受压力和流速影响显著。同时钻井过程中气体经过钻头喷嘴后产生焦耳-汤姆逊冷却效应,导致井筒中的气体温度与地温之间存在较大差异。采用压力-温度耦合计算整个井筒温度和压力分布,考虑井筒与地层之间的传热计算出井壁的径向和切向热应力,求解共同作用下的井壁坍塌压力,分析热应力条件下的井壁稳定性。由地应力和热应力计算结果表明,井底低温在井壁周围产生拉热应力,使近井壁有效应力减小,降低岩石剪切应力,有利于井壁稳定。

高含硫气井井筒硫沉积预测新模型

随着元坝高含硫气田逐步投入试采,井筒硫沉积问题受到关注。元坝气田井筒是否存在硫沉积,目前国内外硫沉积预测模型难以确定,本文在前人的基础上,对硫颗粒在气流中的受力进行分析,得到新的临界携硫速度,并将硫的溶解度、压力与温度的耦合,进而提出一个新的硫沉积解析模型,为设计及生产提供理论基础。通过新模型对YB204井实例计算,计算结果合理可靠。