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硬脆性泥页岩井壁稳定渗流-力化耦合研究

特种油气藏 2016年第2期23卷 140-143,158页

作者：梁利喜丁乙刘向君许丽油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500 西南石油大学四川成都610500

硬脆性泥页岩发育弱面结构且具有水化特性,易造成钻井过程中井壁失稳问题。在室内定量分析了钻井液对岩石弱面强度、基体强度、孔隙空间的影响程度。基于实验结果,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构、水化和渗流作用的渗... 详细信息

硬脆性泥页岩发育弱面结构且具有水化特性,易造成钻井过程中井壁失稳问题。在室内定量分析了钻井液对岩石弱面强度、基体强度、孔隙空间的影响程度。基于实验结果,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构、水化和渗流作用的渗流-力化耦合井壁稳定模型。实例计算表明:弱面结构的存在使得坍塌压力上升;弱面结构产状变化,造成坍塌压力分布复杂,不再存在单调变化的井斜方位;渗流应力变化对钻井初期坍塌压力影响较小,但在后期影响明显。该模型能准确地计算硬脆性泥页岩地层坍塌压力,对钻井工程有一定指导意义。

关键词：硬脆性泥页岩井壁稳定坍塌压力力化耦合渗流应力

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渤海某油田明化镇组软泥岩安全钻井周期研究

非常规油气 2024年第2期11卷 134-139页

作者：张磊谢涛侯欣欣李文龙金经洋中海石油(中国)有限公司天津分公司天津300459 中海油能源发展股份有限公司天津300459

渤海某油田明化镇组发育活性软泥岩,作业过程中频繁出现起钻遇卡、下钻遇阻、倒划眼以及憋压蹩扭矩等复杂情况,大位移井井壁稳定问题突出,急需开展软泥岩地层安全钻井周期研究。基于泥岩矿物组成分析和室内岩石力学试验,建立了泥岩力化... 详细信息

渤海某油田明化镇组发育活性软泥岩,作业过程中频繁出现起钻遇卡、下钻遇阻、倒划眼以及憋压蹩扭矩等复杂情况,大位移井井壁稳定问题突出,急需开展软泥岩地层安全钻井周期研究。基于泥岩矿物组成分析和室内岩石力学试验,建立了泥岩力化耦合模型及强度参数变化模型,并以大位移井A1井为例开展了安全钻井周期分析研究。结果表明:1)该油田泥岩伊/蒙混层含量达57%,改进型PEC钻井液条件下膨胀率达5.69%,泥岩单轴抗压强度随浸泡时间的增加而快速降低,高的伊/蒙混层比的岩石矿物组成是造成油田井壁失稳的根本原因;2)井周应力差最大值出现在地层内靠近井壁的某一位置处,坍塌破坏首先在地层内部而非井壁上发生;3)随着钻孔时间的延长,坍塌压力先减小后增大,井眼短时间内坍塌风险较低,但维持井壁稳定所需的钻井液密度迅速增加。以A1井为例进行安全钻井周期研究,当钻井液密度保持在1.25 g/cm^(3)时安全钻井周期为9~38 h,沿最小水平主应力方向钻进最为安全。该研究成果对类似油田的大位移井安全钻井周期研究有一定借鉴意义。

关键词：安全钻井周期井壁稳定大位移井力化耦合坍塌压力

基于小变形的热障涂层界面氧化力化耦合生长分析

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基于小变形的热障涂层界面氧化力化耦合生长分析

作者：李沈洲湘潭大学

学位级别：硕士

热障涂层以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性被广泛应用在航空涡轮发动机中,然而,热障涂层的几何形状、微观结构和服役环境都极其复杂,使得涂层在无法预知的情况下开裂,最终导致涂层剥落失效。在服役过程中,热生长氧化物(thermally grown oxi... 详细信息

