注蒸汽热采井套管强度理论与试验研究

论文摘要

稠油开采通常采用热采技术。稠油热采分为蒸汽驱、蒸汽吞吐和火烧油层等方法,其中在蒸汽驱和蒸汽吞吐采油技术中存在的油井套管损坏问题一直是严重影响稠油产量和企业经济效益的大问题。理论上研究稠油热采井套管损坏问题有各种不同的出发点和相应的方法,本文以稠油热采井的实际条件为基础,重点研究了在热采井复杂受力条件下,如何通过降低套管应力来防止套管损坏或降低套管损坏率的问题。论文主要研究内容可概括为如下几个部分:(1)在确定了基本研究内容和研究方向的基础上,进行了井筒流体参数计算方法研究,目的是获得井筒内流体参数及其变化规律,并进一步获得套管强度研究所必需的套管温度、井筒压力及水泥环温度等数据。计算过程中将湿蒸汽两相流理论与工程热物理中的流体热物性计算方法有机结合,创造性地解决了井筒流体参数及井筒温度场的计算问题,实现了流体计算过程的连续性,既提高了计算精度,又提高了计算速度。(2)根据热采井的工作条件,建立了稠油热采井套管的力学模型,研究了模型中各种内、外力尤其是热应力和外挤压力的计算方法。在套管力学模型中充分考虑了地层与套管的相互作用关系,建立了套管与地层相互作用关系模型。分别计算了蠕变地层、理想刚性地层及弹性地层条件下的套管外挤力。通过计算对比,获得了导致套管柱危险井段损坏各种因素的影响情况信息。模型中关于地层与套管之间作用关系的研究结果,完善了目前理论界对该问题研究的不足。通过系统的研究、计算,明确了造成热采井套管损坏的最重要原因是热应力这一重要结论,指出热采井套管损坏问题研究的重点应该是如何减小热应力。对于普通油井的套管损坏问题,地层的蠕变性则是最重要的原因。由于地层的蠕变特性是无法改变的,因此,应从生产工艺、套管材质及套管质量方面研究普通油井套管损坏的对策。另外,对套管轴向应力的研究表明,预应力固井对热采井套管应力状况具有一定的改善效果,但对于不同的井段,施加预应力的大小及方向需要区别对待。(3)为验证本文的计算方法和研究结论,在辽河油田选择了试验井并进行了注蒸汽试验。试验数据处理结果证明,本文的计算方法是正确的,计算结果与试验情况基本相符,同时也符合人们对热采井井筒参数变化规律的一般认识。(4)利用本文的计算方法,对辽河油田正在试验中的真空隔热套管从隔热性能和强度两方面进行了评价。评价结论认为,真空隔热套管井筒的隔热性能要好于目前的井筒;在强度方面,真空隔热套管的内管强度余量偏小,尤其是在注入蒸汽压力较高的情况下,内管破坏的可能性很大,而外管的强度余量较大。由于真空隔热套管具有优良的隔热性能和可以简化蒸汽吞吐采油工艺的特点,只要适当提高内管强度,真空隔热套管技术就会具有广阔的发展前景。本文关于隔热套管井筒的评价,在国内外均属首次进行。必须指出的是,本文是以一口深1000m的热采井为研究对象的,随着井深的增大,作用于套管的各种力的相对大小将发生变化。因此本文的研究结论具有一定的针对性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 我国的石油形势
• 1.1.2 石油及其生产过程
• 1.2 热采井套管损坏问题理论与实验研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及课题来源
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 课题来源
• 1.4 研究策略与技术路线
• 1.5 预期的研究成果
• 第2章 蒸汽吞吐开采过程与套管工况分析
• 2.1 蒸汽吞吐开采过程
• 2.2 蒸汽吞吐采油井井筒结构
• 2.2.1 套管及其主要指标
• 2.2.2 热采井固井过程与套管静态受力分析
• 2.2.3 热采井套管工作条件分析
• 2.3 套管损坏形式与预防对策
• 2.4 本章小结
• 第3章 注蒸汽热采井井筒参数计算方法
• 3.1 基本假设
• 3.2 热采井注汽过程湿蒸汽温度、干度分布计算原理
• 3.3 水蒸气参数计算方法
• 3.3.1 水蒸气饱和温度与压力关系
• 3.3.2 饱和水参数计算
• 3.4 湿蒸汽沿井筒流动过程压力降计算
• 3.4.1 摩擦压力梯度计算
• 3.4.2 惯性压力梯度及重力压力梯度计算
• 3.5 井筒传热过程计算方法
• 3.5.1 井筒传热特点分析
• 3.5.2 地层温度分布
• 3.5.3 井筒传热过程计算原理
• 3.5.4 井筒总传热系数计算方法
• 3.5.5 稠油热采井注蒸汽过程计算程序
• 3.6 本章小结
• 第4章 注蒸汽热采井井筒参数变化规律试验研究
• 4.1 辽河油田某试验井分层注采一次完成工艺施工方案
• 4.1.1 施工目的
• 4.1.2 基础数据
• 4.2 试验井注蒸汽试验数据
• 4.3 井筒参数计算基础数据及计算结果
• 4.4 井筒传热计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 注蒸汽热采井套管应力计算方法
• 5.1 套管柱危险井段力学模型
• 5.2 套管自重压力与内压
• 5.3 作用于套管的外挤力
• 5.4 套管热应力
• 5.4.1 套管热应力计算模型
• 5.4.2 厚壁圆筒热应力问题的一般解
• 5.4.3 套管热应力计算
• 5.5 受均匀内压、外压套管应力计算
• 5.5.1 平面轴对称问题的解
• 5.5.2 内压、外压产生的套管应力及位移计算
• 5.6 套管外挤压力计算
• 5.6.1 蠕变地层条件下的套管外挤压力
• 5.6.2 刚性地层条件下的套管外挤压力
• 5.6.3 弹性地层条件下的套管外挤压力
• 5.7 套管应力合成
• 5.8 套管强度极限
• 5.9 本章小结
• 第6章 套管柱应力计算与新型套管性能评价
• 6.1 套管设计方法简介
• 6.2 API 套管设计理论缺陷
• 6.3 套管柱危险井段的定位方法
• 6.4 危险井段的套管强度极限
• 6.4.1 套管自重应力及内压
• 6.4.2 蠕变地层套管外挤压力
• 6.4.3 刚性地层套管外挤压力
• 6.4.4 弹性地层套管外挤压力
• 6.4.5 套管三轴应力计算
• 6.5 套管应力影响因素分析
• 6.5.1 预应力对套管危险井段应力的影响
• 6.5.2 内压、温度对套管应力的影响
• 6.6 新型套管研究思路
• 6.6.1 真空隔热套管研究概况
• 6.6.2 真空隔热套管对热采井套管损坏问题研究的启示
• 6.7 本章小结
• 结论
• 附录 符号说明
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介