井壁围岩应力计算方法及装置与流程
本发明涉及油气井力学分析技术领域，尤其涉及一种井壁围岩应力计算方法及装置。
背景技术：
在油气井开发过程中，如打井期间或者打井完成后，井下地层岩石被破坏，因此需要重新建立井筒平衡，此时需要进行准确的井壁围岩应力力学计算，其中，井壁围岩应力力学计算对于钻井过程中的井壁稳定以及后期开发过程中的地层出砂预测等都具有重要意义。
在现有技术中，一般是按照广义平面应变对井壁围岩应力进行求解，得到井壁围岩应力表达式，从而计算井壁围岩应力，但是载荷变化、温度、流体渗流等因素都会影响到井壁围岩应力，因此通过上述计算方法得到的井壁围岩应力存在较大误差。
技术实现要素：
本发明提供一种井壁围岩应力计算方法及装置，提高井壁围岩应力计算的准确性。
第一方面，本发明提供一种井壁围岩应力计算方法，包括：
根据广义平面应变问题的求解方法计算载荷不平衡产生的井壁围岩应力；
计算井壁围岩的热应力；
根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力与所述井壁围岩的热应力计算井壁围岩应力。
可选的，还包括：
计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力；
所述根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力与所述井壁围岩的热应力计算井壁围岩应力，包括：
根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力、所述井壁围岩的热应力和所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
可选的，还包括：
计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力；
计算井壁应力降低系数，通过所述井壁应力降低系数对所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正，得到所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力；
所述根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力与所述井壁围岩的热应力计算井壁围岩应力，包括：
根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的径向应力、所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的垂向应力和所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力与所述井壁围岩的热应力和所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
可选的，所述计算井壁围岩的热应力，包括：
根据热传导微分方程、井壁围岩初始温度和井壁围岩瞬时温度计算井壁围岩的温度场；
根据热弹性力学的基本方程和所述井壁围岩的温度场计算所述井壁围岩的热应力。
可选的，所述热弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程和物理方程，所述根据热弹性力学的基本方程和所述井壁围岩的温度场计算所述井壁围岩的热应力，包括：
根据所述平衡方程、所述几何方程和所述物理方程得到井壁围岩的热应力表达式；
将所述井壁围岩的温度场代入所述井壁围岩的热应力表达式得到所述井壁围岩的热应力的径向应力σrt、所述井壁围岩的热应力的切向应力σθt和所述井壁围岩的热应力的垂向应力σzt：
其中，t(r)为所述井壁围岩的温度场，αt为岩石热热胀系数，e为岩石的杨氏弹性模量，μ为岩石的泊松比，△t为井筒内流体温度和地层温度之差。
可选的，所述计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力，包括：
根据如下公式计算所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的径向应力σrs、所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的切向应力σθs和所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的垂向应力σzs：
其中，f为岩石的孔隙度，pp为地层原始孔隙压力，
可选的，所述计算井壁应力降低系数，包括：
根据如下公式计算所述井壁应力降低系数δ：
其中，
其中，σa＝(σh+σh)/2，pw为液柱压力，n为经验系数，pi是地层压力；
所述通过所述井壁应力降低系数对所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正，得到所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力，包括：
根据δ通过如下公式计算出所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力σ'θ：
σ'θ＝δ·σθ-ηpp；
其中，σθ为所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力，η为有效应力系数，pp为地层原始孔隙压力。
第二方面，本发明提供一种井壁围岩应力计算装置，包括：
计算模块，用于根据广义平面应变问题的求解方法计算载荷不平衡产生的井壁围岩应力；
所述计算模块还用于计算井壁围岩的热应力；