热障涂层以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性被广泛应用在航空涡轮发动机中,然而,热障涂层的几何形状、微观结构和服役环境都极其复杂,使得涂层在无法预知的情况下开裂,最终导致涂层剥落失效。在服役过程中,热生长氧化物(thermally grown oxide,TGO)在力、热、化学势多重因素作用下生长,极大地限制了TBCs在航空发动机上的安全应用。本文重点考虑了TGO在力化耦合作用下的生长,并借助有限元软件进行仿真模拟计算分析,主要研究内容和结果如下:第一,通过建立简单的高温氧化模型,研究氧化物厚度的演化规律,得到了TGO厚度与温度、氧分压、表面粗糙度等外部条件的解析表达式。进一步分析了温度、氧分压、表面粗糙度等外部环境条件对氧化层厚度的影响,结果表明:TGO氧化初期,生长速度很快,随着时间的增长,反应速度逐渐减小,最后趋于平稳;温度和表面粗糙度对氧化层厚度的影响较大,而氧分压对其影响较小;随着温度升高和表面粗糙度增加,氧化层的厚度越大并且氧化反应程度越高。第二,在小变形假设情况下,将总应变分为弹性应变和生长应变,通过生长应变建立TBCs高温氧化过程中浓度对力场的影响,建立TGO生长过程中的力场的本构关系;在化学势中加入平均应力,通过Fick定律建立力对化学场的影响,得到化学场的本构关系;在TBCs高温氧化过程中引入一个变量n来表示TGO的生长过程,当其取1表示TGO,取0表示粘结层,得到TGO的演化方程。结合力平衡方程、扩散反应方程、TGO演化方程以及本构方程建立TBCs高温氧化的力化耦合模型。第三,借助于COMSOL建立TGO生长的有限元模型,给定力场和化学场的边界条件及初始条件,将力化耦合理论的控制方程写成弱形式输入COMSOL,进而研究TGO生长和涂层内应力的耦合规律。结果表明:波峰处TGO氧化生长速率比波谷大,且TGO厚度随界面粗糙度的增加而增大;TBCs的界面粗糙度是影响涂层内应力分布的关键因素,随着粗糙度的增大,应力值在不断增加;涂层内的压应力对TGO生长有抑制作用,拉应力有促进作用。

关键词：热障涂层高温氧化力化耦合 TGO形貌生长应力

锂离子电池极片跨尺度力化耦合理论与数值模拟

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锂离子电池极片跨尺度力化耦合理论与数值模拟

作者：杨鑫伟湖南大学

学位级别：硕士

锂离子电池凭借着高能量密度、高循环性能、无记忆效应、自放电效率低等优点被广泛使用。目前的锂离子电池的能量密度不能完全满足市场需求,急需开发高容量锂离子电池,但是高容量电池因极片过大的体积变形导致力化耦合问题突出。锂离子... 详细信息

锂离子电池凭借着高能量密度、高循环性能、无记忆效应、自放电效率低等优点被广泛使用。目前的锂离子电池的能量密度不能完全满足市场需求,急需开发高容量锂离子电池,但是高容量电池因极片过大的体积变形导致力化耦合问题突出。锂离子电池的电极是典型的非均质复合材料,并且在其充放电过程具有明显的双尺度特征。本文首先基于均匀化理论建立了的非均质复合材料标准非弹性耗散的双尺度力化耦合理论模型,然后用简化的两步交替有限元算法实现在两个尺度上求解极值问题,最后通过数值算例定性地讨论了充电过程中,电极的整体锂离子容量、有限变形及微观特征演化。主要工作内容如下:第二章基于变分原理,建立了具有非弹性耗散机制均质材料力化耦合的变分格式,再基于此建立其增量型力化耦合问题的变分格式。该章所建立的变分格式为后续非均质复合材料跨尺度模型的建立与数值求解提供理论基础。第三章基于具有标准耗散特性的均质材料的力化耦合模型,发展了非均质复合材料在化学物质扩散作用下的力化耦合模型。首先基于计算均匀化方法,发展了非均质复合材料的双尺度力化耦合问题的变分格式,然后基于Hill-Mandel原理,建立了具有局部扩散特性和耗散机制的多组分非均质复合材料的双尺度增量变分公式。最后发展了迭代求解的跨尺度有限元数值算法,对非均质复合材料中的质量扩散以及力化耦合特性的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。第四章针对常见的锂离子电池的电极,首先给出具体的自由能函数和耗散关系式,得到了电极的力化耦合本构模型和演化方程,再结合本文发展的跨尺度交替迭代求解方法,利用与状态场相关的解变量（Solution-Dependent State Variables,SDVs）对两个子程序间的数据进行传递,实现了化学和力学耦合效应。在求解非均质复合材料的双尺度瞬态质量扩散问题时,对其力化耦合性能进行了讨论:（1）采用简化的仿真模型,分别讨论了锂离子在电极尺度和局部活性颗粒尺度上的扩散特性以及引起的大变形;（2）通过参数分析,定性地讨论了充电方式、微观结构形貌以及微观塑性演化等对电极的充电性能的影响,为锂离子电极的材料制备和结构设计提供理论基础。

