【摘 要】
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微裂缝发育地层可描述为经典的双重孔隙度-双重渗透率介质。钻井过程中,井壁围岩同时受水力压差,温差和化学势差扰动,其基质和裂缝传热、传质、传流过程异常复杂。传统深部地层多场耦合力学模型偏重长时间效应井壁稳定性分析,忽略双孔双渗地层井壁围岩瞬时钻开动力学响应、局部热非平衡及流-固-热-化耦合效应,在预测裂缝性地层时变性井壁失稳方面存在局限性。基于此,本论文从钻井流体与井壁围岩作用的时序出发,将其分为井
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微裂缝发育地层可描述为经典的双重孔隙度-双重渗透率介质。钻井过程中,井壁围岩同时受水力压差,温差和化学势差扰动,其基质和裂缝传热、传质、传流过程异常复杂。传统深部地层多场耦合力学模型偏重长时间效应井壁稳定性分析,忽略双孔双渗地层井壁围岩瞬时钻开动力学响应、局部热非平衡及流-固-热-化耦合效应,在预测裂缝性地层时变性井壁失稳方面存在局限性。基于此,本论文从钻井流体与井壁围岩作用的时序出发,将其分为井眼钻开的瞬时动力学、局部热非平衡及热平衡后流-固-热-化全耦合3种典型状态,建立对应的井壁稳定多场耦合模型,分析裂缝性地层多因素扰动下井壁失稳规律,揭示复杂裂缝性地层井壁失稳机理,为裂缝性地层安全钻井提供基础理论。本论文的具体创新工作如下:1、井眼钻开瞬时的裂缝性地层井壁稳定动力学模型研究明确了井眼钻开瞬时的地层孔隙弹性力学响应机制,建立了双孔双渗介质流固耦合动力学模型,克服以往准静态模型假设应力瞬时平衡而忽略应力波传播速度的有限性的问题,揭示了井眼钻开后的孔隙流体压力响应特征,发现低渗地层比高渗地层更易发生井壁失稳,且毫秒级别的钻开时间对井壁稳定也影响显著。2、基于局部热非平衡的裂缝性地层井壁稳定力学模型研究明确了钻开初期深部地层孔隙（热）弹性响应力学机制,使用了考虑局部热非平衡的流固热耦合模型,不同于以往模型假设骨架和流体温度瞬时达到平衡,发现钻开初期阶段由于骨架和流体传热系数差异和换热不足,可能出现裂缝流体与骨架-孔隙流体温度不一致现象,同时建立了相应换热系数计算方法,为准确预测地层温度场和井周应力场提供理论基础。3、流-固-热-化多场耦合裂缝性地层井壁稳定力学模型明确了热平衡后力-化-热-固多场耦合的地层孔隙弹性力学响应机制,首次构建了双孔双渗地层流固热化耦合井壁稳定模型,克服以往模型只考虑温度或化学等单因素的工况,系统研究了温度、化学、水力和应力多因素协同作用下的地层内井周应力场,分析钻井液溶质浓度、温度、液柱压力对井壁稳定的影响规律,建立了多因素扰动下双孔双渗地层井壁稳定预测模型。
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