(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211128796.X (22)申请日 2022.09.16 (71)申请人 中国葛洲坝集团三峡建 设工程有限 公司 地址 443000 湖北省宜昌市西陵区东 山大 道11号 (72)发明人 张晓宇　李友华　万勇　张丽清　 肖传勇　郑文俊　汪文亮　李铭松　 王吉林　杜文峰　马少甫　孙华艳　 张江波　刘晓娣　 (74)专利代理 机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 专利代理师 黎泽洲 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01)G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种动态无序载荷条件下的井筒稳定性预 测方法 (57)摘要 本发明涉及地下动态无序荷载条件下的井 筒稳定性预测方法， 包括： 获取井筒所在位置的 地应力大小， 并分析地应力的分布规律； 对井筒 水泥环同等条件下的养护试样开展岩石力学实 验； 分析某一无序波动荷载应力分布， 构建与时 间无关的自平衡应力场； 推导结构在波动态无序 载荷下稳定存在的力学形式， 计算水泥环的安全 载荷， 并据此判断井筒稳定性。 本发明从理论分 析的角度计算井筒结构的安全 载荷， 简化了一般 弹塑性分析复杂的计算过程， 无需考虑复杂的加 载历史， 该方法考虑了井筒尺寸、 周围地层应力 大小、 井筒结构的材属性， 预判结果 准确度高。 权利要求书4页 说明书5页 附图2页 CN 115470635 A 2022.12.13 CN 115470635 A 1.一种动态无序载荷条件下的井筒稳定性预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 测量获取井筒所在位置的地应力大小， 并分析地应力的分布规 律； S2： 对井筒水泥环同等条件下的养护试样开展岩石力学实验； S3： 建立井筒结构的力学模型， 得到水泥环的受力情况； S4： 分析无序波动荷载应力分布， 构建与时间无关的自平衡 应力场； S5： 推导结构在波动态无序 载荷下稳定存在的力学形式， 计算水泥环的安全载荷， 并据 此判断井筒稳定性。 2.根据权利要求1所述的井筒稳定性预测方法， 其特 征在于， 步骤S1包括以下子步骤： S101： 根据前期地质勘查情况， 选择井段应力条件复杂与重点 地层点钻取岩石块体； S102： 对钻取的岩石块体根据试验规范， 按照一定方向与尺寸要求进行加工； S103： 对加工好的岩石试样进行单轴压缩实验并配合声发射监测 获取应力突变点， 计 算各代表性地质点的地应力大小及分布规 律。 3.根据权利要求2所述的井筒稳定性预测方法， 其特征在于， 步骤S1中， 对重点关注井 段以及目标井段所在地层钻取岩心试样， 沿着与基准轴成0 °、 45°和90°夹角的三个方向取 样， 每个方向至少取一个试样； 对试样依据岩石力学实验规程进行凯瑟尔声发射实验， 实验结果代入式(1)求出各地 质点地应力分布规 律， 式中σh和σH表示井筒截面两向地应力主应力； σ0、 σ45、 σ90分别表示0 °、 45°和90°夹角的三 个方向所 取试样的抗压强度。 4.根据权利要求3所述的井筒稳定性预测方法， 其特征在于， 步骤S2对井筒水泥环同条 件养护的混凝土试样进 行不同围压下的压缩实验， 获得试样的应力 ‑应变曲线模式、 屈服应 力、 内聚力和内摩擦角； 将围压与试样抗压强度进行线性拟合， 将拟合得到的斜率k与截距σc代入式(2)， 求得水 泥环的内聚力c和内摩擦角φ， 5.根据权利要求 4所述的井筒稳定性预测方法， 其特 征在于， 步骤S3包括以下子步骤： S301： 根据步骤S2得到的应力 ‑应变曲线模式与力学参数， 建立井筒水泥环的弹塑性本 构模型； S302： 根据工程尺度与材料特性， 井筒外地层和井筒内套管均视为弹性材料， 地层对井 筒作用力为 地应力， 记作Pout； 套管对水泥环的作用 力为动态无序载荷， 记作Pin， 是施工或服役过程中产生的随机且 无序的载荷扰动； 水泥环变形及强度限制条件为摩尔 ‑库伦强度准则。权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115470635 A 26.根据权利要求5所述的井筒稳定性预测方法， 其特 征在于， 步骤S4包括以下子步骤： S401： 进行 水泥环荷载情况 下的弹性分析； S402： 水泥环荷载的塑性分析， 求 解完全屈服条件载荷； S403： 构建自平衡 应力场。 7.根据权利要求6所述的井筒稳定性预测方法， 其特征在于， 步骤S4中， 对水泥环进行 弹塑性分析， 当腔体处于较小的动态扰动时， 结构处于纯弹性状态， 此时应力分布如下： 式中λ为内外半径之比； σr、 σθ分别表示极坐标下水泥体微元的径向、 切向上的正应力； R 表示水泥环的外径； ρ 表示矢径； Pin表示水泥环内部承受的动态无序扰动， 是套管对水泥环 的作用力； Pout表示水泥环的外 压， 是地层对水泥环的作用力； 当某时刻动态扰动Pin大小达到弹性临界极限Pe， 此时水泥环内径刚好进入塑性阶段且 率先满足摩尔 ‑库伦准则， 求得弹性临界极限Pe的表达式， 为表达方便， 令 χ和 ξ 分别为 动态扰动超过Pe的时刻， 结构局部将出现塑性变形， 塑性区满足 塑性平衡条件 将内径处内压Pin作为边界条件， 且塑性区应力满足岩石材料的摩尔 ‑库伦准则， 得到 塑 性区应力分布为 式中 分别表示在极坐标 下水泥体塑性区的微元的径向、 切向上的正应力； 弹性区的应力分布为权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115470635 A 3