处理模块，用于根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力与所述井壁围岩的热应力计算井壁围岩应力。
可选的，所述计算模块还用于：
计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力；
所述处理模块用于：
根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力、所述井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
可选的，所述计算模块还用于：
计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力；
计算井壁应力降低系数，通过所述井壁应力降低系数对所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正，得到所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力；
所述处理模块用于：
根据所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的径向应力、所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的垂向应力和所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力与所述井壁围岩的热应力和所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
可选的，所述计算模块包括：
第一计算单元，用于根据热传导微分方程、井壁围岩初始温度和井壁围岩瞬时温度计算井壁围岩的温度场；
第二计算单元，用于根据热弹性力学的基本方程和所述井壁围岩的温度场计算所述井壁围岩的热应力。
可选的，所述热弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程和物理方程，所述第二计算单元用于：
根据所述平衡方程、所述几何方程和所述物理方程得到井壁围岩的热应力表达式；
将所述井壁围岩的温度场代入所述井壁围岩的热应力表达式得到所述井壁围岩的热应力的径向应力σrt、所述井壁围岩的热应力的切向应力σθt和所述井壁围岩的热应力的垂向应力σzt：
其中，t(r)为所述井壁围岩的温度场，αt为岩石热热胀系数，e为岩石的杨氏弹性模量，μ为岩石的泊松比，△t为井筒内流体温度和地层温度之差。
可选的，所述计算模块具体用于：
根据如下公式计算所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的径向应力σrs、所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的切向应力σθs和所述流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的垂向应力σzs：
其中，f为岩石的孔隙度，pp为地层原始孔隙压力，
可选的，所述计算模块具体用于：
根据如下公式计算所述井壁应力降低系数δ：
其中，
其中，σa＝(σh+σh)/2，pw为液柱压力，n为经验系数，pi是地层压力；
根据δ通过如下公式计算出所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力σ'θ：
σ'θ＝δ·σθ-ηpp；
其中，σθ为所述载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力，η为有效应力系数，pp为地层原始孔隙压力。
本发明提供的井壁围岩应力计算方法及装置，通过分别求得载荷不平衡产生的井壁围岩应力和井壁围岩的热应力，将载荷不平衡产生的井壁围岩应力与井壁围岩的热应力进行各向叠加，从而获得考虑载荷变化和温度影响的井壁围岩应力，降低井壁围岩应力计算的误差，提高了井壁围岩应力计算的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明井壁围岩应力计算方法实施例一的流程图；
图2为斜井的受力示意图；
图3为斜井进行坐标变换后的受力示意图；
图4为本发明井壁围岩应力计算方法实施例二的流程图；
图5为本发明井壁围岩应力计算方法实施例三的流程图；
图6为本发明井壁围岩应力计算方法实施例四的流程图；
图7为本发明井壁围岩应力计算装置实施例一的结构示意图；
图8为本发明井壁围岩应力计算装置实施例二的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供一种井壁围岩应力计算方法及装置，考虑载荷变化、温度、流体渗流等因素对井壁围岩应力的影响，降低井壁围岩应力计算的误差，提高井壁围岩应力计算的准确性。下面结合附图详细说明本发明提供的井壁围岩应力计算方法及装置。
图1为本发明井壁围岩应力计算方法实施例一的流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：
s101、根据广义平面应变问题的求解方法计算载荷不平衡产生的井壁围岩应力。
具体来说，井壁周围岩石的实际受力状态是非常复杂的，图2为斜井的受力示意图，图3为斜井进行坐标变换后的受力示意图，如图2和图3所示，井眼内部作用有液柱压力pw，外部作用有原地应力，原地应力包括三个相互垂直的应力形式，即沿垂直方向的应力σv、两个相互垂直的沿水平方向的最大应力σh和最小应力σh。在受到三向原地应力σv、σh和σh作用的地层中有一井斜角为α和方位角为β的井眼，其中，α为井眼轴线z轴与垂直方向的应力σv方向的夹角，β为井眼斜方位x轴与水平方向的最大应力σh方向的夹角，井眼的原地应力分量为：
