Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Численное моделирование динамики деформирования и разрушения нефтеносного пласта

Диссертация: Численное моделирование динамики деформирования и разрушения нефтеносного пласта
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Возникновение большинства осложнений при бурении зависит от величины противодавления, оказываемого столбом бурового раствора на стенки скважины. Гидродинамическое давление изменятся в широком диапазоне. Уменьшение гидродинамического давления на стенки скважины иногда наблюдается при непосредственном подъеме бурильного инструмента. При нижнем пределе этого давления может произойти… Читать ещё >

Численное моделирование динамики деформирования и разрушения нефтеносного пласта (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Математическая модель повреждаемой термоупругопластической среды
    • 1. 1. Модель повреждаемой термоупругопластической среды
    • 1. 2. Кинетические уравнения для параметров поврежденности
    • 1. 3. Критерий разрушения
    • 1. 4. Константное обеспечение модели
  • Глава 2. Математическая постановка задачи
    • 2. 1. Постановка задачи
    • 2. 2. Начальные условия
    • 2. 3. Граничные условия
  • Глава 3. Численный метод
    • 3. 1. Организация вычислительного процесса
    • 3. 2. Процедура явного построения зон разрушения
    • 3. 3. Контактный алгоритм
  • Глава 4. Результаты численного моделирования
    • 4. 1. Моделирование без явного построения зон разрушения
    • 4. 2. Моделирование с явным построением зон разрушения
  • Выводы

В инженерной практике широко используются создаваемые бурением искусственные горные выработки (полости) кругового сечения различного диаметра от нескольких сантиметров (шпуры) до метров (скважины, шахтные стволы и т. п.). При бурении большое значение имеет создание условий, при которых обеспечивается устойчивость от разрушения породы со стороны внутренней поверхности выработки. Характер разрушения горной породы во многом связан с наличием в ней структурных неоднородностей различных масштабов (пор, трещин и т. п.).

В современных технологиях бурения предупреждение нефтегазовых проявлений осуществляется за счет того, что высокому давлению в пластах противопоставляется гидростатическое давление бурового раствора в скважине (внутрискважинное или забойное давление). В случаях глубокого бурения (глубина более 3500 м) различие между внутрискважинным давлением и давлением в пласте может привести к существенным осложнениям (выбросы, поглощения, прихваты бурового инструмента) и, как следствие, ухудшение технико-экономических показателей строительства скважины.

Возникновение большинства осложнений при бурении зависит от величины противодавления, оказываемого столбом бурового раствора на стенки скважины. Гидродинамическое давление изменятся в широком диапазоне. Уменьшение гидродинамического давления на стенки скважины иногда наблюдается при непосредственном подъеме бурильного инструмента. При нижнем пределе этого давления может произойти водогазонефтепроявление, выброс или нарушение целостности стенок скважины, при верхнем пределе — гидравлический разрыв пласта. Нарушения целостности стенок скважины классифицируется по следующим типам: раскрытие естественных и образование новых трещин, образование каверн и желобов, набухание, сужение, вытекание, осыпание, обваливание и обрушение [1]. В свою очередь нарушение целостности стенок скважины приводит к таким нежелательным последствиям как прихваты бурильного инструмента и бурильных колонн, заклинивание долот, невозможность циркуляции бурового раствора и прочее.

Нефтегазосодержащие пласты характеризуются наличием влагогазонасыщенных микропор и других структурных неоднородностей. Механика грунтов, в том числе, с учетом этих факторов, расмотрена в работах [2−7]. Законченная постановка задачи о геомеханике во влагогазонасыщенных средах предполагает учет явлений подземной гидромеханики, фильтрации [8].

