双孔双渗介质流-固耦合动力学井壁稳定模型
本文摘要：（由ai生成）
本文研究非均匀应力场下非常规油气储层岩石力学，特别是井眼钻开后孔隙弹性动力学响应。指出非均匀应力场下流体压力对井壁稳定性影响显著，并讨论了多孔弹性动力学模型在模拟裂缝性地层中的应用。研究结果显示，动力学效应在钻开超短时间内显著，与准静态模型结果存在差异。同时，文章还探讨了双重孔隙介质地层在激动抽吸压力下的响应，提出了在特定条件下使用动力学模型的必要性。
一般地层受非均匀应力场，由于流固耦合（骨架变形挤压孔隙），井眼钻开后的地层应力重新分布导致异常流体压力产生，进而流体压力通过有效应力影响井壁稳定。Carter 和Booker首先建立了非均匀应力场引起的孔隙压力值的解析方法，但是假设骨架不可压缩。其后，Detourney 和Cheng[10]使用准静态孔隙弹性力学模型得到非均匀应力场中井眼钻开的多孔弹性响应，并发现失稳发生在地层内。
正如Detourney 和Cheng[10]所述，基于假设“流体尚未从孔隙中逸出”，流体压力的不排水响应（峰值）是在瞬时钻开时发生。之后，Gao 和Zhuang比较了井眼钻开瞬时，短时间，长时间的孔隙弹性解，表明超短时间孔隙弹性响应决定了地层坍塌压力值。然而，孔隙压力的超短时间孔隙弹性响应实际上是地层内部的不排水解，此值与渗透率无关，且发生在挖掘后的瞬间（无限接近零）。此外，由应力重新分布引起的流体压力通过有效应力概念影响井眼稳定性，流体压力的不排水解作为最大的异常流体压力响应使得应力摩尔圆左移最大（如图1.5 所示），因此是井壁失稳发生的可能时间点。为了预测准确的井眼稳定性，分析井眼钻开后的瞬时或超短时间孔隙弹性响应至关重要。
Skempton 效应引起的不排水流体压力响应在准静态模型中被广泛讨论。然而，不排水响应是个理想概念，其发生在施加力的瞬间，且不考虑由于渗透的压力耗散。在实际固结过程中，应力重新分布的过程伴随着流体流动，这意味着实际物理过程中无法实现不排水响应，流体压力耗散伴随应力波传播过程。因此，流体压力峰值的出现与渗透率值明显相关，这是准静态模型无法模拟的。此外，超短时间孔隙弹性响应显然与惯性效应有关，这在多孔弹性动力学模型中是不可忽视的。
固体钻开的动力响应分析很常见。Carter 和Booker表明，对于大多数线性弹性岩体，隧道壁上的应力卸载只有发生在约0.1 秒或更短的时间内，动态效应才会产生显著影响，所以Carter 等人直接假设在爆破挖掘时才可能发生动态效应。
然而，固体弹性模型不能分析多孔岩石中的流体压力变化，而实际需将其描述为多孔介质。钻开后应力重新分布引起流体压力变化，其通过有效应力的概念影响井眼稳定性。Li 等人发现短时间钻开引发动态效应，并诱导更多裂缝产生。因此，有必要分析钻开时间对多孔弹性动力响应的影响或者是否可以忽略。
Simon 等人首先获得单重孔隙介质的一维孔隙弹性响应。Senjuntichai 分析了边界动态载荷引起的单重孔隙介质中的多孔弹性动力学响应。Gao 等人研究了三种瞬态载荷下多孔弹性介质中衬砌结构的动力响应。夏阳等人分析了动态载荷下多孔弹性地层中圆柱形套管-水泥结构的瞬态响应。以上研究仅限于轴对称动态载荷。然后夏阳等人获得在非均匀应力场下单重孔隙介质井眼的弹性动力响应，因为地层沉积物经常表现出非均匀的应力场。滕学清、陈勉等人使用孔隙弹性动力学探究了致密地层井壁失稳机理。以上研究仅涉及单孔介质中的多孔弹性响应。
大多数地质材料如岩石和沉积物都含有裂缝或裂缝，其渗透率明显不同于基质孔隙。双孔双渗透率模型是模拟裂缝性地层的最常用模型。Berryman 等人扩展了Biot 的单重孔隙介质模型建立双重孔隙介质描述多孔弹性行为的唯象方程。
大多数研究都集中于多重孔隙介质声波传播和衰减，在流体压力和应力响应的研究却很少。只有Zheng 和Cheng获得了简谐波应力扰动下的双重孔隙介质一维孔隙弹性响应。
本论文首先研究了非均匀应力场瞬时井眼钻开的孔隙弹性动力学响应，进而与相应准静态模型进行对比。首先，重新对Berryman 等人建立的双孔双渗介质控制方程进行推导，得到动力学模型控制方程，并对其取散度和旋度，控制方程被解耦为两个二阶对称动力方程，分别描述了固体骨架，孔隙和压裂流体的压缩和旋转。通过拉普拉斯变换获得应力，孔隙和裂缝流体压力，位移的半解析解。之后将多孔弹性动力学解与相应准静态模型解进行比较，数值结果表明在钻开超短时间内，动力学效应不容忽视。与准静态模型中的零流体压力变量相比，对称纯应力边界扰动产生非零流体压力。然而，即使足够小的钻开时间也会显著降低流体压力变化。在非对称载荷模式中，超短时间内的流体压力响应与相应准静态模型结果不同。
原因在于准静态模型假设应力重新分布如此快速地在瞬时挖掘中引起流体压力的不排水响应。在实际的多孔介质中，应力波的传播伴随着压力的扩散。模型表明，流体压力变量在接近准静态模型之前的有限时间内从零增加到峰值。与准静态模型中瞬时钻开时出现的流体压力峰值相比，多孔弹性动力学模型的结果符合应力波速度的有限性。
此外，此模型也可分析双重孔隙介质地层的激动抽吸压力下的响应，目前已有单重孔隙介质动力学和准静态模型分析其过程。但由于低频率扰动造成的动态效应可忽略不计，因此有必要探讨研究激动抽吸引起的地层孔隙弹性响应时是否有必要使用动力学模型的问题。
