拉氏变换下注流诱导应力场模拟及其影响因素

本篇文章主要探讨了在油气井压裂改造过程中，注入大量流体对井筒周围应力场产生的影响及模拟计算方法。作者汪道兵等人基于中国石油大学(北京)和英国赫瑞·瓦特大学的研究背景，针对井下应力场的复杂变化提出了创新性的解决方案。 首先，传统的应力场求解通常通过积分形式进行，但这种方法处理起来较为繁琐，并且对于影响应力场的关键因素分析不足。为了解决这个问题，研究者引入了拉氏变换这一数学工具，它将时间域问题转化为频率域问题，简化了求解过程。他们构建了以流固耦合控制方程和应力平衡方程为基础的模型，结合注入流体诱导应力场的积分形式解，推导出了在定压条件下的内、外边界拉氏变换解。 利用Stephfest拉氏数值反演方法，研究人员对变换解进行了数值求解，从而得到了更精确的应力场模拟结果。这些结果揭示了一个关键现象：切向应力场在井壁附近表现出显著的变化，随距离井壁的接近，注入流体引起的切向应力场值增大，然后随着距离的增加逐渐减小。在特定条件下，例如地应力差较小，切向应力场可能会发生反转，导致压裂裂缝的方向发生改变。 研究还指出，切向应力场的变化受多个因素影响，包括注入时间、流体刚度（劲度）和地层渗透率。延长注入时间、增加注入体积、降低流体粘度以及提高地层渗透率都有利于增强切向应力场并促使应力反转，从而对人工裂缝的形成和走向产生积极影响。 这篇文章不仅提供了对注入流体诱导应力场的深入理解，也为优化油气井压裂改造过程中的应力管理提供了数学模型和数值方法，对于提高井下作业效率和裂缝控制具有重要的实际应用价值。