根据广义平面应变问题的求解方法，分解为四个求解的叠加，分别为：井筒内液柱压力pw，垂直于井眼轴线z轴的横切面内的应力sxx、sxy、syy，面外剪切应力sxz、syz，轴向应力sz2，可得到载荷不平衡产生的井壁围岩应力为：
式中：载荷不平衡产生的井壁围岩应力包括三部分：径向应力σr、切向应力σθ和垂向应力σz，a＝r2/r2；b＝r4/r4；c＝(sxx+syy)/2；d＝(sxx-syy)/2；μ为泊松比，r是井筒半径，r是半径变量，θ是斜井的方位角，pp为地层原始孔隙压力，η为有效应力系数。
s102、计算井壁围岩的热应力。
一般地，在酸化、压裂以及注水等过程中，有较稳定的、大量的流体被注入到储集层内，这些注入流体将引起较大范围地层的温度受到扰动，岩体内温度平衡被打破产生温度扰动应力，即变温应力也称为热应力，当岩石温度变化引起的岩石热膨胀或冷收缩受到约束时，才会产生热应力。
具体地，计算井壁围岩的热应力具体可以为：
s1021、根据热传导微分方程、井壁围岩初始温度和井壁围岩瞬时温度计算井壁围岩的温度场。
其中，热传导微分方程为：
s1022、根据热弹性力学的基本方程和井壁围岩的温度场计算井壁围岩的热应力。
其中，假设岩石具有线弹性和各向同性性质，与井径相比，井眼无限长，井眼变形属于广义平面应变问题，岩石所受应力分布遵循热弹性力学的基本方程，热弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程和物理方程，如下：
平衡方程：
几何方程：
物理方程：
其中，θ＝εr+εθ。
根据平衡方程、几何方程和物理方程得到井壁围岩的热应力表达式，具体地，将几何方程代入物理方程，然后代入平衡方程，所得方程积分两次可得轴对称问题位移分量，进而得到应力分量，即为热应力表达式，之后将上述井壁围岩的温度场t(r)代入井壁围岩的热应力表达式，求解得井壁围岩的热应力的径向应力σrt、井壁围岩的热应力的切向应力σθt和井壁围岩的热应力的垂向应力σzt，具体计算过程如下：
其中，t(r)为井壁围岩的温度场，αt为岩石热热胀系数，e为岩石的杨氏弹性模量，μ为岩石的泊松比，△t为井筒内流体温度和地层温度之差。
由上述热应力计算公式可知，热应力不仅与介质温度变化直接有关，还与岩石的杨氏弹性模量、泊松比以及热膨胀系数相关。
s103、根据载荷不平衡产生的井壁围岩应力与井壁围岩的热应力计算井壁围岩应力。
具体地，将载荷不平衡产生的井壁围岩应力与井壁围岩的热应力进行各向叠加，得到井壁围岩应力，即井壁围岩应力的径向应力为σr+σrt，井壁围岩应力的切向应力为σθ+σθt，井壁围岩应力的垂向应力为σz+σzt。
本实施例提供的井壁围岩应力计算方法，通过分别求得载荷不平衡产生的井壁围岩应力和井壁围岩的热应力，将载荷不平衡产生的井壁围岩应力与井壁围岩的热应力进行各向叠加，从而获得考虑载荷变化和温度影响的井壁围岩应力，降低井壁围岩应力计算的误差，提高了井壁围岩应力计算的准确性。
进一步地，考虑到流体渗流影响，进一步提高井壁围岩应力计算的准确性，图4为本发明井壁围岩应力计算方法实施例二的流程图，如图4所示，在s102之后或者之前，还可以包括：
s104、计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力。
具体地，在油气井生产过程中，产层流体与井壁岩石接触，必然会有流体渗入地层岩石内，地层将产生一个由流体渗流引起的附加应力，从而影响原有地层井壁应力状态。本实施例中，将岩石考虑为孔隙性弹性介质，在介质中流体的流动满足达西定律，流体向地层孔隙中发生径向渗流时在井壁周围产生的附加应力包括径向应力、垂向应力和切向应力，根据如下公式计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的径向应力σrs、流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的切向应力σθs和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的垂向应力σzs：
其中，f为岩石的孔隙度，pp为地层原始孔隙压力，
相应地，计算井壁围岩应力可以为：
s105、根据载荷不平衡产生的井壁围岩应力、井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
具体地，将载荷不平衡产生的井壁围岩应力、井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力进行各向叠加，得到井壁围岩应力，即井壁围岩应力的径向应力为σr+σrt+σrs，井壁围岩应力的切向应力为σθ+σθt+σθs，井壁围岩应力的垂向应力为σz+σzt+σzs。
本实施例提供的井壁围岩应力计算方法，通过分别求得载荷不平衡产生的井壁围岩应力、井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力，将载荷不平衡产生的井壁围岩应力、井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力进行各向叠加，从而获得考虑载荷变化、温度影响和流体渗流影响的井壁围岩应力，降低井壁围岩应力计算的误差，提高了井壁围岩应力计算的准确性。
进一步地，考虑到对载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正，进一步提高井壁围岩应力计算的准确性，图5为本发明井壁围岩应力计算方法实施例三的流程图，如图5所示，图4所示实施例的基础上，在s105计算井壁围岩应力之前，还可以包括：
