西南石油大学本科毕业开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告题目：基于一种新强度准则的井壁稳定性分析学生姓名学号教学院系专业年级指导教师职称单位西南石油大学2010届（本科）毕业设计开题报告1一、目的意义和国内外研究概况1.1本文研究的目的意义如何保证井壁稳定是一个长期困扰石油工程界的重大技术难题。对于钻井来说，井壁失稳会造成井下情况复杂，影响钻井施工进度，严重时可能会导致井眼报废，造成巨大的经济损失。井壁失稳还影响固井．油藏开发中的射孔、防砂、采油，以及油井增产等后序作业的实施。井壁稳定问题是世界范围内普遍存在的问题，每年由此造成的直接经济损失达数亿美元。因此国内外许多研究机构都致力于此项研究。研究井壁稳定性问题对钻井工程以及油田开发具有重要的意义。井壁稳定与井壁岩石强度直接相关，因此对岩石强度的力学性质、应力状态分析以及对破裂压力和坍塌压力的求解至关重要。石油工程领域应借鉴岩石强度理论领域已取得的研究成果，考虑中间主应力对岩石的强度贡献，选择适用的强度准则将其应用于实际工程中,对井筒的承压能力进行极限分析将有利于发挥岩石材料的潜能，从而产生一定的经济效益。1.2国内外研究概况岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，也是一门应用性和实践性很强的基础学科。它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域。油气勘探开发的工作对象时地层的岩石和流体,储层的岩石和流体所承受的力是研究有关地质和工程问题时的外载.因此,从某种意义上讲,油气勘探开发的许多问题都涉及岩石力学范畴,岩石力学的研究和应用越来越受到国际石油工程界的普遍重视,岩石力学对油气勘探开发的影响和作用越来越多地从各个方面表现出来.国内外与油气开发相关的岩石力学理论及应用,在近十几年,尤其是20世纪90年代以来得到了较大的发展。在综合研究与应用方面,美国的Oklahoma大学、Stanford大学、MIT麻省理工学院、TerraTek公司与加拿大Waterloo大学、Calgary西南石油大学2010届（本科）毕业设计开题报告2大学、Alberta大学、加拿大提高采收率研究所及西方各大石油公司处于领先地位。我国应用岩石力学理论开展了地应力及压裂优化设计等研究，最近几年又初步开展了开发中的流固耦合理论研究，并引入到油气藏数值模拟之中。但无论从理论研究还是应用程度来看都与国外有着较大的差距。目前与油气开发相关的岩石力学理论，主要应用在完井工程、油气开发和油气藏工程等领域。今天，由于世界上在矿产资源勘探、能源开发以及地球动力学研究方面的需要，对岩石力学提出了更多更高的要求。当前，国际上正建的大坝高达325m，水电站地下厂房的跨度达51m，地下矿井的开挖深度超过3000m，露天开采深度达300～500m，石油开采深度已达上万米，而在研究地壳变形时涉及的深度达50～60km,温度在1000℃以上，必须考虑的时间效应为几百万年。另外，当前世界上正在建筑的一些超巨型工程，都使岩石力学面临许多前所未遇的问题。因此迅速发展岩石力学理论和方法和提高其研究水平，已成为当前十分紧迫的问题。由于岩石或岩体的上述特性，岩石力学具有一个很重要的特点就是以实验为重要基础。随着力学、数学的蓬勃发展，特别是计算机的出现，岩石力学工作者可以进行复杂的、大量的计算。近年来，人们已经逐步认识到，数值计算的结果是定量的，但对模型的量化分析并不等于是对原型的定量描述，数值计算的结果是否具有真正的定量意义取决于研究者对原型研究的程度和对模型力学参数取值的可靠性。如果计算缺乏必要的地质基础，在没有搞清或搞不清模型边界条件的基础上就进行大量的计算，其结果只能是游戏式的演算，经不起实际工程的检验。对原型的研究程度和对模型力学参数取值的可靠性，归根结底取决于对岩石或岩体的认知能力。岩石力学工作者必须具备这种能力，必须认识你所研究的对象——岩石或岩体的基本构成和基本分类，必须了解岩石的主要物理性质和力学性质及其影响这些性质的主要因素。其中，岩石或岩体的基本构成和分类尤为重要，它将从根本上影响岩石的物理性质和力学性质，是岩石力学计算模型的根本。岩石力学的发展历史和概貌：岩石力学是伴随着采矿、土木、水利交通以及石油等岩石工程的建设和数学、力学等学科的进步逐步发展形成的一门新兴学科，按其发展过程可以分为四个阶段。1、初始阶段（19世纪末～20世纪初）西南石油大学2010届（本科）毕业设计开题报告3这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的科学计算问题。例如，1912年海姆（A.Heim）提出了静水压力的理论。他认为地下岩石处于一种静水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等，均等于单位面积上覆岩层的重量。由于当时地下岩石工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。但是随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不正确的。2、经验理论阶段（20世纪初～20世纪30年代）该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫（MM.Jipotbrkohob）提出的自然平衡拱学说，即普氏理论。太沙基（K.Terzahi）也提出相同的理论，只是他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线形，靠假定的松散地层压力来进行支护设计是不合实际的。尽管如此，上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用。