В данной диссертационной работе рассматривается численное моделирование динамики деформирования и разрушения горного пласта в прискважинной зоне при резком снятии внутрискважинного давления. Для описания горной породы используется модель повреждаемой термоупругопластической среды с двумя параметрами поврежденности. Для предела текучести используется закон Мизеса-Шлейхера. Задача решается в плоской двумерной постановке (плоская деформация). Используется численная схема типа Уилкинса с явным построением зон разрушения.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. В первой главе строится модель повреждаемой термоупругопластической среды с двумя скалярными параметрами поврежденности на основе термодинамических принципов. Также в первой главе приведены кинетические уравнения для описания изменения параметров поврежденности и использующейся в этой работе критерий разрушения. Во второй главе приведена математическая постановка задачи:

Выводы.

1. Впервые численно исследована задача необратимого динамического деформирования и разрушения горного пласта вблизи скважины в несимметричной двухмерной постановке с учетом как микроразрушения, так и с явным построением зон макроразрушения.

2. Сделаны выводы о характере и масштабах разрушений в пласте в зависимости от соотношения горных нагрузок вдали от скважины с^/ог и от степени реализации граничных условий на берегах макротрещин.

3. Показано, что упрощение алгоритма реализации граничных условий приводит к принципиально различным характерам разрушения пласта. Поэтому, для получения физически реальных результатов, необходимо проведение численных исследований при максимально полной реализации граничных условий на берегах трещин, образующихся внутри пласта.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Под редакцией В. И. Мищевича, Н. А. Сидорова. М., «Недра», 1973.
  2. В.Н., Басниев К. С., Горбунов А. Т., Зотов Г. А. Механика насыщенных пористых сред. М.: Изд-во «Недра», 1970. — 339 с.
  3. В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред. — М.: Недра, 1984.-232 е.,
  4. Н.В. Механика грунтов. М.: Из-во Московского университета, 1962. I
  5. Предельное состояние деформируемых тел и горных пород. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 832 с.
  6. В.И., Никитин JI.B. Теоретические основы реологии геоматериалов. -М.: Наука, 1990. —207 с.
  7. В.Н., Сизов И. А., Цветков В. М. Основы геомеханики. — М.: Недра, 1986. -301 с.
  8. Рс.И., Соловьев А. А. Физическая гидродинамика: Учебное пособие. М.: ГЭОТАР, 2005. — 512 с.
  9. А.Б. Математическое моделирование динамического деформирования и комбинированного разрушения термовязкоупругопластической среды // Вестник Московского унивреститета. Сер.1. Математика. Механика. 1998. — № 6. — С. 32−40.
  10. Д., Прагер В. Механика грунтов и пластический анализ или предельное проектирование // Механика. Новое в зарубежной науке. Вып.2. Определяющие законы механики грунтов. — М.: Мир, 1975. — С. 166−177.
  11. В.Н. Механическое свойства грунтов и теория пластичности // Механика твердых деформируемых тел. Том 6. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1972. — С. 5−85.
  12. В.Н. Обзор: земная кора, дилатансия и землятресения // Механика. Новое в зарубежной науке. Вып.28. Механика очага землетрясения. -М.: Мир, 1982. С. 133−215
  13. И.А., Николаевский В. Н. Неассоциированные законы течения и локализации пластической деформации // Успехи механики. — 1989. —Т. 12. -№ 1. — С. 163−188
  14. Механическое действие ядерного взрыва М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2002. -384 с.
