注水井反冲洗时套管承载能力研究

论文摘要

在注水井反冲洗过程(泄压)中,由于套管内流体压力骤降,套管内外形成很大的压差,极易造成套管损坏,大庆、胜利、吉林等油田在反冲洗作业的过程中都发生过套管损坏。为此本文通过套管弹塑性行为研究和流固耦合分析,深入研究反冲洗过程套管应力的变化规律,分析了套管的承载能力,对反冲洗作业中的压力控制进行理论指导,减小施工的盲目性,课题研究具有理论与工程实际意义。注水井反冲洗过程是材料非线性、几何非线性与结构动力学的耦合问题,本文通过力学分析,在考虑流固耦合效应、套管的材料非线性效应以及流体渗流的动态效应基础上,建立了注水井套管—地层三维流固耦合反冲洗力学模型。根据固体力学、渗流力学及有限元理论,建立了套管和岩体应力平衡方程,及流体渗流平衡方程,并获得了流固耦合方程的有限元格式,应用Abaqus软件,建立了三维反冲洗仿真模型,利用有限元技术,对注水井反冲洗过程进行了瞬态仿真分析,对整个反冲洗过程中套管的应力变化,地层对套管的挤压力变化进行了分析研究,找出了整个过程套管应力的变化规律,模拟计算了不同地层性质和不同地应力下,套管的承载能力,得出了地层性质、地应力分布以及洗井工艺参数对套管承载能力的影响规律,指导反冲洗作业中的压力参数设计。通过调研统计得出了注水井套管剩余壁厚与工作年限的关系,统计了套管腐蚀的形态特征。建立了腐蚀后套管—地层三维流固耦合反冲洗力学模型,仿真计算了不同腐蚀形态下套管的剩余承载能力,得出了腐蚀坑的长度、宽度、深度、分布以及与射孔眼的相对距离等因素对套管剩余承载能力的影响规律。计算结果表明,腐蚀坑的长度和深度对套管承载能力影响比较大。随着注水开发油田的发展,具有一套适合现场实际使用的三维注水井洗井压力的预测软件是非常必要的,本文采用有限元方法建立的注水井套管—地层三维流固耦合反冲洗数值模拟方法和技术,为注水井洗井压力设计提供较为可靠和准确的预测手段,使注水井反冲洗作业更加高效与科学。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 注水开发背景
• 1.2 本课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外套管损坏的现状
• 1.4 石油套管强度研究现状
• 1.4.1 石油套管挤毁计算标准及套管强度研究的新动态
• 1.4.2 渗流场与应力场的耦合分析研究进展
• 1.5 注水井反冲洗工艺流程
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 套管承载能力力学问题分析
• 2.1 注水井套管反冲洗时的受力分析
• 2.1.1 轴向力
• 2.1.2 外挤压力
• 2.1.3 内压力
• 2.2 套管的塑性力学分析
• 2.3 注水层套管地层流固耦合理论研究
• 2.3.1 有效应力原理
• 2.3.2 注水层渗流理论
• 2.3.3 套管和岩体应力平衡方程
• 2.4 套管—岩层流固耦合有限元理论分析
• 2.5 耦合方程求解
• 2.6 本章小结
• 第三章 注水井反冲洗套管承载能力分析
• 3.1 非射孔段注水井套管反冲洗模型
• 3.1.1 均匀载荷作用下套管应力和地层应力计算
• 3.1.2 非均匀载荷作用下套管应力和地层应力计算
• 3.1.3 注水井反冲洗时非射孔段套管平面模型应力分析
• 3.1.4 非射孔段注水井反冲洗三维有限元模型
• 3.2 射孔段注水井套管反冲洗模型
• 3.2.1 力学模型的建立
• 3.2.2 注水井反冲洗三维有限元模型及边界条件
• 3.2.3 注水井反冲洗过程套管应力变化分析
• 3.2.4 注水井反冲洗时套管承载能力分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 腐蚀对注水井套管承载能力的影响
• 4.1 套管腐蚀原因分析
• 4.2 腐蚀量研究
• 4.2.1 套管腐蚀量测量方法
• 4.2.2 套管腐蚀量统计
• 4.3 腐蚀后套管承载能力分析
• 4.3.1 射孔套管壁发生均匀腐蚀时，套管承载能力分析
• 4.3.2 射孔套管壁发生局部腐蚀时，套管承载能力分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要