一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型的确定方法与流程

1.本发明涉及水合物储层蠕变变形技术领域，具体涉及一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型的确定方法。


背景技术：

2.天然气水合物是一种甲烷气体与水在低温高压下形成的笼形晶体化合物，广泛的分布在深水的浅部地层和永久冻土带。由于水合物具有丰富的地质储量和极高的能量密度，被视为当前最具开采潜力的清洁能源之一。但水合物在开采过程中，受限于水合物地层弱胶结、欠压实的特性，钻采过程极易发生井壁稳定、储层出砂等工程事故，严重制约水合物的安全高效开采。因此针对水合物地层制定特定的钻井开采方案是水合物实现商业化开采的重要保障，而研究水合物地层力学特性就是其中的关键。大量的研究表明，在长期载荷作用下水合物储层表现出明显的蠕变特性，这使得水合物储层的钻井、开采过程即使工况条件满足水合物瞬时强度的要求，储层仍面临长期蠕变所产生的剪切破坏的风险。因此，对于水合物储层蠕变特性的表征是水合物储层长期钻采作业的前提与保障，为此，我们提出了一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型的确定方法。
4.本发明采用的技术解决方案是：
5.一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型的确定方法，包括如下步骤：
6.(1)水合物试样制备
7.将海洋土填充进岩心压制模具中压制成标准尺寸后置于高压釜，调整试验温度及压力，并通入高压甲烷气体原位生成不同饱和度的水合物试样；
8.(2)对水合物试样进行三轴力学试验
9.对步骤(1)获取的不同饱和度的水合物试样进行三轴力学试验，获取不同饱和度的水合物试样的峰值强度；
10.(3)获取三轴蠕变试验加载剪应力
11.根据步骤(2)得到的不同饱和度的水合物试样的峰值强度，计算不同饱和度的水合物试样在不同应力等级下所对应的剪应力，作为三轴蠕变试验加载剪应力；
12.(4)对水合物试样进行三轴蠕变试验
13.根据步骤(3)获取的三轴蠕变试验加载剪应力，对不同饱和度的水合物试样分别进行三轴蠕变试验，得到不同饱和度的水合物试样在不同加载剪应力下的三轴蠕变曲线，即不同饱和度的水合物试样在不同剪应力等级下的三轴蠕变曲线；且当剪应力等级低时，水合物试样呈现衰减蠕变特征；当剪应力等级高时，水合物试样呈现加速蠕变特征；
14.(5)获取水合物试样的等时应力-应变曲线
15.从步骤(4)得到的蠕变曲线中获取不同剪应力等级下相同蠕变时间所对应的蠕变应变，绘制等时应力-应变曲线，并根据等时曲线法获取衰减蠕变与加速蠕变的应力拐点，该应力拐点所对应的剪应力等级即为不同饱和度的水合物试样的长期强度所对应的应力等级，进而计算得到不同饱和度的水合物试样的长期强度；
16.(6)构建用于描述水合物储层蠕变特性的本构模型
17.根据步骤(5)所获得的衰减蠕变与加速蠕变的应力拐点及水合物试样的长期强度，分别构建用于描述水合物储层的衰减蠕变与加速蠕变特性的计算模型，得到用于描述水合物储层蠕变特性的本构模型。
18.进一步地，所述步骤(5)中获取衰减蠕变与加速蠕变的应力拐点的步骤为：
19.根据等时曲线法，将低应力等级下的等时曲线段与高应力等级下的等时曲线段延长，两者的交点即为应力拐点。
20.进一步地，所述步骤(6)中，构建用于描述水合物储层衰减蠕变特性的计算模型时，通过将弹性元件、kelvin元件及非线性黏性元件串联得到；构建用于描述水合物储层加速蠕变特性的计算模型时，通过将弹性元件、kelvin元件、非线性黏性元件及非线性黏塑性元件串联得到。
21.进一步地，所述步骤(6)中，水合物储层衰减蠕变特性计算模型为：
[0022][0023]
水合物储层加速蠕变特性计算模型为：
[0024][0025]
其中，ε为蠕变应变，t为时间/h，σ为剪应力/mpa，σs为长期强度/mpa；e1为瞬时弹性模量，mpa；e2为kelvin元件的弹性模量，mpa；η1为kelvin元件的黏性系数，mpa
·
