COMSOL井筒井壁模型汇总

算例参数的取值

各参数对井眼应力场的影响3D图如下。

图1 井眼应力场变化的3D图

图2 井眼应力场变化的切片图

（1）弹性模量

弹性模量对井眼应力场的影响可以用下图表示。

图3 弹性模量和井眼应力关系曲线

由图可知，弹性模量对近井区域的应力场分布状态没有影响，近井区域应力集中值的大小是由地应力、孔隙压力和液柱压力等参数确定；但是弹性模量会影响岩石材料何时何大发生屈服。随着弹性模量的增大，岩石材料的屈服值呈现逐渐增大的趋势。

（2）最小水平应力

最小水平应力对井眼应力的影响可以用下图表示。

图4 最小水平应力和井眼应力关系曲线

由图可知，随着最小水平应力的增大，井眼应力呈现逐渐增大的趋势，但井眼应力场分布特征变化不大，井眼应力场分布逐渐呈现轴对称。

（3）液柱压力

液柱压力对井眼应力的影响可以用下图表示。

图5 液柱压力和井眼应力关系曲线

由图可知，随着液柱压力的增大，井眼应力呈现逐渐减小的趋势，井眼形状逐渐变成圆形，当液柱压力和最大水平应力一致时，内外压力平衡。

9、应用COMSOLMultiphysics分析多分支缝初始裂缝起裂点

根据近井区域压裂井眼的有限元模拟结果，可以确定初始裂缝的起裂点。由软件输出的冯-米塞斯应力图，可确定应力图中只存在一个对称的应力集中区，如下图所示。由图可知，随着液柱压力的增大，近井区域在X轴的井眼发生一对应力集中。这一对应力集中区是在压裂过程中，裂缝最容易起裂和延伸的部位。该起裂点称为起裂点1A。具体如图所示。

图1 几何模型

图2 应力场分布云图

 对于水力压裂过程中，形成垂直最小水平主应力的压裂裂缝，是水力压裂的经典结论。

10、应用COMSOLMultiphysics分析多分支缝第二条裂缝起裂点

随着生产的进行，初次压裂裂缝逐渐闭合，为了进一步提高油气采收率，油田实施重复压裂措施。建立存在垂直于最小水平主应力方向裂缝的单缝重复压裂模型，裂缝长度为1m，裂缝宽度为0.005m，根据全尺寸单缝压裂和近井区域单缝压裂的有限元模拟结果，可以确定第二条裂缝的起裂点。根据软件输出的冯-米塞斯应力图，可确定应力图中有三个对称的应力集中区，如下图所示。

随着液柱压力的增大，近井区域在压裂缝尖端、压裂缝体和井眼上发生三个应力集中。这三个应力集中区是在压裂过程中，裂缝最容易起裂和延伸的部位。三个起裂点分别定义为2A、2B、2C。

对于水力压裂过程中，压裂裂缝尖端的应力集中对裂缝继续向前扩展是必须的，否则压裂缝将不会向前延伸，即起裂点2C优先。在压裂缝全堵和局部半堵时，端部的应力集中是不存在，即起裂点2C不存在。这种应力集中被裂缝形态、支撑剂和暂堵剂消除。此时井眼上的起裂点2A和裂缝中部的起裂点2B的应力集中成为裂缝起裂和延伸的可能。此时在井眼和裂缝中部起裂的新裂缝，倾向于垂直最大水平主应力，且新裂缝与原压裂缝垂直，具体如图所示。

11、应用comsol分析多分支缝压裂应力分布

正常生产井开采时孔眼处一定存在流体从地层中流出，因此只考虑地应力分析的孔眼应力是不符合实际的，应该考虑流固耦合。固体位移对渗流场有影响，同时渗流场变化又对固体位移产生影响，相互交叉，相互影响。水力压裂过程也是一个流固耦合作用过程。根据力学模型，应用Comsol软件完成该问题的数值模拟，选择多孔弹性物理场（即流固耦合场）、以致密砂岩储层为例。

根据研究问题的力学模型，建立相应的有限元数值模拟模型，具体如下。

图1 存在裂缝情况下几何模型

对模型进行有限元网格划分，具体如图。

图2存裂缝模型网格划分

采用流固耦合稳态求解器对上述问题进行求解。从井眼的位移场、孔隙压力和应力场三个方面来分析求解数据，最终实现问题的分析和解决。

图3 井眼应力场变化的3D图

在各种应力作用下，井眼围岩会发生应力集中现象，也会发生一定规律下的压缩和拉伸。最小水平应力对裂缝附近应力分布影响如下图所示。

图4 最小水平应力和井眼应力关系曲线

由图可知，随着最小水平应力的增大，井眼应力呈现逐渐增大的趋势，但井眼应力场分布特征变化不大，井眼应力场分布逐渐呈现轴对称。

12、应用COMSOL模拟水力压裂应力分布

假设条件包括：目的层无限大，远场地应力均匀分布，岩石为均质的弹性体，没有天然裂缝分布等。通过对研究目的和研究内容的分析，建立压裂井眼的力学模型，如图1所示。

 根据力学模型，应用Comsol软件完成该问题的数值模拟，选择多孔弹性物理场（即流固耦合场）、以致密砂岩储层为例。有限元模拟分析分为前处理，求解，后处理三个部分，如图2所示。

根据研究问题的力学模型，建立相应的有限元数值模拟模型。为了抵消加载边界效应对计算结果的影响，采用双体耦合技术，具体图2。对模型进行有限元网格划分，具体如图3。

 采用流固耦合稳态求解器对上述问题进行求解。从井眼的位移场、孔隙压力和应力场三个方面来分析求解数据，最终实现问题的分析和解决。

各参数对井眼应力场的影响3D图如下。由图可知，在井眼附近形成对称的应力集中，应力集中点为最大主应力方向，说明水力压裂裂缝的将沿最大主应力开启及扩展，通过采用参数化扫描技术，可以开展近井区域井壁受力分析，进一步分析水力裂缝起裂的影响因素。