西南石油大學本科畢業(yè)開題報告

1、本科畢業(yè)設計（論文）開題報告題目：基于一種新強度準則的井壁穩(wěn)定性分析學生姓名學號教學院系專業(yè)年級一、目的意義和國內(nèi)外研究概況1.1本文研究的目的意義如何保證井壁穩(wěn)定是一個長期困擾石油工程界的重大技術難題。對于鉆井 來說，井壁失穩(wěn)會造成井下情況復雜，影響鉆井施工進度，嚴重時可能會導致井 眼報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失。井壁失穩(wěn)還影響固井.油藏開發(fā)中的射孔、防砂、 采油，以及油井增產(chǎn)等后序作業(yè)的實施。井壁穩(wěn)定問題是世界范圍內(nèi)普遍存在的 問題，毎年由此造成的直接經(jīng)濟損失達數(shù)億美元。因此國內(nèi)外許多研究機構都致 力于此項研究。研究井壁穩(wěn)定性問題對鉆井工程以及油出開發(fā)具有重要的意義。井壁穩(wěn)定與井壁巖石強度直接

2、相關，因此對巖石強度的力學性質(zhì)、應力狀 態(tài)分析以及對破裂壓力和坍塌壓力的求解至關重要。石油工程領域應借鑒巖石強度理論領域己取得的研究成果，考慮中間主應 力對巖石的強度貢獻，選擇適用的強度準則將其應用于實際工程屮，對井筒的承 壓能力進行極限分析將有利于發(fā)揮巖石材料的潛能，從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。4.2國內(nèi)外研究概況巖石力學是近代發(fā)展起來的一門新興學科和邊緣學科，也是一門應用性和實 踐性很強的基礎學科。它的應用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公 路、地質(zhì)、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關的工程領 域。油氣勘探開發(fā)的工作對象時地層的巖石和流體,儲層的巖石和流休所承受的 力

3、是研究有關地質(zhì)和工程問題時的外載因此，從某種意義上講，油氣勘探開發(fā)的 許多問題都涉及巖石力學范疇,巖石力學的研究和應用越來越受到國際石油工程 界的普遍重視，巖石力學對油氣勘探開發(fā)的影響和作用越來越多地從各個方面表 現(xiàn)出來.國內(nèi)外與油氣開發(fā)相關的巖石力學理論及應用，在近十兒年，尤其是20世紀 90年代以來得到了較大的發(fā)展。在綜合研究與應用方面,美國的oklahoma大學、 stanford大學、mit麻省理工學院、terratek公司與加拿大waterloo大學、calgary 大學、alberta大學、加拿大提高采收率研究所及西方各大石油公司處于領先地 位。我國應用巖石力學理論開展了地應力及壓

4、裂優(yōu)化設計等研究，最近幾年又初 步開展了開發(fā)中的流固耦合理論研究，并引入到油氣藏數(shù)值模擬之中。但無論從 理論研究還是應用程度來看都與國外有著較大的差距。目前與油氣開發(fā)相關的巖 石力學理論，主要應用在完井工程、油氣開發(fā)和油氣藏工程等領域。今天，由于世界上在礦產(chǎn)資源勘探、能源開發(fā)以及地球動力學研究方面的需 要，對巖石力學提岀了更多更高的要求。當前，國際上正建的大壩高達325m , 水電站地下廠房的跨度達51m,地下礦井的開挖深度超過3000m,露天開采深 度達300500m,石油開采深度己達上萬米，而在研究地殼變形時涉及的深度達 5060畑,溫度在1000°c以上 必須考慮的時間效應為兒

5、百萬年。另外，當前世 界上正在建筑的一些超巨型工程，都使巖右力學而臨許多前所未遇的問題。因此 迅速發(fā)展巖石力學理論和方法和提高其研究水平，己成為當前十分緊迫的問題。由于巖石或巖體的上述特性，巖石力學具右一個很重要的特點就是以實驗為 重要基礎。隨著力學、數(shù)學的蓬勃發(fā)展，特別是計算機的出現(xiàn)，巖石力學工作者 可以進行復雜的、大量的計算。近年來，人們已經(jīng)逐步認識到，數(shù)值計算的結果 是定量的，但對模型的量化分析并不等于是對原型的定量描述，數(shù)值計算的結果 是否具冇真正的定量意義取決丁 研究者對原型研究的程度和對模型力學參數(shù)取 值的可靠性。如果計算缺乏必要的地質(zhì)基礎，在沒有搞清或搞不清模型邊界條件 的基礎上

