煤层气水平井热流固耦合影响下的井壁稳定性数值分析

"本文主要探讨了煤层气水平井井壁失稳的问题，通过对比分析了在考虑和不考虑热流固耦合作用两种情况下，井周应力分布和变形的差异。作者以宁武盆地9#煤层的煤层气水平井为例，利用有限元软件进行了数值模拟。结果显示，考虑热流固耦合作用后的分析结果更符合实际工程情况。当存在热流固耦合作用时，井周岩石受到的Tresca应力、第一主应力、第二主应力和第三主应力出现波动区，这些区域易产生新的裂缝，削弱井壁的稳定性，从而可能导致井壁失稳。特别地，如果在AB弧长上，井周围岩层厚度超过8.0厘米且井周变化率超过5.0%，井壁失稳的风险显著增加。关键词涵盖了煤层气、热流固耦合、数值分析、井壁稳定以及水平井等领域。" 在煤层气的开采过程中，井壁稳定性的维持至关重要，因为井壁失稳不仅影响开采效率，还可能引发安全事故。本研究指出，热流固耦合作用是导致井壁失稳的一个重要因素。热流固耦合是指在地热环境下，岩石的热效应与力学响应相互作用的过程，这在煤层气开采的水平井中尤为突出。水平井由于其特殊的结构，更容易受到这种耦合作用的影响。 在分析过程中，作者采用了有限元方法，这是一种广泛应用在工程领域的数值计算技术，可以精确模拟复杂系统的力学行为。通过对两种情况的比较，即不考虑热流固耦合作用和考虑热流固耦合作用，他们发现后者更能准确反映井周的实际状况，这是因为热流固耦合作用会改变岩石的物理性质，如热膨胀和热导率，进而影响应力状态和变形。 Tresca应力是一种衡量材料剪切强度的指标，当这种应力在井周围岩石中出现波动，意味着存在潜在的剪切破坏风险。同时，主应力的变化反映了岩石在各个方向上的受力状态，波动区域的新裂缝可能因应力集中而形成，降低岩石的整体强度，进一步加剧井壁失稳的可能性。 文章特别指出，在AB弧长上的特定井段，如果井周岩层厚度超过8.0厘米并且井周变化率超过5.0%，则表明井壁处于不稳定状态的风险较高。这个结论对于实际的煤层气开采工程具有重要的指导意义，可以作为判断井壁稳定性的一个参考标准，有助于提前采取预防措施，避免或减少井壁失稳事件的发生。 该研究强调了热流固耦合作用在煤层气水平井井壁稳定问题中的关键角色，通过数值分析提供了预测和控制井壁失稳的有效手段，对提高煤层气开采的安全性和经济效益具有深远影响。