3、经典理论阶段（20世纪30年代～20世纪60年代）这是岩石力学学科形成的重要阶段，弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，确立了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用理论。结构面对岩体力学性质的影响得到了重视，岩石力学文献和专著的出版、实验方法的完善、岩体工程技术问题的解决，这些都说明岩石力学发展到该阶段已经成为一门独立的学科。4、现代发展阶段（20世纪60年代～现在）此阶段是岩石力学理论和实践的新进展阶段，其主要特点是：用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最新成果引入了岩石力学。而电子计算机的广泛应用为流变学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能。二、论文的理论依据、研究方法、研究内容2.1理论依据线性的Coulomb准则并不能完全描述岩石强度特征，有多种改进形式。剪切破坏的Mohr准则表现为应力圆的包络线，其待定参数难以从常规三轴压缩试西南石油大学2010届（本科）毕业设计开题报告4验结果直接确定而研究较少。主应力形式的强度准则可分为显式和隐式，后者常以最大剪应力和平均主应力构造，且具有较高的相关系数和较小的拟合偏差。实际上显式和隐式准则的力学背景相同，可通过坐标系旋转互换。砂岩、大理岩等强度源于颗粒间黏结和摩擦，单参数的正则抛物线准则拟合强度与围压关系的精度优于两参数的Coulomb准则。以正则抛物线准则拟合高围压下强度能够得到完整岩石的理想单轴压缩强度，进而与实际数值对比可确定岩石的初始损伤。2.2研究方法根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属学科领域的不同,岩石力学的研究方法可大致归纳为四种:工程地质研究方法、科学实验方法、、整体综合分析方法。处于地层深处的岩石受上覆地层压力、水平向地应力及地层孔隙压力的作用，在井眼钻开前，地下岩层处于应力平衡，井眼钻开后，井内钻井液柱压力取代了钻岩层原先对井壁的支撑，破坏了地层原有应力平衡，引起井周应力重新分布。论文研究新强度准则的井壁稳定性分析，主要用到数学力学分析方法。它通过建立井壁岩体的力学模型和利用适当的分析方法，预测井壁岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为钻完井、射孔、防砂、采油，以及油井增产等后序作业的实施提供定量依据。2.3研究内容1、了解国内外井壁稳定强度准则研究状况和该领域中已有的成果的设计和研究方法。2、建立井壁岩体的力学模型，对井周应力状态和井眼破坏准则进行理解和公式推导，并推导其井壁岩石破裂压力和坍塌压力。3、对简单的抛物线型屈服准则的实例应用，并与简单的M-C准则对比分析其精确性。最后评价该强度准则的现场实用性。西南石油大学2010届（本科）毕业设计开题报告5三、研究条件和可能存在的问题3.1研究条件岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，也是一门应用性和实践性很强的基础学科。岩石力学的研究和应用越来越受到国际石油工程界的普遍重视,岩石力学对油气勘探开发的影响和作用越来越多地从各个方面表现出来.国内外与油气开发相关的岩石力学理论及应用,在近十几年,尤其是20世纪90年代以来得到了较大的发展。我国应用岩石力学理论开展了地应力及压裂优化设计等研究，最近几年又初步开展了开发中的流固耦合理论研究，并引入到油气藏数值模拟之中。但无论从理论研究还是应用程度来看都与国外有着较大的差距。目前与油气开发相关的岩石力学理论，主要应用在完井工程、油气开发和油气藏工程等领域。今天，由于世界上在矿产资源勘探、能源开发以及地球动力学研究方面的需要，对岩石力学提出了更多更高的要求。岩石力学（强度准则）在井眼稳定中的应用已有一定程度的研究，尤其是应用最广泛的摩尔—库伦（M—C）强度准则。但是由于其局限性，国内外学者对其他强度准则在井壁稳定方面的研究也卓见成效。3.2研究中可能存在的问题影响井壁稳定的因素主要有地应力、井壁的应力分布、地层力学性质、井斜角、方位角、井壁岩石的渗透率及孔隙度、地层倾角及钻井液的性能等。该论文中仅考虑了地应力和井壁的应力分布，在进行计算时主要考虑岩体自重引起的地应力，没有过多强调构造平缓和构造运动剧烈地区分层地应力计算。加之，岩石强度随温度，孔隙度非均质性的影响而变化剧烈，甚至变化规律呈指数型，尤其是在深井、超深井中该现象更为突出。所以，该论文更注重对方法的论证和评估。计算评估结果会有一定误差，但能凸显抛物线强度准则较摩尔—库伦（M—C）强度准则的优越性。西南石油大学2010届（本科）毕业设计开题报告6四、预期的结果建立井壁岩体的力学模型，对井周应力状态和井眼破坏准则进行理解和公式推导，并推导其井壁岩石破裂压力和坍塌压力。对简单的抛物线型屈服准则的实例应用，并与简单的M-C准则对比分析其精确性。最后评价该强度准则的现场实用性。最后给出结论和建议。五、进度安排设计（论文）的进程安排序号设计（论文）各阶段内容起止日期1调研中间主应力效应对井壁稳定性研究的现状和意义。2014/3/31—4/102了解国内外井壁稳定强度准则研究状况和该领域中已有的成果的设计和研究方法。2014/4/11—4/183对井周应力状态和井眼破坏准则进行理解和公式推导。并推导其井壁岩石破裂压力和坍塌压力。2014/4/19—4/304对简单的抛物线型屈服准则的实例应用，并与简单的M-C准则对比分析其精确性。最后评价该强度准则的现场实用性。2014/5/1—5/205开始论文撰写6论文修改并排版整理2014/5/20—6/2