盐岩地下储气库注采气套管运行安全的物理模型试验研究

注采气套管结构是保证盐岩地下储气库注采气正常运行的重要枢纽,在盐岩地下储气库运行过程中,套管混凝土环极易因储库蠕变体积收缩而产生受拉破坏。因此,为了解套管混凝土环的受力和变形特性,采用三维地质力学模型试验技术,对江苏金坛盐岩地下储气库开展了不同采气速率、不同采气内压、储库失压等风险因素影响下的套管运行过程的物理模型试验,通过三维地质力学模型试验较好反映出储气库套管混凝土环的受力和变形特性。研究表明：（1）套管混凝土环的轴向拉应变随采气速率的增加而增大,为保证套管的运行安全,建议储气库的最大采气速率不超过0.65 MPa/d;（2）套管混凝土环的轴向拉应变和套管所受蠕变挤压应力随套管鞋离腔顶距离的减小而增大,为保证储气库运行安全,套管底部距离储库腔顶的距离应大于10 m：（3）套管所受蠕变挤压应力随采气内压的减小而显著增大,储气库的最低运行气压应大于3 MPa,并应最大限度地防止储气库出现失压事故。     

油砂力学及热学性质的试验研究

通过对取自新疆克拉玛依风城油田重油储层的油砂进行室温和高温三轴固结排水压缩试验,研究了油砂基本力学和热学性质。研究结果表明：在常温试验条件下,油砂的偏应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和软化阶段,高温试验条件下则首先会出现压密阶段,不同围压下的体积应变变化规律显著不同;油砂的弹性模量和泊松比均与固结压力有较好的线性关系;高温对油砂的峰值强度、残余强度、泊松比和弹性模量影响很小;油砂的内摩擦角为34°,大小与粗粒土相近,凝聚力为0.47 MPa;油砂的热膨胀系数随围压的增大而增大,环向膨胀系数远大于轴向膨胀系数;围压?3 =5 MPa时存在临界温度,使得油砂的变形在低于或高于临界温度时表现出不同的特点,当温度小于临界温度时,试件的环向变形、轴向变形、体积变形均随温度的升高线性膨胀;当温度大于临界温度时,试件的环向变形、轴向变形、体积变形均随温度的升高线性收缩。最后将风城油砂的性质与加拿大Athabasca和Cold Lake两处的油砂进行了对比,发现3个地区的油砂在强度、变形等方面有很多相似之处,这对风城重油资源的开采具有重要的指导意义。     

矿山竖井井壁与围岩热-固耦合作用分析

为研究竖井井筒运行期间受季节性温度变化影响时井壁的受力情况,对井壁和围岩应用弹性力学原理和热传导原理进行公式推导,在分析井壁温度场和应力场时结合围岩一起建立,数学力学模型,按"接触面问题"处理。公式推导结果表明,井筒运行期间井壁和围岩温度场随井筒内气流温度呈现周期性变化,井壁及围岩的温度场始终为不均匀分布状态;围岩随着径向距离的增大,温度影响逐渐消失;运行期间井壁切向总应力和环向总应力随井筒内气流温度呈现周期性变化,井壁内缘处环向总应力取得最大值,径向总应力取得最小值;无穷远处水平地应力值对运行期井壁总应力影响较大,通风时井壁内通常处于压应力状态;围岩的温度变化是影响井壁的受力状态的重要因素,井壁设计时需将井壁内缘变温最大时的应力差|σ_θ-σ_γ|作为选择井壁混凝土强度的参考最低值,还需要结合井壁温度应力的早期应力和中期应力进行分析。     