关键词：锂离子电池非均质复合材料力化耦合双尺度模型

非均匀地应力条件下浅部泥岩井壁力化耦合作用分析

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非常规油气 2021年第4期8卷 99-105页

作者：许杰刘海龙张磊中海石油(中国)有限公司天津分公司天津300459

渤海明化镇组及馆陶组等浅部泥岩地层井壁失稳严重,影响着钻井安全与时效。利用实验手段全面揭示了浅层泥岩的理化及力学特征(包括水化膨胀特性、吸水扩散性能、力学和强度参数),在此基础上通过半数值半解析的方法求解了非均匀应力情况... 详细信息

渤海明化镇组及馆陶组等浅部泥岩地层井壁失稳严重,影响着钻井安全与时效。利用实验手段全面揭示了浅层泥岩的理化及力学特征(包括水化膨胀特性、吸水扩散性能、力学和强度参数),在此基础上通过半数值半解析的方法求解了非均匀应力情况下浅部泥岩地层的水化应力,以曹妃甸12-6油田一口水平大位移井为例进行了井壁稳定性分析。结果表明1)浅层泥岩水化膨胀较强,吸水量随着离井眼距离增加而减小,时间越长,吸水量越多,达到一定时间后趋于饱和,随吸水量变化地层弹性模量和强度降低;2)浅部泥岩坍塌失稳首先发生在井壁内部1~3 cm处,且坍塌呈现一定的时间效应,受水化作用影响,抗变形能力变弱,坍塌周期较短,在较低钻井液密度钻进时,坍塌周期约为4~15 h;3)在考虑地层非均匀性时,沿着水平最小地应力方位钻进相对更安全。上述研究成果对类似油田浅层泥岩的井壁失稳控制提供了指导。

关键词：渤海浅部泥岩理化特征试验井壁失稳力化耦合

力学化学耦合的硬脆性泥页岩微裂纹扩展机理研究进展与思考

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石油科学通报 2023年第5期8卷 577-587页

作者：金衍张亚洲卢运虎中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室北京102249

储层岩石微裂纹等缺陷在化学力学环境中的时序演变,是造成岩石强度劣化乃至宏观断裂失稳的关键原因。探究微裂纹扩展诱导损伤演化、损伤积累诱发失稳破坏这一跨尺度行为的发展过程,对保障井壁围岩稳定性、高效地勘探开发油气资源具有重... 详细信息

储层岩石微裂纹等缺陷在化学力学环境中的时序演变,是造成岩石强度劣化乃至宏观断裂失稳的关键原因。探究微裂纹扩展诱导损伤演化、损伤积累诱发失稳破坏这一跨尺度行为的发展过程,对保障井壁围岩稳定性、高效地勘探开发油气资源具有重要意义。首先介绍了岩石中微裂纹扩展的3类基本行为与特征,并提出页岩的水化过程即为内部微裂纹不断发生更加活跃地亚临界扩展这一机制,井壁围岩的垮塌失稳更多地表现为微裂纹从亚临界扩展到动态断裂的时序损伤演化。基于这一认识,在井壁稳定研究中,为揭示岩石内部微裂纹在化学力学耦合下的亚临界断裂机理,定量表征损伤演化过程和失稳突变行为,团队提出了“化学断裂”这一力学概念,内容聚焦于化学力学环境中微裂纹扩展的断裂力学理论,以及岩石力学参数对结构损伤演化特征的响应规律。然后分别从理论模型和试验测试2个角度,对岩石化学力学耦合的微裂纹亚临界断裂机理的研究现状进行了梳理与总结。最后列出了当前研究工作中所面临的几个具体问题与挑战,并阐述了化学力学环境中脆性岩石微裂纹扩展演化和断裂机制的新思考与展望。