6、就進行大量的計算，其結果只能是游戲式的演算，經(jīng)不起實際工程的檢 驗。對原型的研究程度和對模型力學參數(shù)取值的可靠性，歸根結底取決于對巖石 或巖體的認知能力。巖石力學工作者必須具備這種能力，必須認識你所研究的對 象巖右或巖體的基本構成和基本分類，必須了解巖石的主耍物理性質(zhì)和力學 性質(zhì)及其影響這些性質(zhì)的主要因素。其中，巖石或巖體的基本構成和分類尤為重 要，它將從根本上影響巖石的物理性質(zhì)和力學性質(zhì)，是巖石力學計算模型的根本。巖石力學的發(fā)展歷史和概貌：巖石力學是伴隨著采礦、土木、水利交通以及石油等巖石工程的建設和數(shù)學、 力學等學科的進步逐步發(fā)展形成的一門新興學科，按其發(fā)展過程可以分為四個階 段。1、初始

7、階段（19世紀末20世紀初）這是巖石力學的萌芽時期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖休開挖的科學計算問 題。例如，1912年海姆（a.heim）捉出了靜水壓力的理論。他認為地下巖石處 于一種靜水壓力狀態(tài)，作用在地下巖石工程上的垂直壓力和水平壓力相等，均等 于單位面積上覆巖層的重量。由于當時地下巖石工程埋藏深度不大，因而曾一度 認為這些理論是正確的。但是隨著開挖深度的增加，越來越多的人認識到上述理 論是不正確的。2、經(jīng)驗理論階段（20世紀初20世紀30年代）該階段出現(xiàn)了根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗捉出的地壓理論，并開始用材料力學和結構力學 的方法分析地下工程的支護問題。最有代表性的理論就是普羅托吉雅柯諾夫 （mmjipo

8、tbrkohob）提出的自然平衡拱學說,即普氏理論。太沙基（k.terzahi） 也捉出相同的理論，只是他認為塌落拱的形狀是矩形，i何不是拋物線形，靠假定 的松散地層壓力來進行支護設計是不合實際的。盡管如此，上述理論在一定歷史 時期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用。3、經(jīng)典理論階段（20世紀30年代20世紀60年代）這是巖石力學學科形成的重要階段，彈性力學和塑性力學被引入巖石力學, 確立了一些經(jīng)典計算公式，形成圍巖和支護共同作用理論。結構面對巖體力學性 質(zhì)的影響得到了重視，巖石力學文獻和專著的出版、實驗方法的完善、巖體工程 技術問題的解決，這些都說明巖石力學發(fā)展到該階段己經(jīng)成為一門獨立的學科。4

9、、現(xiàn)代發(fā)展階段（20世紀60年代現(xiàn)在）此階段是巖石力學理論和實踐的新進展階段，其主耍特點是：用更為復雜 的多種多樣的力學模型來分析巖石力學問題，把力學、物理學、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代 數(shù)理科學、現(xiàn)代信息技術等的最新成果引入了巖石力學。而電子計算機的廣泛應 用為流變學、斷裂力學、非連續(xù)介質(zhì)力學、數(shù)值方法、灰色理論、人工智能、非 線性理論等在巖石力學與工程中的應用提供了可能。二、論文的理論依據(jù)、研究方法、研究內(nèi)容2.1理論依據(jù)線性的coulomb準則并不能完全描述巖石強度特征，有多種改進形式。剪 切破壞的mohr準則表現(xiàn)為應力圓的包絡線，其待定參數(shù)難以從常規(guī)三軸壓縮試 驗結果直接確定而研究較少。主應力形式

10、的強度準則可分為顯式和隱式，后者常 以最大剪應力和平均主應力構造，r具冇較高的相關系數(shù)和較小的擬合偏差。實 際上顯式和隱式準則的力學背景相同，可通過坐標系旋轉互換。砂巖、大理巖等 強度源于顆粒間黏結和摩擦，單參數(shù)的正則拋物線準則擬合強度與圍壓關系的精 度優(yōu)于兩參數(shù)的coulomb準則。以正則拋物線準則擬合高圍壓下強度能夠得到 完整巖石的理想單軸壓縮強度，進而與實際數(shù)值對比可確定巖石的初始損傷。2.2研究方法根據(jù)所采用的研究手段或所依據(jù)的基礎理論所屈學科領域的不同，巖右力學 的研究方法可大致歸納為四種:工程地質(zhì)研究方法、科學實驗方法、整體綜合分 析方法。處于地層深處的巖石受上覆地層壓力、水平向地