盐岩地下储气库套管运行安全的可靠性分析研究

盐岩因其具有良好的蠕变特性、低渗透性以及损伤自我恢复特性成为国际上公认的最理想能源地下存储介质。在盐岩地下储气库运营过程中储库套管受到储气内压、材料参数和几何尺寸等不确定性因素的影响,为了评价这些随机风险因素对储库套管结构运行安全的影响,建立了盐岩储气库的套管结构模型和基于Von Mises屈服准则的套管结构功能函数,根据建立的结构模型和结构功能函数,应用响应面法结合蒙特卡洛抽样计算获得储库在高压和低压运行条件下套管结构可靠度的变化规律。可靠性分析表明,为保证套管运行安全,储库最低运行内压应大于3 MPa,最高运行内压应小于22 MPa,套管靴距离储库腔顶的距离应大于10 m,并应适当加大套管的壁厚和减小套管的内径。     

多随机因素作用下储气库套管运行期安全性分析

套管是地下储气库运行过程中的薄弱环节,各随机因素的变化会对套管系统安全性产生较大的影响。以三维套管-水泥环-围岩系统为研究对象,考虑几何尺寸、荷载、材料特性等多因素的随机特性,基于蒙特卡罗法对储气库运行期套管系统的失效概率及敏感性因素进行分析,通过与地质模型试验结果进行对比,验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明,各随机因素对套管系统可靠性的影响程度不同,其中套管厚度、套管内径、工作内压、水泥环厚度为高敏感性因素,且各因素的影响效果不同,在工程中可采取不同措施提高系统可靠性;采气阶段,根据储气库腔体应力状态和体积变形规律确定的最大采气降压速率不会影响套管系统的安全性。     

非均匀载荷和内压作用下石油套管的抗挤能力分析

油井套管往往处于管内外复杂的受力环境下,揭示和分析这些因素对套管抗挤能力的影响就显得非常重要,并可为套管强度设计提供理论依据。根据套管在受到外部非均匀载荷和内压作用下的受力特点和材料力学理论,建立了单位长度的理想圆管的环向应力的计算模型,得到了套管内外壁的环向应力分布规律。计算结果表明：套管发生破坏失效位置在圆周方向与最大水平地应力成90°角的内壁上。依据Von Mises屈服准则由失效点得到了非均匀外挤载荷和内压作用下套管屈曲时抗外挤能力的新公式。实例计算表明：在影响套管的抗挤能力的因素中,外载荷的非均匀系数对套管抗外挤能力影响最大,外载荷的非均匀系数越大,套管抗外挤能力下降得越快;在外载荷非均匀性较小的条件下,提高套管外载荷承载能力可通过增大内压和减小套管径厚比来实现。     

基于煤层气与煤炭协调开采的地面煤层气布井理论探讨

煤矿区煤层气地面开发具有资源、安全、环保等综合效益。研究了煤层气开发与煤炭开采相互影响的控制机制,分析了主要影响因素,包括:煤层气套管、水泥环对采煤机械的损害,金属套管碰撞产生的火花,压裂石英砂对煤质的影响,压裂对煤层顶板和底板的破坏,以及煤炭回采对井筒的破坏。基于煤与煤层气协调开采的目标,结合煤炭开采"O"型圈理论,提出了煤矿区煤层气地面井位部署应以煤矿采掘生产为优先考虑原则;在研究了煤炭开采不同位置布置煤层气井可能性的基础上,提出了煤矿最理想的布井位置为回采边界的煤柱处,并提出在条件允许情况下首选水平井抽采方式。论文成果对煤矿区煤层气的安全高效开发具有一定的现实意义。      

冻结膨胀土应力-应变关系试验研究

通过冻结膨胀土三轴力学试验,主要研究了土体在不同温度与围压条件下的应力-应变关系.结果表明：冻结膨胀土的应力-应变曲线为应变硬化型,具有明显的弹塑性变形阶段;在相同围压条件下,随着温度的降低,偏应力增量随应变的增加而增大,最终达到塑性破坏时应力也随之增大. 通过回归分析,抗压强度与温度呈良好的线性关系.随着围压的增加,土体进入塑性变形阶段时的应力有所提高,抗压强度也随之增加,相比温度,围压对抗压强度的影响不是很大.对试验数据进行拟合表明,应用邓肯-张模型能够很好的描述冻结膨胀土应力-应变关系.     