关键词：井壁稳定力化耦合亚临界扩展化学断裂力学

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硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合研究

石油勘探与开发 2014年第6期41卷 748-754页

作者：温航陈勉金衍王凯夏阳董京楠牛成成中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司中国石化集团股份有限公司石油工程技术研究院

建立了考虑结构特点和弱面水化的硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合模型,利用模型分析了坍塌压力分布的影响因素,并进行了现场实例分析。基于硬脆性泥页岩理化性能特点,根据钻井液活度-岩石膨胀率、岩石活度-吸水量等关系,给出了钻井... 详细信息

建立了考虑结构特点和弱面水化的硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合模型,利用模型分析了坍塌压力分布的影响因素,并进行了现场实例分析。基于硬脆性泥页岩理化性能特点,根据钻井液活度-岩石膨胀率、岩石活度-吸水量等关系,给出了钻井液活度窗口,进而确定岩石临界膨胀率及合理吸水量,并给出了坍塌压力的计算方法。分析发现:弱面倾角固定时,随着弱面倾向的变化,坍塌压力呈四分之一对称分布,且不存在坍塌压力单调递增或单调递减的井斜方位,危险区域和安全区域交替出现;与弱面黏聚力相比,弱面内摩擦角的水化程度对坍塌压力分布的影响更大。现场实例分析结果表明:利用提出的力化耦合模型可以准确地预测坍塌压力分布,只要将钻井液活度控制在活度窗口内,就能保证井壁稳定并降低钻井液密度。

关键词：硬脆性泥页岩钻井液活度井壁稳定力化耦合大斜度井坍塌压力

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全固态锂电池界面的机械失效模型综述

力学季刊 2022年第3期43卷 471-481页

作者：赵莹杨佳悦田嘉宇同济大学航空航天与力学学院上海200092

全固态锂电池具有高能量密度和高安全性能等优点,有望替代传统锂电池成为下一代可移动储备.然而,全固态结构也给这种新型电池的应用带来全新的挑战,阻碍其商业化的进程,其中很重要的一个挑战就是机械不稳定性.首先,尽管固态电解质具有... 详细信息

全固态锂电池具有高能量密度和高安全性能等优点,有望替代传统锂电池成为下一代可移动储备.然而,全固态结构也给这种新型电池的应用带来全新的挑战,阻碍其商业化的进程,其中很重要的一个挑战就是机械不稳定性.首先,尽管固态电解质具有较高刚度与强度,理论上应该可以阻挡锂枝晶的穿透,但在其使用过程中仍能观察到锂枝晶的生长,这与高刚度电解质可抵制锂枝晶生长的理论相悖.其次,与液态电解质相比,固态电解质刚度大,在电极活性材料充放电时不能始终保持与活性材料的有效接触,可能导致活性颗粒和电解质的界面分层.因此,解释这些现象并提供解决策略对促进全固态锂电池的广泛应用至关重要.本文旨在总结近年来关于全固态锂电池不同界面处机械失效的力化耦合模型,主要包括以下两个方面:(1)锂金属负极与固态电解质界面处锂枝晶的形成与生长;(2)活性颗粒锂化/脱锂化引起的界面分层和破裂.本文从理论模型的角度总结了全固态锂离子电池中不同界面上的机械失效行为,旨在为全固态锂离子电池的模型建立与结构优化提供借鉴思路.

关键词：全固态电池锂离子电池锂枝晶机械失效界面力化耦合聚合物固态电解质无机固态电解质

泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合模型研究综述

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泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合模型研究综述