s106、计算井壁应力降低系数，通过井壁应力降低系数对载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正，得到载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力。
其中，s101中计算出的载荷不平衡产生的井壁围岩应力是在井壁围岩为线弹性体的情况下得出的，然而实际上，弹性模量随着围压的增加呈非线性增大，考虑了弹性模量非线性变化后得到的σθ值要比线弹性的低，本实施例中，通过井壁应力降低系数对载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正，得到载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力，即就是用均匀地应力情况下求得的井壁应力降低系数来对非均匀地应力下的井壁应力进行修正，具体为：
根据如下公式计算井壁应力降低系数δ：
本实施例中，取σa＝[(σh+σh)/2]＝0.021h，pw＝0.12h，h是井的深度，经验系数n＝0.1，线弹性解与非线弹性解相除，求解得到井壁应力降低系数为
根据求得的井壁应力降低系数δ，对载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行修正，具体通过如下公式计算出载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力σ'θ：
σ'θ＝δ·σθ-ηpp，其中，σθ为载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力，η为有效应力系数，pp为地层原始孔隙压力，σθ＝c(1+a)-d(1+3b)cos2θ-sxy(1+3b)sin2θ-apw-ηpp，
进而求解得到载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力，而σr和σz不变。考虑了弹性模量的非线性变化后得到的井壁围岩应力更加准确。
相应地，计算井壁围岩应力可以为：
s107、根据载荷不平衡产生的井壁围岩应力的径向应力、载荷不平衡产生的井壁围岩应力的垂向应力和载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力与井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
具体地，具体地，载荷不平衡产生的井壁围岩应力的径向应力、载荷不平衡产生的井壁围岩应力的垂向应力和载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力与井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力进行各向叠加，得到井壁围岩应力，即井壁围岩应力的径向应力为σr+σrt+σrs，井壁围岩应力的垂向应力为σ’θ+σθt+σθs，井壁围岩应力的切向应力为σz+σzt+σzs，其中的σ'θ为切向有效应力。
本实施例提供的井壁围岩应力计算方法，通过分别求得载荷不平衡产生的井壁围岩应力、井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力，并且将载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正以得到非均匀地应力下的井壁围岩的切向有效应力，最后将载荷不平衡产生的井壁围岩应力的径向应力、垂向应力和切向有效应力与井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力进行叠加，从而获得综合考虑载荷变化、温度影响、流体渗流影响和非线性修正后的井壁围岩应力，降低井壁围岩应力计算的误差，提高了井壁围岩应力计算的准确性。
需要说明的是，上述实施例依次可计算考虑载荷变化和温度影响的井壁围岩应力，考虑载荷变化、温度影响和流体渗流影响的井壁围岩应力，考虑载荷变化、温度影响、流体渗流影响和非线性修正后的井壁围岩应力，本发明中，也可以计算考虑载荷变化和流体渗流影响的井壁围岩应力，或者计算考虑载荷变化、温度影响和非线性修正后的井壁围岩应力，或者计算考虑载荷变化和非线性修正后的井壁围岩应力，具体对应每一种因素计算的应力过程可参见上述实施例中对应的部分，此处不再赘述。
下面采用一个具体的实施例，以r＝r，直井为例，当井壁为直井井壁时，α＝β＝0，对图1所示方法实施例的技术方案进行详细说明。
图6为本发明井壁围岩应力计算方法实施例四的流程图，如图6所示，本实施例的方法可以包括：
s201、根据广义平面应变问题的求解方法计算载荷不平衡产生的井壁围岩应力，其中，r＝r。
具体地，将井壁处的边界条件r＝r代入s101中的载荷不平衡产生的井壁围岩应力计算公式，计算得出载荷不平衡产生的井壁围岩应力为：
s202、计算载荷不平衡产生的直井井壁应力。
当井壁为直井井壁时，α＝β＝0，则
代入上式得到载荷不平衡产生的直井井壁应力为
s203、计算井壁围岩的热应力。
该步骤的具体过程可参考图1中的s102中相应的描述，此处不再赘述。
其中，参考图1中的s1022中井壁围岩的热应力计算公式，代入井壁处的边界条件r＝r，求得井壁围岩的热应力为：
σrt＝0
s204、将载荷不平衡产生的直井井壁应力与井壁围岩的热应力进行各向叠加，得到综合载荷变化和温度变化影响的直井井壁应力。
具体地，将s202得到的载荷不平衡产生的直井井壁应力与s203得到的井壁热应力进行叠加，得到综合载荷变化和温度变化影响的直井井壁应力为：
