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求解浅水流动的分步有限元方法

水动力学研究与进展（A辑） 2004年第4期19卷 475-483页

作者：江春波梁东方李玉梁清华大学水利水电工程系北京100084

　本文将分步有限元的计算方法引入到浅水方程组的求解中。该方法起源于Taylor Galerkin(T G)方法,但数值稳定性优于T G法并具有三阶精度。由于计算中没有引入高阶的空间导数项,实现起来比Taylor Galerkin方法简单,适用于非线性和多维... 详细信息

　本文将分步有限元的计算方法引入到浅水方程组的求解中。该方法起源于Taylor Galerkin(T G)方法,但数值稳定性优于T G法并具有三阶精度。由于计算中没有引入高阶的空间导数项,实现起来比Taylor Galerkin方法简单,适用于非线性和多维问题的求解。计算模型中包含了零方程和双方程的紊流模型,可以根据需要选择。文中详细介绍了初始和边界条件的取法,并通过五个算例验证了计算模型的可靠性。

关键词：分步有限元浅水流动紊流模型

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页岩气体积压裂井筒组合体力学新模型研究

石油机械 2019年第7期47卷 63-70页

作者：范明涛李社坤李军赵超杰马小龙郜海波中石化中原石油工程有限公司固井公司中国石油大学(北京)

在四川威远-长宁国家级页岩气示范区,部分井次在储层改造过程中出现了井筒完整性失效问题,严重影响了页岩气的开发效果。准确分析页岩气井施工过程中井筒组合体的应力变化规律对提高页岩气井筒完整性具有重要意义。传统建模方法忽略了... 详细信息

在四川威远-长宁国家级页岩气示范区,部分井次在储层改造过程中出现了井筒完整性失效问题,严重影响了页岩气的开发效果。准确分析页岩气井施工过程中井筒组合体的应力变化规律对提高页岩气井筒完整性具有重要意义。传统建模方法忽略了固井之前井筒组合体的应力变化。针对上述问题,根据分步有限元的模拟思想,通过相应推导,建立了考虑水泥环初始应力应变的井筒组合体数值模型,可以模拟钻井、固井以及压裂过程中井筒组合体应力分布;采用场变量、生死单元等数值模拟技术建立了页岩气井井筒组合体解析模型,模型同时考虑了页岩弹性模量各向异性特征、水泥环初始应力应变,比常规模型更符合现场实际。研究结果表明:解析模型与分步有限元数值模型的计算结果很接近;储层初始弹性模量各向异性对井筒组合体应力的影响较小,在研究过程中可以忽略。研究结果可为页岩气井体积压裂过程中井筒的完整性分析提供理论指导。

关键词：页岩气井井筒完整性解析模型各向异性分步有限元

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页岩气体积压裂固井界面微环隙产生机理研究

石油机械 2018年第10期46卷 78-82页

作者：范明涛李军柳贡慧陈晓欣中国石油大学(北京)石油与天然气工程学院北京工业大学中国石化中原石油工程有限公司钻井二公司

页岩气体积压裂施工过程中地层性质以及固井质量的变化,可能会导致固井界面微环隙的产生,从而威胁油气井的正常生产。为了准确了解页岩气井施工过程中固井界面微环隙的产生规律,基于分步有限元方法,采用场变量以及生死单元技术构建了考... 详细信息

页岩气体积压裂施工过程中地层性质以及固井质量的变化,可能会导致固井界面微环隙的产生,从而威胁油气井的正常生产。为了准确了解页岩气井施工过程中固井界面微环隙的产生规律,基于分步有限元方法,采用场变量以及生死单元技术构建了考虑固井界面存在微环隙的井筒组合体变形数值模型,分析了水泥浆失重、压裂过程中地应力、地层弹性模量变化以及水泥环性质对固井界面微环隙的影响。研究结果表明:压裂过程中地应力的亏空以及水泥浆的失重提高了微环隙产生的概率。微环隙尺寸随着压裂过程中地层弹性模量的降低有所减小;根据施工环境,适当降低水泥环弹性模量有助于降低固井界面微环隙产生的概率。建立的有限元模型以及研究结果能够为压裂施工作业中油气井环空带压的产生提供理论依据。

