蠕变地层套管载荷分析研究

研究了蠕变地层中套管载荷的分布规律。首先,将套管看成弹性支撑,采用解析方法确定了均匀地应力条件下蠕变地层中套管的载荷。其次,采用有限元方法,研究了非均匀地应力条件下蠕变地层中套管的载荷。不论是均匀地应力还是非均匀地应力条件,经过足够长的时间,套管载荷都将接近于完全弹性解。同时,通过数值计算,得出了非均匀地应力条件下与现有套管载荷分布规律相反的结论。

蠕变地层套管等效破坏载荷分析

蠕变地层套管损坏的主要原因是套管外壁受到蠕变地层的非均匀载荷作用,套管本体抵抗非均匀载荷能力远远低于套管抗挤强度而产生缩径变形。通过分析蠕变地层套管非均匀载荷的分布形式,并考虑在该非均匀载荷作用下套管的强度特征及固井水泥环力学性能对套管抗非均匀载荷影响的基础上,采用有限单元法,分析了蠕变地层套管本体、固井套管组合体的等效破坏载荷。结果表明,非均匀载荷作用下套管的抗载能力迅速下降,提高固井水泥性能,切实保证固井质量将显著提高套管抵抗非均匀载荷的能力。

蠕变地层水泥环特性对套管应力的影响

蠕变地层套管应力计算是采取套损预防措施的依据,目前采用非均匀地应力作为套管水泥环力学模型边界条件的套管应力计算方法与实际情况不符。提出了蠕变地层套管应力计算应将均匀地应力作为其边界条件的有限元力学模型,并分析了水泥环椭圆度和弹性模量对套管应力的影响:当水泥环弹性模量小于等于地层弹性模量时,套管最大应力出现在最小水平地应力方向,反之则出现在最大水平地应力方向;套管峰值应力随着水泥环椭圆度的增大而增加,套管由缩颈损坏转变为挤扁损坏;蠕变地层水泥环弹性模量与地层弹性模量和井眼椭圆度之间存在合理的匹配关系,改变水泥环弹性模量是降低蠕变地层套管应力的最有效方法。该规律的得出有助于加深套损机理的认识和套损预防措施的实施。

非均匀地应力下蠕变地层套管的载荷分布

地层蠕变效应是引起套管损坏的主要原因之一,在非均匀地应力下,如何计算蠕变地层作用于套管上的最终稳定载荷是一个非常困难的问题。将套管看成弹性体,把地层视为无穷大的粘弹性体,建立了非均匀地应力条件下蠕变地层的开尔文模型本构方程,运用应力分析法和拉普拉斯变换法,求解出非均匀地应力条件下蠕变地层套管的载荷,并分析了套管载荷的分布。结果表明,当套管刚度较大时,经过足够长的时间,套管载荷趋于一个稳定的最大载荷分布,且其值接近于完全弹性解。

蠕变地层中含缺陷套管外挤压力分布的数值模拟

将蠕变地层视为粘弹性体,分别采用Maxwell粘弹性模型和线性强化弹塑性模型,建立了含缺陷套管—水泥环—蠕变地层有限元计算模型,旨在应用数值方法模拟在地质和工程因素及其联合作用下含缺陷套管外壁所受蠕动压力的分布规律,并对这类套管抗非均匀载荷的能力进行了有限元分析。采用逐步超松弛(SOR)迭代法进行了计算,为加快收敛速度,计算程序支持最佳松弛因子的自动快速搜索。算例分析表明,非均匀地应力条件下,最大地应力方向上套管外挤蠕动压力最小,而最小地应力方向上套管外挤蠕动压力最大;磨损缺陷改变了均匀载荷下套管外挤蠕动压力的分布规律,磨损处蠕动压力明显增大;与非均匀载荷相比,磨损是影响套管外蠕动压力分布更为敏感的因素。该数值结果可为复杂条件下含缺陷套管强度设计提供理论指导。

非均匀地应力下蠕变地层套管的载荷与变形关系

蠕变地层中套管载荷与套管变形是两个相互作用的因素,给出了非均匀地应力下蠕变地层套管载荷和变形的解析解。地层蠕变效应是引起各类套管大量损坏的主要原因之一,在非均匀地应力下,如何计算蠕变地层作用于套管上的最终稳定载荷和套管最终变形,这是两个很难解决的课题。将套管看成弹性体,把地层视为无穷大的黏弹性体,利用非均匀地应力条件下蠕变地层的开尔文模型本构关系,运用半逆解法和拉普拉斯变换法,完善了非均匀地应力条件下蠕变地层套管载荷的解析解,进而求出了套管变形的解析解;研究了非均匀地应力下蠕变地层中套管载荷的分布规律和变形的影响因素。结论对蠕变地层中套管的选用有重要的参考价值。