s205、将井壁围岩考虑为孔隙性弹性介质，根据孔隙流体的基本方程、达西定律，得到流体渗流对井壁产生的附加应力。
参考图2中的s104中流体渗流对井壁围岩产生的附加应力，代入井壁处的边界条件r＝r，求得流体渗流对井壁产生的附加应力为：
s206、将综合载荷变化和温度变化影响的直井井壁应力与流体渗流对直井井壁产生的附加应力进行各向叠加，得到综合载荷变化、温度变化和流体渗流影响的直井井壁应力。
将s204得到的综合载荷变化和温度变化影响的直井井壁应力与s205得到的流体渗流对井壁产生的附加应力进行叠加，得到综合载荷变化、温度变化和流体渗流影响的直井井壁应力为：
s207、将均匀地应力下的线弹性解与非线弹性解相除，得到井壁应力降低系数。
具体可参见s106中的计算过程，此处不再赘述。
s208、通过井壁应力降低系数对载荷不平衡产生的直井井壁应力的切向应力进行非线性修正，得到载荷不平衡产生的直井井壁应力的切向有效应力。
参照s106的方法，对直井井壁应力的切向应力进行修正，则非均匀地应力作用下直井井壁的切向有效应力计算公式被修正为：σ'θ＝δ·σθ-ηpp，δ为s207求得的井壁应力降低系数，进而求得直井井壁的切向有效应力，而σr和σz不变。考虑了弹性模量的非线性变化后得到的直井井壁应力更加准确。
s209、将载荷不平衡产生的直井井壁应力的径向应力、垂向应力和切向有效应力与直井井壁热应力和流体渗流对直井井壁产生的附加应力进行各向叠加，得到综合考虑载荷变化、温度影响、流体渗流影响和非线性修正后的直井井壁应力。
将载荷不平衡产生的直井井壁应力的径向应力、垂向应力以及直井井壁的切向有效应力与井壁热应力、流体渗流对井壁产生的附加应力进行叠加，得到的直井井壁应力σr、σθ和σz为综合考虑载荷变化、温度影响、流体渗流影响和非线性修正后的直井井壁应力：
图7为本发明井壁围岩应力计算装置实施例一的结构示意图，如图7所示，本实施例的装置可以包括：计算模块11和处理模块12，其中，
计算模块11用于根据广义平面应变问题的求解方法计算载荷不平衡产生的井壁围岩应力，计算模块11还用于计算井壁围岩的热应力。
处理模块12用于根据载荷不平衡产生的井壁围岩应力与井壁围岩的热应力计算井壁围岩应力。
可选的，计算模块11还用于：计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力，相应地，处理模块12用于：根据载荷不平衡产生的井壁围岩应力、井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
可选的，计算模块11还用于：计算井壁应力降低系数，通过井壁应力降低系数对载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力进行非线性修正，得到载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力。相应地，处理模块用于：根据载荷不平衡产生的井壁围岩应力的径向应力、载荷不平衡产生的井壁围岩应力的垂向应力和载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力与井壁围岩的热应力和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力计算井壁围岩应力。
本实施例的装置，可以用于执行图1、图3或图4任一所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图8为本发明井壁围岩应力计算装置实施例二的结构示意图，如图8所示，在图7所示装置的基础上，进一步地，本实施例的装置中，计算模块11包括第一计算单元111和第二计算单元112，第一计算单元111用于根据热传导微分方程、井壁围岩初始温度和井壁围岩瞬时温度计算井壁围岩的温度场，第二计算单元112用于根据热弹性力学的基本方程和井壁围岩的温度场计算井壁围岩的热应力。
进一步地，热弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程和物理方程，第二计算单元112用于：根据平衡方程、几何方程和物理方程得到井壁围岩的热应力表达式，将井壁围岩的温度场代入井壁围岩的热应力表达式得到井壁围岩的热应力的径向应力σrt、井壁围岩的热应力的切向应力σθt和井壁围岩的热应力的垂向应力σzt：
其中，t(r)为井壁围岩的温度场，αt为岩石热热胀系数，e为岩石的杨氏弹性模量，μ为岩石的泊松比，△t为井筒内流体温度和地层温度之差。
可选的，计算模块11具体用于：根据如下公式计算流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的径向应力σrs、流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的切向应力σθs和流体渗流对井壁围岩产生的附加应力的垂向应力σzs：
其中，f为岩石的孔隙度，pp为地层原始孔隙压力，
可选的，计算模块11具体用于：根据如下公式计算井壁应力降低系数δ：
其中，
其中，σa＝(σh+σh)/2，pw为液柱压力，n为经验系数，pi是地层压力；
根据δ通过如下公式计算出载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向有效应力σ'θ：
σ'θ＝δ·σθ-ηpp；
其中，σθ为载荷不平衡产生的井壁围岩应力的切向应力，η为有效应力系数，pp为地层原始孔隙压力。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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