[发明专利]一种油井水泥环的水-热-力学多场耦合模型的建立及计算方法

说明书

本发明公开了一种油井水泥环的水‑热‑力学多场耦合模型的建立及计算方法，包括以下步骤：(1)建立孔隙水压力的本构模型，包括应力‑应变本构方程，及孔隙压力和单位体积材料内孔隙的体积变化量的本构方程：(2)增加由温度引起单位体积内的熵的变化量，建立考虑热效应的孔隙力学模型；(3)增加由温度梯度引起的孔隙溶液流量的变化量，建立考虑热渗流效应的本构模型：(4)建立油井水泥环的边界条件；(5)结合油井水泥环的边界条件，计算并获得油井水泥环内部的孔隙压力、径向有效应力和环向有效应力随时间和空间的分布曲线。本发明可测算并评估油井水泥环的受力和油井水泥环完整性和安全性。

技术领域

本发明涉及计算机软件领域，具体涉及一种油井水泥环的水-热-力学多场耦合模型的建立及计算方法。

背景技术

页岩气，作为一种非常重要的非常规能源，越来越受到国家的重视。如图1和图2所示，水压裂方法已经成为页岩气开采的一种重要方法，在这个方法中，介于钢套管(Casing)和围岩(Formation)之间的油井水泥环(Cement Sheath)越来越成为薄弱环节。在地底下几千米处，油井水泥环遭受了高压-高热-高盐溶液等多种不利因素的作用。在页岩气开采过程中，由于深层地层的特殊条件所产生的困难，很难通过实验手段测定水泥环在几千米的受力和破坏情况，因此，现阶段更多的是利用科学的理论模型和/或模拟手段来计算油井水泥环在钻井中的受力情况并判断其破环情况。

在本领域内，已有的涉及油井水泥环力学行为计算的发明专利主要有以下几个方面的缺点：1)水泥基材料被视为一种连续材料，水泥环本质上是一种孔隙材料，内部的孔隙水压力对水泥环的作用经常受到忽视；2)围岩温度和钢套管内水温度的温差所导致的温度应力以及热量流动方程对水泥环的力学行为影响很大，而这部分影响往往不被传统的专利所重视；3)围岩温度和钢套管内水温度的温差除了会导致水泥环的温度应力，其温度梯度还会产生热渗作用(Thermo-osmotic effect)，这种效应对于水泥环这种高密实的孔隙材料的力学行为影响很大，但是，传统的专利往往没有考虑到这部分影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种油井水泥的水-热-力学多场耦合模型的建立及计算方法。本发明基于所建立的考虑水泥环孔隙水压力、温度应力和热渗效应的水-热-力多场耦合模型，可以测算并评估油井水泥环的受力和油井水泥环完整性和安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种油井水泥环的水-热-力学多场耦合模型的建立及计算方法，包括以下步骤：

(1)建立孔隙水压力的本构模型，包括下述公式(1.1)的应力-应变本构方程，和公式(1.2)的孔隙压力和单位体积材料内孔隙的体积变化量的本构方程：

其中，σ_ij为应力张量，ε_ij为应变张量，p为孔隙水压，ζ为单位体积材料内孔隙的体积的变化量，G为剪切刚度模量，ν为泊松比，α为Biot系数，M为Biot模量，ε为材料的体积应变，δ_ij为克罗内克符号，当i＝j时，δ_ij＝1，当i≠j时，δ_ij＝0；

(2)增加由温度引起单位体积内的熵的变化量，以建立考虑热效应的孔隙力学模型：

s＝α_dε-β_ep+m_dT (1.3)

其中，s为单位体积内的熵增，β_e为材料热膨胀系数，α_d为排水条件下的热弹性有效应力系数，m_d为体积比热容与初始温度的比值，T为实时温度与初始参考温度之差；