11、應力及地層孔隙壓力的作 用，在井眼鉆開前，地下巖層處于應力平衡，井眼鉆開后，井內(nèi)鉆井液柱壓力取 代了鉆巖層原先對井壁的支撐，破壞了地層原有應力平衡，引起井周應力重新分 布。論文研究新強度準則的井壁穩(wěn)定性分析，主要用到數(shù)學力學分析方法。它通 過建立井壁巖體的力學模型和利用適當?shù)姆治龇椒?，預測井壁巖體在各種力場作 用下的變形與穩(wěn)定性，為鉆完井、射孔、防砂、釆油，以及油井增產(chǎn)等后序作業(yè) 的實施提供定量依據(jù)。2.3研究內(nèi)容1、了解國內(nèi)外井舉穩(wěn)定強度準則研究狀況和該領域屮已有的成果的設計和 研究方法。2、建立井壁巖休的力學模型，對井周應力狀態(tài)和井眼彼壞準則進行理解和 公式推導，并推導其井壁巖右破裂壓力和

12、坍塌壓力。3、對簡單的拋物線型屈服準則的實例應用，并與簡單的mc準則對比分析 其精確性。最后評價該強度準則的現(xiàn)場實用性。三、研究條件和可能存在的問題3.1研究條件巖石力學是近代發(fā)展起來的一門新興學科和邊緣學科，也是一門應用性和實 踐性很強的基礎學科。巖石力學的研究和應用越來越受到國際石油工程界的普遍 重視，巖石力學對油氣勘探開發(fā)的影響和作用越來越多地從各個方面表現(xiàn)出來.國內(nèi)外與油氣開發(fā)相關的巖石力學理論及應用，在近十兒年，尤其是20世紀 90年代以來得到了較大的發(fā)展。我國應用巖石力學理論開展了地應力及壓裂優(yōu) 化設計等研究，最近兒年乂初步開展了開發(fā)屮的流i占i耦合理論研究，并引入到油 氣藏數(shù)值模

13、擬之中。但無論從理論研究還是應用程度來看都與國外有著較大的差 距。目前與油氣開發(fā)相關的巖石力學理論，主要應用在完井工程、油氣開發(fā)和油 氣藏工程等領域。今天，由于世界上在礦產(chǎn)資源勘探、能源開發(fā)以及地球動力學 研究方面的需要，對巖石力學提出了更多更高的要求。巖石力學（強度準則）在井眼穩(wěn)定中的應用已有一定程度的研究，尤其是應 用最廣泛的摩爾一庫倫（mc）強度準則。但是由于其局限性，國內(nèi)外學者對 其他強度準則在井壁穩(wěn)定方面的研究也卓見成效。3.2研究中可能存在的問題影響井壁穩(wěn)定的因索主要有地應力、井壁的應力分布、地層力學性質(zhì)、井斜 角、方位角、井壁巖石的滲透率及孔隙度、地層傾角及鉆井液的性能等。該論文

14、 中僅考慮了地應力和井壁的應力分布，在進行計算時主要考慮巖體自重引起的地 應力，沒有過多強調(diào)構造平緩和構造運動劇烈地區(qū)分層地應力計算。加之，巖石 強度隨溫度，孔隙度非均質(zhì)性的影響而變化劇烈，甚至變化規(guī)律呈指數(shù)型，尤其 是在深井、超深井中該現(xiàn)象更為突出。所以，該論文更注重對方法的論證和評估。 計算評估結果會有一定誤差，但能凸顯拋物線強度準則較摩爾一庫倫（mc） 強度準則的優(yōu)越性。u1預期的結果建立井壁巖體的力學模型，對井周應力狀態(tài)和井眼破壞準則進行理解和公式 推導，并推導其井壁巖石破裂壓力和坍塌壓力。對簡單的拋物線型屈服準則的實例應用，并與簡單的m-c準則對比分析其 精確性。最后評價該強度準則的現(xiàn)場實用性。最后給出結論和建議。五、進度安排設計（論文）的進程安排序設計（論文）各階段內(nèi)容起止h期1調(diào)研屮間主應力效