热采井筒多场耦合有限元分析

论文摘要

我国稠油资源分布广泛,在稠油热力开采过程中,套管大量损坏造成国家每年不得不投入大量资金用于打新井和修复套管损坏井,热采井套管损坏防治技术一直是制约国内陆上稠油油藏开发的技术难题之一。在热采环境下,影响套损的因素更加复杂,研究热采环境下的套损机理并提出合理而有效的防损措施对于减少损失、提高稠油开采经济效益意义重大。目前对单场作用下的套损机理研究已经比较成熟,石油领域对多场耦合的研究也已经有了一定的进展,但是还没有人真正提出合适的根据多场协同耦合作用研究套管损坏的方法。本文基于ANSYS有限元分析软件,以管柱力学、岩石力学、传热学、数值分析和有限元等理论为指导,通过建模和求解,提出了井筒附近多场耦合下的热有限元分析方法,对热采井筒周围多场协同作用规律进行了有益的探索,取得了如下主要成果:(1)在建立模型时对一些复杂的套损影响因素进行简化处理,重点突出研究协同作用效应的目的,建立了井筒周围地应力作用模型、井筒隔热传热模型及由套管、水泥环和地层组成的井筒周围多场耦合协同作用的套损模型。(2)以研究协同效应为目标进行多场的序惯耦合分析,研究了多场耦合模型的求解问题,主要用APDL工具进行了二次程序开发,提高了计算效率。(3)对套管和油管之间的环空仅在温度场模型中考虑其传热性,在力学处理上把其舍去减少了一个非常复杂的非线性力学问题,而且没有影响蒸汽温度边界对套管应力的影响。(4)以具体的算例进行了计算,分析了各种因素对套损的影响,根据计算结果,对套管设计和防护提出了有价值的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 热采井套管柱损坏机理的研究现状
• 1.3 多场耦合问题研究进展
• 1.4 研究内容及技术路线
• 2 近井应力场分析
• 2.1 地应力的概念
• 2.2 求取地应力的实验室方法
• 2.2.1 地应力的计算方法
• 2.2.2 油田地应力分布规律
• 2.2.3 地应力与地层埋深和岩性类型的关系
• 2.2.4 油气田开发对井筒周围地应力场的影响
• 2.3 地应力作用下套管柱—水泥环—地层的力学分析
• 2.3.1 非均地应力作用下的地层—水泥环—套管组合模型
• i 作用下的应力分布'>2.3.2 系统在均匀外压q 和均匀内压p_i作用下的应力分布
• 2.3.3 泥岩蠕变对套管损坏的影响
• 2.3.4 椭圆型蠕变外载下套管柱的强度
• 2.3.5 非均匀地应力场有限元分析
• 3 热采井筒温度场计算模型
• 3.1 蒸汽吞吐井筒-地层温度场分析
• 3.2 井筒蒸汽压力计算
• 4 热采井井筒受力分析
• 4.1 注汽井套管损坏形式
• 4.2 油田热采井井筒结构
• 4.3 套管柱在井下的受力状态和基本假设
• 4.4 热应力计算基本理论
• 4.5 套管热应力计算
• 4.5.1 套管热应力和热位移的通解为
• 4.5.2 有限元分析模型的建立及分析
• 4.5.3 不同隔热措施下注蒸汽井井筒的温度场稳态热分析模型建立
• 5 注蒸汽井多场耦合有限元分析
• 5.1 热分析简介
• 5.2 稳态热分析与热传递有限元理论
• 5.3 热应力有限元模型
• 5.4 耦合场分析的定义
• 5.5 套管—水泥环一地层多场耦合分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、教育背景、在学期间的研究成果及发表的学术论文