COMSOL基于多场耦合的三维页岩倾斜井壁稳定性模型

在钻井过程中，水基钻井液的化学渗透作用可能导致井壁失稳，这涉及到复杂的多物理场耦合现象。基于岩石力学和渗流力学理论，我们运用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件建立了钻井液与活性泥页岩地层发生强烈流固热化多物理场耦合的模型。

我们建立了考虑渗流、力学和热传导的耦合偏微分方程模型，并利用有限元法对其进行求解。研究结果表明，有渗透和无渗透的井周应力分布存在差异，并且随着时间的推移，维持井壁稳定所需的防塌钻井液密度会增加。

我们将地层视为多孔弹性模型，分析了水化应力对井周应力分布的影响。研究发现，水化应力张量对井周应力分布的大小和方向具有决定性作用。

本案例涉及的物理场数学方程包括岩体变形控制方程、钻井液渗流方程、水分扩散方程、温度场方程以及弹塑性屈服准则方程。这些方程相互耦合，我们探讨了渗流压力、温度应力、水分浓度对井壁稳定性的影响。

我们建立了考虑温度、水化和孔隙膨胀的弹塑性力学多场耦合模型，利用COMSOL Multiphysics对其进行了求解。研究结果表明，由于压力波动引起的孔隙压力传递速度快于物质传递，因此，提高钻井液的封堵能力不仅需要考虑水化侵入深度，还需要考虑压力波引起的突发性井壁失稳。

通过这些研究，我们为实际钻井提供了理论指导，帮助了解了水基钻井液对地下储层的影响，以及钻井过程中可能出现的井壁失稳现象，从而为钻井作业提供了更加可靠的技术支持。