h；k为拟合参数，且k《1，无量纲；η2为非线性黏性元件的黏性系数，mpa
·hk
，η3为非线性黏塑性元件的黏性系数，mpa
·
h2。
[0026]
进一步地，所述步骤(6)中，用于描述水合物储层蠕变特性的本构模型为
[0027][0028]
进一步地，所述步骤(6)中，对于所得到的水合物储层蠕变特性本构模型，采用最小二乘法，并借助matlab软件对不同饱和度的水合物试样在不同剪应力下进行三轴蠕变曲线拟合，将拟合得到的最优参数作为水合物储层蠕变特性的本构模型的各项系数。
[0029]
本发明的有益效果为：
[0030]
本发明提出了一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型，用于描述水合物钻井开采过程中导致的长期载荷下水合物储层的蠕变变形特征，并根据不同条件下的蠕变曲线分布规律，将弹性元件、kelvin元件及非线性黏性元件串联以描述水合物储层在低剪应力等级下的衰减蠕变特性，将弹性元件、kelvin元件、非线性黏性元件及非线性黏塑性元件串联
以描述水合物储层加速蠕变特性；通过对水合物储层在不同应力等级下的衰减蠕变及加速蠕变特性进行研究，能够为水合物钻井开采施工方案设计提供理论指导，以保证钻井开采过程中维持储层稳定。
附图说明
[0031]
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为水合物试样的蠕变曲线形态分析；
[0033]
图2为水合物试样的衰减蠕变特性表征模型组合；
[0034]
图3为水合物试样的加速蠕变特性表征模型组合；
[0035]
图4为饱和度为0.2的水合物试样通过三轴力学试验得到的偏应力-应变曲线；
[0036]
图5为饱和度为0.2的水合物试样在不同剪应力下的三轴蠕变曲线；
[0037]
图6为饱和度为0.2的水合物试样的等时应力-应变曲线；
[0038]
图7为饱和度为0.2的水合物试样的蠕变试验结果与本构模型模拟结果对比。
具体实施方式
[0039]
本发明提供了一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型的确定方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040]
下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0041]
一种表征水合物储层蠕变特性的本构模型的确定方法，包括如下步骤：
[0042]
(1)水合物试样制备
[0043]
将烘干、碾碎的海洋土填充进岩心压制模具中压制成标准尺寸后置于高压釜，调节实验温度为1℃，实验压力为6mpa，并通入高压甲烷气体进行水合物的原位生成，通过预制孔隙水含量的不同调节水合物饱和度分别为0、0.2、0.4、0.6。
[0044]
(2)对水合物试样进行三轴力学试验
[0045]
对步骤(1)获取的不同饱和度的水合物试样在有效围压为3mpa下进行三轴力学试验，得到偏应力-应变曲线(轴向应力-轴向应变)，获取不同饱和度的水合物试样的峰值强度，从而得到饱和度为0、0.2、0.4、0.6的水合物试样的峰值强度分别为9.226mpa、11.43mpa、12.61mpa、14.62mpa，其中如图4所示为饱和度为0.2的水合物试样的偏应力-应变曲线，从图4中可以得到该水合物试样的峰值强度为11.43mpa；
[0046]
具体地，上述步骤(2)中峰值强度是指加载过程中最大的轴向应力或者塑性应变达到0.15时对应的轴向应力。
[0047]
(3)获取三轴蠕变试验加载剪应力
[0048]
根据步骤(2)得到的不同饱和度的水合物试样的峰值强度，计算不同饱和度的水合物试样在不同应力等级下所对应的剪应力，作为三轴蠕变试验加载剪应力；以饱和度为0.2的水合物试样为例，其四个剪应力等级(0.2、0.4、0.6、0.8)的加载剪应力分别为
2.29mpa、4.57mpa、6.86mpa、9.14mpa，同时可以获取不同应力等级的瞬时弹性模量e1为601.36mpa、457.03mpa、274.22mpa、182.81mpa；
