井壁稳定力学模型研究现状
本文摘要：（由ai生成）
井壁失稳是钻井难题，尤其在高应力地层。井壁稳定模型考虑了岩石性质、孔隙压力与温度效应。但高应力地层应力扰动问题被忽视，涉及弹性动力学。Biot等人研究了多孔介质应力波传播，Song和夏阳研究了孔隙弹性动力学在井壁稳定性中的应用，指出流体-固体耦合作用对井周应力场计算的重要性。这些研究有助于提升井壁稳定性分析的准确性。
在井眼开挖过程中井壁失稳是经常发生的现象，在高应力硬地层中井壁稳定是迄今为止尚未得到有效解决的钻井复杂问题，井壁垮塌、缩径等井下复杂事故常常发生在井筒开挖过程，且井眼打开以后井眼周围会形成次生裂缝成为钻井液进入油气储层的通道，导致钻井液漏失。
井壁稳定力学模型中，井周弹性应力通解大部分都是在Bradley于1979 年发表的井周应力解，该弹性解考虑了水平应力各向异性条件下斜井的井周应力分布，并根据德鲁克-普拉格屈服准则（D-P 准则）刻画了井筒周围的压缩破坏。Aadnoy等人于1987 年分析了不同井斜角情况下井壁垮塌和井壁破裂等井壁失稳问题，研究了井筒周围剪切破坏和拉伸破坏等现象。因为岩石在破坏之前不仅仅表现为弹性应力状态，利用弹塑性井壁稳定模型要比纯线弹性井壁稳定模型更精确。
Antheunis 等人于1976 年利用弹塑性理论分析了后壁筒周围应力分布，并且从数值模型与实验验证等方面分析了井筒稳定性。Morita 等人于1980 年根据室内岩芯实验，对岩石的非线性各向异性行为进行更精细的数值模拟来研究井壁稳定性。
Mitchell 等人于1987 年利用弹塑性模型刻画了在钻井过程中井底压力，地应力，井筒加卸载以及完井操作等对井筒周围屈服的影响。由于地层岩石中含有孔隙液体，岩石的应力改变与孔隙压力的变化具有耦合关系，因此多孔弹性力学也常被用来分析井壁稳定性。Cui 等人于1999 年利用多孔弹性力学研究了斜井的井壁稳定性，研究发现井筒处孔隙压力在井筒开挖之后特定时间内与井底压力和地层压力不同的现象。另外地层中温度的变化也会影响地层孔隙压力和地应力，Kurashige于1989 年将热力学引入到多孔弹性力学，提供了多孔弹性材料的热孔隙弹性力学模型的解析解。Chen 等人于2005 年基于热孔隙弹性力学对渗透性边界与非渗透性边界的井筒进行了分析，提出温度增加会导致井筒失稳，以及分析了井筒坍塌，井壁破裂等井壁失稳问题。C.H. Yew 等人于1989 年考虑了水分吸附作用条件下井筒的多孔弹性井壁稳定性，研究表明井筒周围应力大小和分布受水分吸附作用影响较大，另外通过室内试验表明水分吸附也会改变岩石材料的刚度。Yu 等人于2003 年考虑了水和离子等化学势作用下的力学-化学耦合模型，并利用其分析了页岩的井壁稳定性。
在高应力地层中由于开挖过程应力变化较大，井壁垮塌、缩径等井下复杂事故较普通地层的情况更加严重。传统的井壁稳定分析理论主要采用弹塑性静力学和孔隙弹性力学方法分析井筒周围受力。从时间尺度上来分析，弹塑性力学模型主要适用于长时间的静态受力分析，其给出的应力解可以看作井筒开挖长时间达到稳定后的应力分布；孔隙弹性力学模型主要适用于考虑流体渗流的拟稳态受力分析，其给出的应力与孔隙压力解可以看作井筒达到新的受力平衡前的力学状态解。而对于高应力地层在井筒开挖过程中的井周应力分布是一个应力扰动问题。理论上，采用传统弹塑性静力学和孔隙弹性力学方法对井眼周围应力场的分析没有考虑应力扰动的影响，应力扰动的传播会形成弹性波，此时的力学行为属于弹性动力学研究范畴，考虑与不考虑流体—固体动力耦合的相互作用会导致计算井周应力场存在较大差距。
将固体的惯性作用考虑进去后，井筒在开挖过程中引起的应力扰动会以应力波的形式传播，传统的弹性动力学认为存在两种形式的应力波：横波与纵波。而在含有饱和流体的多孔弹性介质中，应力扰动会产生一种横波和两种纵波，即快波和慢波。Biot在1952~1956 年以多孔弹性力学为基础研究了多孔材料分别在低频率和高频率外载作用下的弹性波动行为，给出了应力波波速，讨论了不同情况下应力波的性质。Burridge 和Vargas在1979 年利用Biot 理论研究了无限大地层中饱和流体的多孔弹性介质在脉冲点载荷作用下的应力波的传播特性。
Philippacopoulos在1989 年研究了瑞利波在部分饱和水与半无限大地层中的传播性质，并且讨论了在正弦载荷作用下半无限大地层在部分饱和与饱和水情况下的力学特性。Senjuntichai 和Rajapakse在1993 年基于多孔弹性力学研究了均匀地应力场井筒在开挖过程中的井周应力解。刘干斌等在2010 年考虑流体—固体两相介质的压缩性、流体运动对热量流动的影响以及温度变化对流体流速的影响，
建立了流—固耦合两相介质的热孔隙弹性动力学响应模型。Song 等[28]在2017 年利
用孔隙弹性动力学研究了应力轴对称情况下动态应力强度因子，分析得到了孔隙
流体波动对井壁稳定性的影响。夏阳等[29-30]在2017 年建立了井筒在非均匀地应力
场中由于开挖产生的孔隙弹性动力学模型，并分析得到了井周应力的瞬时波动特
征。