关键词：页岩气微环隙体积压裂水泥浆失重分步有限元地层性质

油气井水泥环初始应力状态实验与数值模拟研究

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油气井水泥环初始应力状态实验与数值模拟研究

作者：胡佳雯中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

固井水泥环是油气井全寿命周期内封隔井眼内的不同压力层系、防止不同油、气、水层之间发生流体窜流的主要屏障,其完整性是保障后续钻进与油气开采顺利进行的必要条件,水泥环完整性丧失可能导致管外冒油、环空带压等现象,造成安全、环... 详细信息

固井水泥环是油气井全寿命周期内封隔井眼内的不同压力层系、防止不同油、气、水层之间发生流体窜流的主要屏障,其完整性是保障后续钻进与油气开采顺利进行的必要条件,水泥环完整性丧失可能导致管外冒油、环空带压等现象,造成安全、环保隐患,降低油气开发效益。服役期不同阶段的应力状态定量预测是水泥环完整性评估的基础。油井水泥的全生命周期以候凝结束时刻为界线分为前后两个阶段,将候凝结束且套管内液柱压力未发生改变时刻的水泥环内部应力状态定义为水泥环初始应力,井下水泥环的应力状态由初始应力以及温压条件变化导致的增量应力两部分构成,目前的水泥环应力研究集中在水泥硬化之后阶段,并已经取得了许多认识和成果。然而,油井水泥候凝结束前后是两个相衔接的阶段,确定油井水泥环的初始应力状态至关重要,然而对于水泥环初始应力的形成机理缺乏深入的认识,目前尚无高效、精确的水泥环初始应力计算模型和方法。本文针对油气井固井水泥环初始应力状态开展了室内实验与数值模拟研究。设计和加工了一套水泥环侯凝过程中的水泥孔隙压力与水泥环-套管界面及水泥环-地层界面径向应力演化监测装置,基于该装置开展了侯凝过程中的水泥环孔隙压力与水泥环-套管界面及水泥环-地层界面径向应力演化规律实验研究,揭示了水泥膨胀性、地层软硬程度、地层渗透性和地层温度对固井水泥水化过程中的孔隙压力与应力状态影响。在实验结果的基础上,将水泥视为力学性质随水化进程而变化的孔隙弹性介质,考虑水化过程中的水分消耗,建立了固井水泥渗流-应力耦合模型,基于有限元方法对模型进行离散,编制了水泥环初始应力分析计算程序,模型计算结果与实验结果吻合较好。最后,基于ABAQUS软件平台,建立考虑建井过程的固井水泥环应力状态预测有限元模型,依次模拟井眼钻开、下套管、泵注水泥浆、侯凝等工况计算水泥环初始应力大小,并分析了地层弹性模量、地层泊松比、渗透率、温度和水泥环膨胀性对水泥环应力状态的影响规律。

关键词：候凝初始应力渗流-应力耦合套管-水泥环-地层分步有限元

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页岩地层体积压裂过程中水泥环完整性研究

石油机械 2017年第8期45卷 45-49页

作者：范明涛李军柳贡慧中国石油大学(北京)石油与天然气工程学院北京工业大学

为了准确了解多级压裂过程中水泥环的应力变化规律,基于分步有限元的思想,构建了考虑页岩各向异性的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型,模拟多级压裂过程中水泥环的应力变化特征。新的模型考虑了注液温度、套管内压、地应力、... 详细信息

为了准确了解多级压裂过程中水泥环的应力变化规律,基于分步有限元的思想,构建了考虑页岩各向异性的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型,模拟多级压裂过程中水泥环的应力变化特征。新的模型考虑了注液温度、套管内压、地应力、孔隙压力、水泥环以及地层性质等因素对水泥环受力状态的影响。研究结果表明:高压注液过程中,采用传统模型会低估井下水泥环周向应力的变化程度;大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致水泥环应力发生剧烈变化;储层改造后的地应力以及孔隙压力变化对水泥环周向应力均有较大影响;水泥环周向应力随着地层各向异性程度的增加而有所增加;调节施工内压并适当降低水泥环刚度可明显降低水泥环发生拉伸破坏的概率。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。

关键词：页岩体积压裂分步有限元套管水泥环数值模拟