[0049]
具体地，上述步骤(3)中，不同饱和度的水合物试样在不同应力等级的三轴蠕变试验加载剪应力为步骤(2)获取的不同饱和度的水合物试样峰值强度与蠕变实验加载剪应力等级的乘积；
[0050]
上述步骤(3)中不同剪应力等级的瞬时弹性模量e1为该应力等级对应的剪应力除以该剪应力对应的轴向应变，该轴向应变从图4三轴力学试验得到的偏应力-应变曲线获取。以饱和度为0.2的水合物试样为例，其应力等级0.8时对应的加载剪应力为9.14mpa，其对应的轴向应变为0.0499，将该应力等级对应的剪应力除以轴向应变即可以获取该应力等级下的瞬时模量为182.81mpa。
[0051]
(4)对水合物试样进行三轴蠕变试验
[0052]
参照图5，根据步骤(3)获取的三轴蠕变试验加载剪应力，对不同饱和度的水合物试样分别进行三轴蠕变试验，得到不同饱和度的水合物试样在不同加载剪应力下的三轴蠕变曲线，即不同饱和度的水合物试样在不同剪应力等级下的三轴蠕变曲线；且当剪应力等级低(应力等级0.2、0.4)时，水合物试样呈现衰减蠕变特征；当剪应力等级高(应力等级0.6、0.8)时，水合物试样呈现加速蠕变特征。
[0053]
(5)获取水合物试样的等时应力-应变曲线
[0054]
参照图6，从步骤(4)得到的蠕变曲线中获取不同剪应力等级下相同蠕变时间所对应的蠕变应变，绘制等时应力-应变曲线，并根据等时曲线法获取衰减蠕变与加速蠕变的应力拐点，即将低应力等级下的等时曲线段与高应力等级下的等时曲线段延长，两者的交点即为应力拐点，该应力拐点所对应的剪应力等级即为不同饱和度的水合物试样的长期强度所对应的应力等级，通过将长期强度所对应的应力等级乘以试样的峰值强度(步骤(2所获得的峰值强度))可以得到不同饱和度的水合物试样的长期强度；该步骤中得到饱和度为0、0.2、0.4、0.6的水合物试样的长期强度所对应的应力等级分别为0.5752、0.582、0.585、0.5866。(6)构建用于描述水合物储层蠕变特性的本构模型
[0055]
参照图1-3，根据步骤(5)所获得的衰减蠕变与加速蠕变的应力拐点及水合物试样的长期强度，分别构建用于描述水合物储层的衰减蠕变与加速蠕变特性的计算模型，得到用于描述水合物储层蠕变特性的本构模型；
[0056]
其中，构建用于描述水合物储层衰减蠕变特性的计算模型时，通过将弹性元件、kelvin元件及非线性黏性元件串联得到，即水合物储层衰减蠕变特性计算模型为：
[0057][0058]
构建用于描述水合物储层加速蠕变特性的计算模型时，通过将弹性元件、kelvin元件、非线性黏性元件以及非线性粘塑性体串联得到，即水合物储层加速蠕变特性计算模型为：
[0059][0060]
进而，用于描述水合物储层蠕变特性的本构模型为：
[0061][0062]
其中，ε为蠕变应变，t为时间/h，σ为剪应力/mpa，σs为长期强度/mpa，e1为瞬时弹性模量，mpa；e2为kelvin元件的弹性模量，mpa；η1为kelvin元件的黏性系数，mpa
·
h；k为拟合参数，且k小于1，无量纲；η2为非线性黏性元件的黏性系数，mpa
·hk
，η3为非线性黏塑性元件的黏性系数，mpa
·
h2。
[0063]
对于上述步骤(6)所得到的水合物储层蠕变特性本构模型，采用最小二乘法，并借助matlab软件对不同饱和度的水合物试样在不同剪应力下进行三轴蠕变曲线拟合，将拟合得到的最优参数作为水合物储层蠕变特性的本构模型的各项系数，其中最优参数是指能够使模型拟合的蠕变曲线与试验蠕变曲线尽可能重合的各项系数，可通过不断调整得到。如下表1所示为饱和度为0.2的水合物试样的各项系数拟合结果。另外，参照图7，为饱和度为0.2的水合物试样在不同剪应力等级下的蠕变拟合曲线与蠕变试验曲线的对比示意图，拟合曲线与试验曲线基本重合，验证了本发明所提出的水合物储层蠕变特性本构模型的准确性。
[0064]
表1
[0065][0066]
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
[0067]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。