  15. .В., Евтерев Л. С. Модели динамического деформирования и разрушения грунтовых сред. — М.: Наука, 1990. — 215 с.
  16. С.С. Об основных представлениях динамики грунтов // ПММ. 1960. — Т.24, вып.6. — С. 1057−1072
  17. С.С. Некоторые вопросы математической теории деформирования и разрушения твердых горных пород // ПММ. — 1967. — Т. 31, вып. 4.-С. 643−669.
  18. JI.M. О времени разрушения в условиях ползучести // Изв. АН СССР. ОТН. 1958. — № 8. — С. 26−31
  19. JI.M. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. — 311 с.
  20. Ю.Н. Механизм длительного разрушения // Сб. «Вопросы прочности материалов и конструкций». М.: Изд-во АН СССР, 1959. — С.5−7.
  21. A.A. Об одной теории длительной прочности // Изв. АН СССР. МТТ. 1967. — № 3. — С. 21−35
  22. Gursan R.L. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth. Pt. 1 Field criterion and flow rules for porous ductile materials // J. Engng. Mat. Tech.- 1977.-V. 99.-No. 1.
  23. В.H. Численное решение неодномерных задач распространения волн напряжений в твердых телах // Сообщения по прикладной математике. М.: ВЦ АН СССР, 1976. — Вып. 6.
  24. В.Н. Численное моделирование динамических процессов деформирования и разрушения упругопластических сред // Успехи механики. 1985. — Т.8. — № 4. — С. 21−65.
  25. В.Н. Микроскопическая модель разрушения неупругого материала и ее применение к исследованию локализации деформаций // Изв. РАН. МТТ. 1999. — № 4. — С. 72−87.
  26. В.Н. Модель термоупруговязкопластической поврежденной среды. Приложение к откольному разрушению // ФГВ. 1986. — № 2.
  27. В.И., Мухамедов Ш. А., Никитин Л. В., Рыжак Е. И. Механика разрушения горных пород. М.: ИФЗ АН СССР, 1987.
  28. В.И. Тензорная модель континуального разрушения твердых тел // Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН. Вып. 3. М.: ОИВТ РАН, 2000.
  29. Continuum Damage Mechanics. Theory and Application. CISM. Lectures / Eds. O. Krajmovie, J. Lemaitre. Vien: Springer, 1987.
  30. B.H. Термомикромеханическая связанная модель пластичности, поврежденности и разрушения // Упругость и неупругость. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 2010. С. 379−384.
  31. Taylor J.W. Dislocation dynamics and dynamic yielding // J. Appl. Phys. 1965.-V.36. -No. 10.-P. 2599−2602.
  32. Gilliman J.J. Dislocation dynamics and the response of material to impact // Appl. Mech. Rev. 1968. -V. 21. — No. 8. — P. 767−783.
  33. Coleman B.D., Gurtin H.E. Thermodynamics with internal state variables // J. Chem. Phys. 1967. — V. 47. — No. 2.
  34. А.Б., Юмашев M.B. Деформирование и разрушение при ударном нагружении. Модель повреждаемой термоупругопластической среды // ПМТФ. 1990. — № 5. — С. 116−123.
  35. Г. И., Лаврова Т. Б. Модель анизотропно упрочняющейся среды, имеющие различные законы упрочнения при растяжении и сжатии // Изв. АН СССР. МТТ. 1989. -№ 2. — С. 146−151.
  36. И. Введение в термодинамику необратимых процессов. — М.: ИЛ, 1960.
  37. В.Г., Дунин С. З., Сурков В. В. Захлопывание сферической поры в вязкопластическом материале // Изв. АН СССР. МТТ. 1981. — № 1.
  38. В.К. О расширении пор в пластических металлах при отколах //ПМТФ.- 1983.-№ 6.
  39. А.Б., Юмашев М. В. Численное исследование ударного сжатия микропоры в термоупругоплатическом материале // Вестн. МГУ. Сер. 1. Матем. Механ. 1992. — № 1. — С. 78−83.
  40. Уилкинс M. JL Расчет упругопластических течений // Вычислительные методы в гидродинамике. -М.: Мир, 1967. С. 212−263.
  41. Wilkins M.L. Computer simulation of dynamic phenomena. — Berlin, Heidelbery- New York: Springer-Verlag, 1999. 246 p.