深厚松散地层泄压槽治理井筒破坏判据及其与地下水水位关系

为了解决深厚松散地层预防性治理后竖井井筒缺乏破坏判据问题,用数值极限应变方法分析井筒应变值的变化情况,将井筒中达到极限应变值的单元环向贯通,计算不收敛作为井筒整体破坏判别标准。分别建立了带卸压槽和无卸压槽井筒的数值计算模型,得出地下水水位下降诱发的井筒和周围岩土体的极限应变值。结果表明,井筒周围砂土层先于井筒在181~183 m发生破坏：若地下水水位下降27 m,无泄压槽井筒在181~182 m发生破坏;若地下水水位下降38 m,带卸压槽井筒在182~183 m发生破坏。目前地下水水位下降为20 m,井筒处于安全状态。数值计算卸压槽压缩量与实际监测值一致。     

水平井多段压裂应力场计算新模型

为了准确认识水平井多段压裂过程中井筒周围应力场变化,指导裂缝起裂和延伸机制研究,综合考虑井筒内压、地应力、压裂液渗流、热应力、射孔和先压开裂缝等因素的影响,根据应力叠加原理,建立了水平井多段压裂应力场计算模型。该模型利用位移不连续法,重点考虑了先压开裂缝在水平井筒周围水平面上产生的诱导应力大小,克服了裂缝诱导应力解析模型只能计算裂缝高度平面诱导应力大小的局限。结果表明,通过应力场模型进行的破裂压力预测与实际破裂压力值吻合度较高,验证了建立模型的准确性;人工裂缝形成后会对水平井筒周围应力场造成很大影响,在裂缝尖端出现应力集中,造成应力分量降低,在裂缝周围一定区域造成应力分量有较大的升高;多段压裂压开人工裂缝越多,应力之间干扰越严重,水平井筒周围应力分布越复杂。该研究对认识多段压裂存在先压裂缝干扰下后续裂缝的起裂和延伸机制,指导压裂施工具有一定意义。     

影响水平井注水泥顶替效率主要因素的数模分析研究

水平井注水泥过程中,顶替效率的高低受多种因素的影响。其中,套管偏心度、冲洗液流变性能以及冲洗液与钻井液的密度差的影响较为突出。为了解水平井固井注水泥过程中各种影响因素的作用规律,借助流体力学软件Fluent,建立了偏心水平井三维模型,采用流体体积法（vof）进行了冲洗液顶替钻井液的数值模拟研究。模拟井筒直径为215.9 mm（81/2 in）,模拟套管外径为177.8 mm（7 in）,环空长度为300 m,冲洗液顶替速度为1 m/s,套管偏心度根据具体算例选取0、0.2、0.3、0.4。模拟结果表明：顶替效率随套管偏心度增加而降低,适当提高水泥浆流性指数,降低稠度系数有利于提高顶替界面的稳定,缩短界面长度,提高顶替效率。当冲洗液与钻井液之间形成正密度差关系时有利于顶替效率的提高。     

温度对煤系泥岩力学特征影响的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱,对经历不同温度后煤系泥岩的力学特性进行试验研究,分析不同温度下煤系泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量以及泊松比受温度的影响。研究结果表明,不同温度下泥岩的力学特性有差异。随温度的升高,其峰值应力、峰值应变有不同程度的降低,其峰值应力从25℃时的9.153 MPa下降到55℃时的8.271 MPa,降幅为9.6%;峰值应变从25℃时的11.002×10-3下降到55℃时的8.249×10-3,降幅达25.0%。弹性模量随温度的升高逐渐减小,变形模量随温度的升高而增大,泊松比随温度的升高逐渐减小,由此得到各参数变量随温度的变化关系。研究成果可为深井高温软岩巷道的围岩控制提供理论基础。     

