套管损坏的力学计算与判定

论文摘要

套管损坏问题是世界范围亟待解决的难题。国内外许多学者对套管损坏问题进行了多方面的研究,但是均无法从根本上解决套管损坏问题。通过套管损坏机理的分析可以得出套管损坏问题实质是套管损坏力学计算与判定问题。套管损坏力学计算与判定不仅与原始地应力分布状态、地层岩体和流体渗流场的流固耦合作用存在紧密的关系,而且还涉及到储层产生的应力重新分布直接对套管、水泥环产生外挤应力作用的载荷计算与该载荷下的套管损坏的屈服强度判定问题。本文在全面分析国内外的套管损坏井现状、套管损坏原因、机理和套管损坏井类型以及套管损坏井影响因素的基础上,着重研究了套管损坏井区域的应力场;引入流固耦合理论建立地应力及流体压力数学模型;建立反映套管损坏井在复杂地质条件下的力学模型,应用非线性力学分析的有限单元法进行求解计算;建立外挤载荷作用下的套管和水泥环应力计算模型,分析套管强度影响因素,建立产生套管附加应力的数学模型;建立套管屈服强度的力学判定计算模型。该论文的研究合理地解释套管损坏的机理,为套管设计提供理论依据,为建立套管损坏判定标准奠定坚实的基础。对影响套管损坏的地质和工程因素进行分析得出泥岩吸水蠕变和岩体的膨胀、岩体地层出砂、高压注水以及断层活动和地层活动为套管损坏主要地质影响因素;井网部署、固井完井作业以及套管材质强度为主要的工程影响因素。建立了垂直地应力和水平地应力计算模型和井眼周围应力分布的数学模型。建立套管损坏井周围二维和三维的流固耦合数学-力学模型,运用有限元法求解得出流体地层压力发生变化时,初始状态的岩体的变形和应力变化比较显著,随着时间的推移逐渐趋于平稳,即初始阶段是导致套管损坏井产生的主要阶段;应用三维线弹性流固耦合模型和弹塑性流固耦合模型进行有限元模拟计算得出了储层和套管的应力变化和变形,计算结果与实际情况吻合较好。建立射孔作用条件下的套管-水泥环应力模型,分析了射孔下套管和水泥环的应力分布规律,以及孔眼形态对应力的影响。油层出砂在套管周围砂岩形成局部空洞而产生附加应力,本文建立油层出砂条件下套管-水泥环的应力模型,运用力学模型分析了油层出砂导致套管易损坏的原因。泥岩蠕变过程中,泥岩产生位错而滑动,建立泥岩蠕变损伤本构模型,分析了泥岩蠕变导致套管损坏的原因。建立泥岩地层条件下的套管力学本构模型。分析水泥环对套管抗挤强度的影响程度,有限元计算结果表明,水泥环的弹性模型减小,套管在相同外载条件下的应力增大。建立套管抗挤强度的力学判定模型,考虑到在套管下放之后、未固井之前,自由悬持于钻井液中的套管在自身重力、浮力等应力的作用下,发生轴向拉伸和径向压缩,在太和-建增抗挤强度标准的基础上推导了新的套管屈服力学判定标准。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 套管损坏状况分析
• 1.2 套管损坏研究
• 1.2.1 套管弯断损坏研究
• 1.2.2 套管挤压缩径损坏研究
• 1.3 套管损坏计算模型研究与发展现状
• 1.4 问题的提出及研究意义
• 1.5 本文研究思路及研究内容
• 第2章 油田套管损坏机理
• 2.1 套管力学损坏形态及分析
• 2.2 套管损坏机理
• 2.3 本章 小结
• 第3章 套管损坏井区域应力场研究
• 3.1 地应力模型建立
• 3.1.1 垂向地应力确定方法
• 3.1.2 水平地应力确定方法
• 3.1.3 地层构造应力系数确定
• 3.1.4 确定垂向应力计算公式
• 3.1.5 确定水平地应力计算公式
• 3.2 本章 小结
• 第4章 岩石储层流固耦合分析
• 4.1 流固耦合理论模型
• 4.1.1 两相流固耦合Eulerian 型数学模型
• 4.1.2 饱和油水两相渗流数学模型
• 4.1.3 饱和油水两相渗流模型的简化
• 4.2 二维轴对称弹性流固耦合模型
• 4.2.1 二维轴对称弹性流固耦合模型
• 4.2.2 实例计算
• 4.3 二维轴对称弹塑性流固耦合模型
• 4.3.1 二维轴对称弹塑性流固耦合模型
• 4.3.2 实例计算
• 4.4 三维单相可压缩液体稳定渗流数学模型
• 4.4.1 三维单相可压缩液体稳定渗流数学模型
• 4.4.2 三维单相可压缩液体不稳定渗流数学模型
• 4.4.3 三维线弹性流固耦合模型及有限元计算
• 4.4.4 三维弹塑性流固耦合模型及有限元计算
• 4.5 本章 小结
• 第5章 套管力学分析与计算
• 5.1 套管与水泥环受力分析
• 5.1.1 套管与水泥环力学分布
• 5.1.2 有水泥环作用下套管强度计算
• 5.1.3 套管水泥环组合强度计算
• 5.1.4 水泥环对套管抗挤强度的影响程度
• 5.1.5 套管水泥环组合抗挤强度弹性分析
• 5.2 套管强度影响因素分析与计算
• 5.2.1 射孔对套管--水泥环强度的影响
• 5.2.2 泥岩蠕变损伤对套管--水泥环所受应力的影响
• 5.2.3 油层出砂对套管--水泥环所受应力的影响
• 5.3 固井水泥环对套管强度的影响分析
• 5.3.1 固井水泥环不完善影响套管承载能力
• 5.3.2 套管-水泥环不居中套管的强度分析
• 5.3.3 水泥性质对套管抗均布外载的影响
• 5.3.4 不同纤维含量水泥环对套管受力影响
• 5.4 本章 小结
• 第6章 套管损坏力学判定标准
• 6.1 API 挤毁压力计算理论
• 6.2 套管抗挤强度新计算公式
• 6.2.1 套管抗挤强度模型建立与求解
• 6.2.2 套管缺陷的修正
• 6.2.3 套管变形对其抗挤强度的影响
• 6.2.4 对比分析
• 6.3 套管损坏力学判定标准研究
• 6.3.1 套管强度减弱系数
• 6.3.2 套管损坏力学判定标准
• 6.4 本章 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要