  42. Wilkins M.L. Modeling the behaving of materials // Structural impact and crashworthiness: Proc. Intern. Conf., London, 1984. -N.Y., 1984. -V. 2.
  43. В. Введение в механику сплошных сред. М.: ИЛ, 1963. — 312 с.
  44. Tuler F.R., Butcher В.М. A criterion for the time dependence of dynamic fracture // Intern. J. Fract. Mech. 1968. — No. 4.
  45. B.B., Кадашевич Ю. И., Рыбакина О. Г. Разрыхление и критерий разрушения в условиях ползучести // ДАН СССР. 1983. — Т. 270, № 4.
  46. А. И. Численное моделирование откольной прочности с учетом микроповреждений // Изв. АН СССР. МТТ. 1984. — № 5.
  47. Н.Х. Динамическое разрушение твердых тел в волнах разгрузки. Уфа: БФАН СССР, 1988. — 168 с.
  48. А.Б., Юмашев М. В. Деформирование и разрушение при ударном нагружении. Модель поврежденной термоупругопластической среды // ПМТФ. 1990. — № 5. — С. 116−123.100
  49. А.Б., Юмашев М. В. О критериях динамического разрушения термоупругопластической среды // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем. Механ. 1990, — № 4.-С. 38−44.
  50. А.Б., Юмашев М. В. Математическая модель деформирования и разрушения твердого топлива при ударном нагружении // ПМТФ. — 1992. -№ 6. -126−134.
  51. А.Б., Юмашев М. В. О модели динамического деформирования и разрушения твердого топлива // Вопросы механики сплошных сред. М.: Изд-во МГУ, 1993. — С. 47−55.
  52. А.Б., Юмашев М. В. Численное исследование динамических процессов деформирования и микроразрушения повреждаемой термоупругопластической среды // Вестн. МГУ. Сер. 1. Матем. Механ. — 1994.-№ 1.-С. 69−77.
  53. Kiselev А.В., Yumashev M.V., Volod’ko O.V. Deforming and fracture of metals. The model of damageable thermoelastoviscoplastic medium // Materials Processing Technology. 1998. — Vol. 80−81. — P. 585−590.
  54. А.Б., Лукьянов A.A., Тьерсилен M. Численное моделирование динамики распространения криволинейных трещин гидроразрыва // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем. Механ. 2004. — № 1. -С. 36−41.
  55. Kiselev А.В. The model of thermoelastoplastic deformation and fracture of materials under multiaxial loading // Fourth Int. Conf. on Biaxial/Multiaxial Fatigue (St. Germain en Laye, France, May 31-June 3, 1994). V. 2. P. 183−186.
  56. А.Б. Математическое моделирование динамических процессов необратимого деформирования и разрушения твердых тел // Математическое моделирование. 2000. — № 6. — С. 115−120.
  57. А.Б., Нехаева О. В. Численное моделирование динамического деформирования и разрушения толстостенной сферической оболочки // Вестн. МГУ. Матем. Механ. — 2004. — № 5. — С. 5358.
  58. А.Б., Нехаева О. В. Численное моделирование динамического деформирования и разрушения толстостенной цилиндрической оболочки // Вестн. МГУ. Матем. Механ. — 2005. № 2. — С. 33−37.
  59. А.Б., Рыбакин Б. П. Численное исследование откольного разрушения при взрывном и ударном нагружении. — Кишинев: Ин-т математики с ВЦ АН МССР, 1989.
  60. В.М., Киселев А. Б. Численное исследование откола в пластине при взрыве накладного заряда ВВ // Вестн. МГУ. Матем. Механ. -1990.-№ 5.-С. 54−58.
  61. Г. И., Разоренов C.B., Уткин A.B., Фортов В. Е. Откольная прочность металлов в широком диапазоне амплитуд ударной нагрузки // ДАН СССР. 1987. — Т. 294, № 2.
  62. Kiselev A.B., Lukyanov A.A. Mathematical modeling of dynamic processes of eversible deforming, micro- and macrostructure of solids and structures // Int. J. of Forming Processes. -2002. -5. No. 2−3-4. — P. 351−362.
  63. Г. И., Разоренов C.B., Уткин A.B., Фортов В. Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. — М.: «Янус-К», 1996.
