基于热流固耦合注水地层及套管损坏分析

论文摘要

在石油开采和钻井过程中,渗流、应力以及温度的相互耦合作用是影响油田开采的重要因素,三者的相互作用和相互关系构成了热流固耦合的基本关系。近年来,我国油田套损井数呈急剧上升趋势,像大庆油田、吉林油田和胜利油田等都发生了不同程度的套损。据统计,90 %以上的套损问题与现代地应力、流体压力和温度有直接或间接的关系,套管井损坏问题是提高原油产量以及降低成本的主要问题。因此研究注水地层流体压力和地应力以及温度对于防止套损具有重要的现实意义。注水地层在热—流—固耦合的过程中,温度、液体、岩层三者之间通过压强、位移、时间建立了一种耦合的关系。温度与流体压力导致岩层变形;岩层变形与流体渗流导致温度变化;岩层变形与温度导致储渗特性和孔隙流体压力的改变从而影响流体渗流。本文利用循序渐进的方法,从二维弹性和弹塑性以及三维弹性和弹塑性出发,综合研究注水地层在热流固耦合作用下的变形情况。将渗透率、孔隙度、密度等这些量看成是随时间和压强变化的物理量,在连续性方程、能量方程和运动方程的基础上,建立了热流固耦合的数学模型。即变形场和温度场耦合作用下的渗流场控制方程;渗流场和温度场作用下的变形方程;渗流场和变形场作用下的温度控制方程。在此基础上,推导了热流固耦合问题的弱解形式,并通过有限元软件,对二维和三维不同情况下热流固耦合注水地层的变形情况进行了模拟和仿真。仿真的结果表明:油田套管的变形与损坏和注水地层的热流固耦合作用有着密切的关系;由于在注水驱油过程中,在盖层与油层的交结面处地应力变化最大,因此在此处发生套损的概率最大;对于套管本身,射孔段是薄弱环节,也是地应力集中的所在,因此,此处也是易发生套管损坏。论文最后通过对套管模型变形的分析,提出了油田套管的设计缺陷以及防止套损的措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 流固耦合与热流固耦合
• 1.1.2 套损
• 1.2 问题提出的意义和重要性
• 1.3 研究的工作及主要成果
• 第二章 注水地层热流固耦合数学模型
• 2.1 注水地层热流固耦合模型介绍
• 2.2 注水地层热流固耦合基本理论
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 基本方程
• 2.3 注水地层热流固耦合模型建立
• 2.3.1 应力控制方程
• 2.3.2 渗流控制方程
• 2.3.3 温度控制方程
• 本章小结
• 第三章 热流固耦合数学模型求解
• 3.1 微分方程弱解形式
• 3.2 热流固耦合模型定解条件
• 3.3 FEPG 有限元软件介绍
• 3.4 二维热流固耦合模型
• 3.4.1 二维弹性热流固耦合模型
• 3.4.2 二维弹塑性热流固耦合
• 本章小结
• 第四章 三维仿真及套管损坏分析
• 4.1 三维渗流模型
• 4.1.1 三维稳定渗流模型
• 4.1.2 三维不稳定渗流模型
• 4.2 三维弹性热流固耦合
• 4.2.1 三维弹性热流固耦合有限元
• 4.2.2 三维弹塑性热流固耦合有限元
• 4.3 套管损坏研究
• 4.3.1 油田套管的缺陷
• 4.3.2 三维弹性及弹塑性套管模拟实验研究
• 4.3.3 防止套管损坏的措施
• 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 总结
• 5.2 成果
• 5.3 展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要