套管水泥环力学性能研究

论文摘要

套管和水泥环是油气井固井中的关键部位,也对油气井的使用寿命有着重要的影响。水泥环的主要作用是对套管外部的环形空间进行有效的封隔,从而防止在钻井、增产作业和生产过程中的地层流体发生窜流；同时为内部套管提供有效保护和支撑；并缓和和减小地层围岩对套管的挤压作用,改善套管的三向受力状况；保护套管免受地下流体的腐蚀作用,延长油气井的使用寿命；保证油气田正常进行生产。本文主要研究内容如下：1、通过对套管和水泥环强度的现行计算方法调查研究,清楚理解现行套管水泥环强度计算方法,并了解套管的类型及各自的特点,以及水泥环的主要控制参数和水泥浆的凝结硬化过程及结合机理。2、在弹塑性力学理论的基础之上,通过对套管和水泥环组合力学模型的理论分析以及推导计算,得出多层套管和水泥环之间的应力应变解析解,并得到套管以及水泥环在径向和围向的应力应变关系。同时分析套管和水泥环之间的粘结滑移关系,得到了关于粘结力的表达式。3、在理论分析的基础之上,结合计算机数值计算手段,运用数值分析软件ANSYS对套管和水泥环进行三维的模型模拟分析,得到套管和水泥环在内压和外压作用下的应力应变云图,并得到相应的曲线图。4、简要考虑浅层套管水泥环在水平地震作用下的受力情况,分析地震作用对套管和水泥环的影响情况,并考虑水泥环的密封会不会受到破坏。本文通过对套管和水泥环之间的力学性能研究,对套管和水泥环之间的力学性能有了一定的认识,同时也得出了相应的结果,对后续的研究工作提供了一定的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究目的、意义
• 1.2 国内外研究应用现状
• 1.3 论文研究内容方法与技术路线
• 1.4 论文研究主要创新点
• 第2章 套管力学性能研究
• 2.1 固井工艺
• 2.1.1 井身结构
• 2.1.2 固井工程
• 2.2 套管类型及数据
• 2.2.1 套管类型
• 2.2.2 常用套管数据
• 2.3 套管的强度计算
• 2.3.1 现行的套管强度计算方法
• 2.3.2 套管计算特点
• 2.3.3 套管柱荷载分析和强度计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 水泥浆力学性能研究
• 3.1 水泥浆的成份
• 3.1.1 水泥化学组成
• 3.1.2 水泥矿物组成
• 3.2 油井水泥的级别及应用
• 3.3 油井水泥的物理性能
• 3.3.1 细度
• 3.3.2 密度
• 3.3.3 流变性
• 3.3.4 失水量
• 3.3.5 初始稠度及稠化时间
• 3.3.6 游离液
• 3.3.7 稳定性
• 3.3.8 渗透率
• 3.4 油井水泥水化机理
• 3.4.1 凝结固化
• 3.4.2 硅酸盐水化机理
• 3.4.3 铝酸盐水化机理
• 3.4.4 油井水泥水化的影响因素
• 3.5 本章小结
• 第4章 套管水泥环组合力学理论分析
• 4.1 多层套管组合体力学模型
• 4.2 套管、水泥环及井壁围岩组合体力学分析
• 4.2.1 单层套管应力分布解析解
• 4.2.2 单层套管、单层水泥环应力分布
• 4.2.3 双层套管、单层水泥环的组合力学模型
• 4.2.4 四层套管、四层水泥环的应力分布
• 4.2.5 数值解验证
• 4.3 套管与水泥环粘结滑移分析
• 4.3.1 套管与水泥环粘结力的组成
• 4.3.2 套管与水泥环粘结滑移的过程
• 4.3.3 套管与水泥环粘结力的推导
• 4.4 本章小结
• 第5章 套管水泥环组合力学性能数值分析
• 5.1 分析软件选择
• 5.2 基本数据
• 5.3 有限元模型建立
• 5.3.1 单元选取
• 5.3.2 材料参数
• 5.3.3 建立模型
• 5.3.4 单元划分
• 5.3.5 面—面接触的确定及设置
• 5.3.6 荷载设置
• 5.3.7 计算结果
• 5.4 粘结滑移分析
• 5.5 理论分析与数值计算的对比
• 5.6 本章小结
• 第6章 地震作用下套管水泥环力学性能研究
• 6.1 地震作用下的力学分析
• 6.1.1 地震加速度载荷
• 6.2 地震响应模型及计算结果
• 6.2.1 1号井地震载荷下的动力响应
• 6.2.2 2号井地震载荷下的动力响应
• 6.2.3 3号井地震载荷下的动力响应
• 6.3 结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果