沁水盆地煤岩高温高压实验变形特征

对沁水盆地不同地区选取的5组煤岩样品进行高温高压变形实验,结果证实,在相同的实验条件下,(1)采自不同地区的煤岩强度在较低温压条件下表现出一致性,在较高温压条件下显现出差异性;(2)高煤级煤No.3煤样在某一温压条件下（100℃、100MPa）,应力应变强度都是最低的,为煤岩组分影响的结果。在不同的实验条件下, 煤岩在高温高压条件下（温压大于200℃、200MPa）,随着温度与围压增高,应力应变强度在降低,但这主要是温度影响的结果。在温压为100℃、100MPa和500℃、500MPa时,煤岩应力应变强度均很低,但却存在着本质的差别:前者产生的应力应变强度只有部分真实地代表了煤岩的强度（应变量ε<3％）,而持续的应力应变强度（应变量ε>3％）则是围压作用的结果;后者煤岩低应力应变强度显示出明显的韧性状态, 主要表现在温度对煤岩产生的影响。     

含硫酸钠盐冻结粉砂强度与变形指标的试验研究

对硫酸钠盐含量为0.5%的冻结粉砂在-2℃的温度下和0.3～17 MPa围压范围内进行了三轴压缩试验.试验结果表明,含硫酸钠冻结粉砂强度随围压的增大呈先增大后降低的规律,强度的增大阶段可分为两个阶段,第一阶段为0.3～4 MPa,增大速率为1.775;第二阶段为4～8 MPa,增大速率为0.753,围压8 MPa时强度最大,其值为13.10 MPa,与0.3 MPa围压处的最小强度值3.52 MPa相差9.58 MPa;在8～17 MPa的围压范围内,强度整体呈现下降趋势,强度在13.10～12.19 MPa波动.为在冻土工程计算中选取合理的变形指标,对比分析了初始切线模量E₀与0.5倍强度处割线模量E_0.5、初始切线泊松比μ₀和0.5倍强度处割线泊松比μ_0.5随围压的变化规律.分析结果表明,两种方式确定的弹性模量和泊松比的变化规律均可按围压分为0.3～4 MPa、4～10 MPa和10～17 MPa三个阶段,弹性模量E₀与E_0.5在第一阶段和第二阶段均随围压的增大而增大,但第二阶段的增加速率比第一阶段低,在第三阶段E₀随围压的增加呈现明显的减低趋势,从最大值1 022.39 MPa降低到490.27 MPa,而E_0.5在在该阶段受围压影响不大;泊松比μ₀与μ_0.5在第一阶段与第二阶段均随围压的增大而减小,但第二阶段的降低速率比第一阶段小,在第三阶段μ₀与μ_0.5随围压的增大而增大.对变形指标随围压的变化规律分析表明,冻土初始变形行为对围压敏感,数据离散性大,在工程计算中选取0.5倍强度处对应的割线变形指标在数据上更为稳定、可靠.     

基于改进西原模型的深井冻结压力数值计算分析

深厚冲积层冻结压力取值大小是冻结法凿井外层井壁设计计算的重要依据。为此,基于符合深井冻土蠕变特性的改进西原模型,利用ABAQUS软件的用户子程序接口,实现该模型的UMAT开发。考虑土体冻结过程中的热-力耦合作用获得井筒开挖前土体冻胀应力分布规律,在此基础上,计算分析了深部冻结井的掘砌过程,获得了作用于外层井壁的冻结压力发展变化规律。计算结果表明：土体埋深、冻结壁温度、土体冻胀率等因素均影响冻结压力的大小。在其他条件不变的情况下,当埋深由400 m增加到500 m时,冻结压力增加21%;当冻结壁平均温度由-16 ℃降低至-18 ℃时,冻结压力减小10%;当土体冻胀率由2%增加到3%时,冻结压力增加3.8%。冻结压力随层位深度及土体冻胀率的增加而增加,而降低冻结壁温度则有利于冻结壁的稳定。数值计算结果与实测值的误差小于15%,比理论计算更有利于实际工程中深井冻结压力的计算预测。     