超深井蠕变地层套管强度及其影响因素研究

由于盐膏层岩石具有蠕变特性,导致盐膏层钻井、完井工艺复杂,造成井下套管损坏率高;本文采用岩石模拟伯格斯模型,研究了非均匀地应力下蠕变地层套管径向应力、最大等效应力和套管安全系数的分布规律,并在此基础上系统地研究了地层弹性模量和泊松比、水泥环模量和泊松比、非均匀载荷系数、内压等工程和地质因素对套管应力和载荷的影响规律,为蠕变地层中套管强度计算提供理论依据。

应力函数法计算蠕变地层套管的载荷

本文采用应力函数法研究蠕变地层中套管载荷的分布规律。将套管看成弹性体,把地层看成无穷大的粘弹性体,根据开尔文模型平面应变的本构方程,极坐标形式的平衡方程、变形协调方程及几何方程,采用应力函数法,解出了均匀地应力条件下蠕变地层套管载荷的解析解。为寻求非均匀地应力条件下蠕变地层套管载荷的解析解提供了理论参考。

蠕变地层中的非开挖盐水钻进液研究

在非开挖施工过程中，当钻遇蠕变地层时，一旦泥浆密度不足以平衡地层压力，很可能引起孔壁失稳，从而导致井壁坍塌、抱钻、抱管等事故。针对这种地层特点，要适当提高钻进液密度。盐水钻进液较普通泥浆，具有密度大、抑制性强、润滑性好等优点，这些特点恰好满足蠕变地层钻进液性能的要求。通过室内实验，配制出一套高密度、低滤失量、润滑性好的盐水钻进液配方，该配方为蠕变地层钻进提供了一种切实可行的方法。

蠕变地层深埋隧道结构长期受力状态研究

文章通过对新近系泥岩的蠕变试验获得泥岩的蠕变特性和流变力学参数,对中条山隧道泥岩段的衬砌结构长期受力进行了数值分析,重点研究了隧道衬砌内力随时间的变化规律,以及不同埋深对隧道结构长期内力的影响。结果表明,隧道衬砌内力随时间增加而增加,作用在隧道衬砌上的压力随隧道的埋深增加而增加。建议对于处于蠕变地层中的隧道,设计时不应该简单照搬隧道设计规范,应该进行专门的蠕变分析。

蠕变地层套管受力的ANSYS分析

近年来,套管损坏成上升趋势。特别是蠕变地层的套管损坏更为严重。蠕变地层的套管外栽计算是套管受力分析的难题,根据蠕变地层的性质,借助用ANSYS强大的有限元模拟能力,分析出套管在非均匀压力下的受力特点及特点,给钻井工作者在选择套管时提供参考。

对井内岩石变形与塑性蠕变地层的思考

在油气井钻井、完井、开采中经常遇到塑性蠕变地层,塑性蠕变地层蠕变是井壁失稳、套管损坏的最重要的因素之一。由于塑性蠕变地层种类繁多,特点各异,研究方法也不相同,分类研究更有针对性,但分类研究得出的结论极难推广到其它类型;统一研究结论更易推广,但统一研究不易找到统一的塑性蠕变地层的本质特征,所以现在尚无塑性蠕变地层的比较严格的定义。文章介绍了不同于地面材料的井下岩石受力特点、稳定变形特点、蠕变过程和特征,尝试给出了统一描述塑性蠕变地层的定义,并对蠕变地层意义进行了推广。

考虑地层蠕变效应的桥梁桩基施工对邻近运营地铁隧道的影响

为研究桥梁桩基施工引起地层蠕变效应对邻近地铁隧道安全运营的影响,采用卸荷条件下黏土蠕变特性试验确定了隧道周围土体的蠕变模型,通过数值仿真FLAC^(3D)与现场监测相结合的方法,分析了桩基开挖期间地铁隧道的竖向位移、水平位移和应力分布状态。结果表明:广义Kelvin本构模型能够较为准确地描述黏土体开挖卸荷时的蠕变效应;桩基开挖后,邻近地铁隧道衬砌位移不断增大,随后进入稳定状态;随着桩基开挖数量的增加,地铁隧道竖向位移和水平位移总体表现为下沉和向外收敛趋势;桩-隧最小净距越小,桩基施工对隧道影响越大,采用隧道双侧布桩的施工方式,能够有效降低桩基开挖时隧道拱腰的累计水平位移,有利于地铁隧道的安全稳定运营。

高模数水玻璃钾基抑制冲洗液在蠕变坍塌地层中的应用

在青海埃坑南矿区钻遇含角砾石的断层泥地层,孔壁坍塌、掉块,卡钻事故时有发生,几乎无法继续钻进,使用水玻璃与相关钻井液处理剂配合使用制备水玻璃钾基抑制冲洗液,用来平衡地层压力保护孔壁,并且加大金刚石钻头及扩孔器外径,解决了钻孔坍塌、缩径以及卡钻等问题,使施工顺利进行,为后续施工提供了参考方法。