  64. Г. И., Разоренов C.B., Уткин A.B., Фортов В. Е. Экспериментальные профили ударных волн в конденсированных средах. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.
  65. Л.А. Плоская упруго-пластическая задача // ПММ. — 1946. — Т. 10, вып. З.-С. 367−386.
  66. .Д., Черепанов Г. П. Упруго-пластическая задача. -Новосибирск: Наука, 1983. -238 с.
  67. С., Дж. Гудьер. Теория упругости. — М.: Наука, 1975.
  68. М., Френч С., Сорем М. Конечно-разностная схема для решения задач, зависящих от трех пространственных координат и времени // Численные методы в механике жидкостей. — М.: Мир, 1973. — С. 115−119.
  69. А.Б. Развитие метода Уилкинса для решения трехмерных задач соударения деформируемых тел // Взаимодействие волн в деформируемых средах. -М.: МГУ, 1984. С.87−100.
  70. Высокоскоростное взаимодействие тел / Под ред. В. М. Фомина. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 600 с.
  71. Дж., Сак С. Метод расчета «Тензор» // Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967. — С. 185−211.
  72. Wilkins M.L. Use of artificial viscosity in multidimensional shock wave problems // J. Comput. Phys. 1980. -V. 36. -P.281−303.
  73. Lax P.D. Weak solution of nonlinear hyperbolic equations and their numerical computations // Communes Pure and Appl. Math. 1954. — 7. — P. 158 193.
  74. Johnson G.R., Beissel S.R. Damping algorithms and effects for explicit dynamics computations // Int. J. Impact Engineering. -2001.-V. 25.-P.911 -925.
  75. Н.Г., Кукуджанов B.H. Обзор контактных алгоритмов // Изв РАН. Механика твердого тела. 2005. — № 1
  76. Вычислительные методы в механике разрушения / Под ред. С. Атлури. М.: Мир, 1990.-392 с.
  77. В.А., Немирович-Данченко М.М. Метод раздвоения точек сетки для численного расчета разрушения твердых тел .— Томск: ТГУ, 1983 — 12 е.- Деп. ВИНИТИ 14.06.83, № 3258.
  78. Ю.П. Некоторые особенности численного моделирования поведения упруго-пластических материалов // Физическая мезомеханика — 2005. -Т.8. № 3. — С. 129−142.
  79. B.C., Шемякин Е. И. Динамическое разрушение твердых тел. Новосибирск: Наука, 1979. — 271 с.
  80. А.Б., Кабак Н. Е. Метод построения расчетных сеток с выделением внутренних контактных границ // Моделирование в механике. -1990.-№ 5.-С. 96−110.
  81. Н.Е., Киселев А. Б., Максимов В. Ф. Метод построения расчетных сеток в двумерных областях с выделением внутренних контактных границ // Вестн. Моск. ун-та. Сер.1. Матем. Механ. 1992. — № 3. — С. 35−42.
  82. Немирович-Данченко М. М. Модель гипоупругой хрупкой среды: применение к расчету деформирования и разрушения // Физическая мезомеханика. 1998. -Т.1. -№ 2. -С. 107−114.
  83. Chen Y.M., Wilkins M.L. Stress analysis of crack problems with a three-dimensional time-dependent computer program // Int. J. of Fracture. 1976. —12 (4). -P.607−617.
  84. Stefanov Yu.P. Wave dynamics of cracks and multiple contact surface // Theor. and Appl. Fract. Mech. 2000. — V. 34/2. — P. 101−108.
  85. Stefanov Yu.P. Numerical investigation of deformation localization and crack formation in elastic brittle-plastic materials // Int. J. Fract. 2004. -V. 128 (l).-P. 345−352.
  86. Johnson G.R., Stryk R.A. Symmetric contact and sliding interface algorithms for intense impulsive loading computations // Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2001. — 190. — P. 4531−4549.
  87. Johnson G.R. Analysis of elastic-plastic impact involving severe distortions /А J. Appl. Mech. 1976. — V. 43. — P. 439−444.
  88. Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов задач математической физики / Под ред. К. И. Бабенко. — М.: Наука. — 1979. — 295 с.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!