高埋深储层膏质泥岩蠕变力学特性试验研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象;分别开展了温度为130℃、围压为30 MPa作用下三轴压缩和不同应力水平的三轴蠕变试验,结果表明,该泥岩呈非均质性不明显、具有较大塑性压缩和延性扩容变形、峰值强度略低等软岩力学特性;且轴向和侧向峰值应变达1.5%,峰值强度为74 MPa。泥岩力学特性表现出明显的时间效应,蠕变应力阀值较低;应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现显著的稳态蠕变和加速蠕变破坏;且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系;探讨了泥岩强度损伤和加速蠕变特性,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述,且加速蠕变变形为应力与时间的二元指数函数。相关成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及蠕变模型构建提供可靠的依据。     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

井筒自循环技术开采干热岩地热的试验研究

井筒自循环技术是开发干热岩地热的一种新技术,它采用油管和套管组成的U形通道作为换热器,目前对该项技术的现场和室内试验研究尚不够。文章建立了一个实验室规模的模拟装置来模拟干热岩局部井筒自循环的热交换过程,以水作为换热介质,进行一系列室内试验,对换热的影响因素及换热参数进行研究。试验结果表明:具有较大采热能力和热容量的花岗岩在高温下具有较高的采热速率;较高的注水速率会产生较高的采热速率,但出口温度会降低,因此,应慎重选择较高出口温度和较高采热量之间的平衡。相似性分析表明,876 m长的垂直井在602.8 m3/d的注入速率下,可从150 ℃的干热岩中获取的采热量高达565 kW,该结果与现场实测数据很接近,可以证明相似性分析结果的合理性。建立的模拟装置及试验原理也同样适用于“取热不取水”的中深层同轴套管式地埋管换热技术,可以为中深层地热开发研究和实际应用提供一定的参考。     

CO2驱煤层气中煤层膨胀对套管稳定性的影响

随着中国经济的快速发展,能源供需矛盾日益突出,由于过度依赖化石能源,大量排放CO2,致使面临的环境压力越来越大。CO2驱煤层气(CO2 enhanced coal-bed methane)技术可同时增产煤层气和大规模减排CO2,在我国具有良好应用前景,但应用该技术在注采生产过程中因煤层吸附CO2产生的膨胀效应对套管稳定性的影响尚未引起重视。通过建立考虑CO2煤岩吸附膨胀效应的套管-充填材料-煤岩平面应变模型计算的套管应力和变形理论解与ABAQUS数值模拟结果具有良好的一致性,并分析了CO2吸附膨胀条件下套管应力的影响因素。分析结果表明,膨胀对套管应力和变形具有显著影响。在给定CO2吸附浓度和套管内径条件下,套管和充填材料的壁厚、充填材料和煤岩的力学参数是影响套管应力的主要因素,可通过增加套管或（和）充填材料壁厚以及改变充填材料力学参数来降低套管应力。开发超低弹模和较大泊松比的充填材料是降低套管应力的有效途径。     

基于RA/AF的高温后砂岩破裂特征识别研究

开展岩石高温损伤破裂信息识别研究对地热开发和煤炭地下气化等具有重要的指导意义。通过不同高温处理后砂岩在破坏过程中声发射参数RA(上升时间/振幅)和AF(平均频率)值变化,研究高温后砂岩内部不同类型裂纹的发展演化规律。结果表明:砂岩在整个加载过程中以拉张裂纹为主,当加载应力超过峰值应力的80%后,剪切裂纹所占比例迅速增大,可将此作为砂岩发生破坏的前兆;当加热温度超过600℃时,剪切裂纹所占比例上升,超过800℃,剪切裂纹所占比例迅速下降,600℃和800℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度;高温后位错塞积现象增多,砂岩塑性特征增强,拉张裂纹所占比例增大。研究成果将对高温作用后岩石破裂失稳前兆信息的识别提供重要的理论基础。