考虑地层蠕变的基坑水平支撑稳定性探究

西原正夫模型可描述土体的蠕变特性,通过推导西原正夫卸载时的蠕变及流变本构方程,利用C++语言将蠕变本构模型程序化,基于该模型采用数值模拟的方法分析了基坑开挖完成后立柱桩在不同基坑宽度下的隆起规律,发现基坑越窄立柱桩隆起速率及隆起量越低,并研究了立柱桩隆起量与水平支撑安全轴力间的关系,得到长度越短的支撑所提供的支撑轴力越大,但对应允许的立柱桩隆起位移却较小,根据水平支撑极限弯矩求得立柱桩竖向位移表达式。

基于三维蠕变模型的基坑开挖长时位移预测

针对流变性软土地层大型深基坑开挖扰动位移的时效特性及长时位移的预测计算,开展系统研究。提出了融合基坑开挖卸载弹塑性动态位移、土体蠕变位移及其相互作用模式的长时位移计算概念化本构模型并建立了相应力学表达式;分析了软土蠕变模型的适用性并推导了长时位移计算关键参数--蠕变位移时效系数的计算公式。基于FEM与地层蠕变模型的时间增量法,建立了基坑开挖卸载位移和土体蠕变位移相结合的基坑开挖长时位移统一计算方法。研究成果适用于软土地层任意形式基坑工程设计阶段、施工阶段、基坑挖方完成等土体扰动长时位移的预测计算。工程实例的比较分析表明,计算方法具有良好的可靠性和工程适用性。

管内压力变化速率对套管强度的影响规律研究

对某油田3口典型井遇阻井段的综合情况进行分析,发现这3口井出现的套管强度问题都有一个共同的特点,即在钻完盐膏层并固井以后,如下部地层为稳定地层就需要降低钻井液密度,当密度下降到一个值后,套管出现弹性变形,造成钻头难以通过,因此,套管内钻井液密度的下降过程也将对套管变形产生影响。通过建立管内压力变化速率对套管应力影响的有限元分析模型,并对其进行分析研究,结果表明:当压力变化速率越快时,套管代表单元上的应力增大速率也越快,且最大值也越大;降低管内压力变化速率可以有效降低套管中的应力值,也即延长密度置换时间有利于套管抗挤,防止套管变形。

非均匀载荷下套管偏心对套管强度影响研究

通过对复杂地质条件下套管变形趋势分析,发现在相同地层条件下、相同井段处非均匀载荷作用下的等效外挤压力相差很大,致使套管变形程度不一。为了搞清楚出现这种现象的原因,运用相关数值模拟方法对地应力的非均匀程度以及套管偏心度对套管外载的影响规律进行了进一步的研究,结果表明,在90°和270°相对偏心方位套管的最大应力随着偏心距增加而逐渐增加;偏心距越大,套管内壁应力增加幅度越大。这与在非均匀载荷作用下套管内壁最大应力出现方位相同,即套管在非均匀载荷作用下向最小水平主应力方向偏移时,会加剧套管内应力的增加幅度;反之则会减小套管内应力的增加幅度。

管片衬砌配合陶粒可压缩层的支护结构与围岩相互作用模型

提出了一种适用于深部蠕变地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术。通过模型试验研究了陶粒可压缩层的让压效果,在此基础上针对围岩蠕变特性和陶粒可压缩性建立了围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用的理论模型,得到了不同隧道埋深和不同厚度的陶粒填充层时围岩变形和管片衬砌支护应力随时间的变化规律,确定了深部蠕变地层确保管片衬砌长期安全的陶粒可压缩层最小填充厚度的计算方法。研究结果表明:陶粒内部蜂窝状孔隙构造使其具有高可压缩层性,可以有效地吸收围岩蠕变变形,消减管片衬砌支护压力,改善其受力特性;理论模型可以有效地分析围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用关系,对于管片衬砌壁后填充陶粒可压缩层的厚度设计具有指导作用。研究结果对未来TBM工法在深部蠕变地层修建隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。

双材料界面动态扩展裂纹尖端的渐近场

建立了弹性 -粘弹性材料Ⅲ型界面裂纹动态扩展的力学模型 ,求得了裂尖应力、应变和位移场分离变量形式的渐近解及其数值结果 .在蠕变变形第二阶段 ,弹性变形和粘性变形同时在裂尖场中占主导地位 ,(σ ,ε)∝r-1/(n-1) .讨论了材料参数n和M对裂尖场的影响 .数值计算表明