基于分数阶理论泥岩动态蠕变细观损伤机理研究与套管外挤损坏判别标准制定

套管损坏是世界难题，主要原因是泥岩变形外挤使套管"缩颈"。诸多学者开展过大量研究，成果颇丰，效果甚微。准确描述泥岩变形本构关系并制定新的套管外挤损坏判别标准是解决套管损坏首要问题与瓶颈问题。泥岩吸水具有明显的"软岩"特征，且随吸水量、外载、吸水时间变化，呈现明显"动态蠕变"损伤的复杂流变特征。常规数学方法与现有经典模型无法给予准确描述。本课题首次将井眼周围泥岩层分为破坏区、损伤区和弹性区，基于分数阶建立井眼围岩损伤力学模型；首次构建泥岩吸水"动态"蠕变细观损伤分数阶本构模型；首次建立泥岩"动态"蠕变损伤的套管非均匀载荷外挤"动态"力学模型；开展有限元模拟与实验验证。最后提出新的基于分数阶和损伤力学理论套管外挤损坏判别标准。该项目首次将泥岩作为"软物质"，构建分数领域与细观损伤本质模型，揭示泥岩变形物理内涵，提出基于损伤力学套管外挤损坏判别新标准，研究成果属国际空白，具有重要学术价值和意义。

本课题运用分数阶理论描述泥岩蠕变损伤特性，揭示泥岩蠕变过程的本质规律，采用分数阶与损伤力学研究泥岩吸水动态蠕变构关系，进而开展套管外挤损伤力学模型研究。在此基础上，提出基于损伤理论的套管外挤强度计算模型与套管损坏判别标准。本项目的研究成果属国际空白，对油田套管损坏的预防和固井完井的套管柱设计具有重要意义。成果如下：.首先，考虑泥岩具有强度低结构松散等特性，将泥岩层段井眼围岩区域分为破坏区、损伤区和无损区，基于分数阶理论建立井眼围岩的细观损伤应力计算模型。建立不同区域“等应力场”分布状态；建立破坏区、损伤区影响区域分布面模型；建立泥岩岩体细观损伤变量计算模型，分析不同区域泥岩岩体细观损伤结构单元、力学参数随应力场分布状态的变化特性。运用有限元方法模拟不同区域应力场分布、细观结构单元变化状态云图。为后续泥岩变形研究奠定基础。.其次，考虑泥岩岩体变形属瞬时动态蠕变变形，建立破坏区、损伤区及未损伤区的泥岩吸水动态蠕变细观损伤分数阶本构模型，开展泥岩动态蠕变细观损伤变形特性随外部载荷、泥岩吸水量、蠕变时间变化规律研究，开展泥岩细观微结构单元随泥岩动态变形的变化特性，分析泥岩动态变化过程，岩体损伤特性。开展有限元模拟岩体变形规律；开展室内实验分析泥岩动态蠕变变形特征。.再次，根据分数阶建立的泥岩动态蠕变细观损伤本构模型的力学特征，考虑水泥环与套管的损伤力学特征，建立非均匀载荷下套管外挤损伤力学计算模型，计算出泥岩层段套管外挤应力、径向变形等参数随泥岩动态蠕变的变化规律。开展泥岩动态蠕变的非均匀载荷套管外挤应力场、套管变形量等参数有限元模拟。.最后，依据分数阶与损伤理论建立的套管外挤力学模型，提出一种基于损伤力学理论的套管外挤强度计算模型与套管损坏判别新标准，新的标准考虑泥岩外载作用下管柱与水泥环的损伤力学特性。