防止热采井套管热破坏的预膨胀固井理论与实验研究

论文摘要

稠油是油气资源的重要组成部分,我国稠油资源约占总资源的20%-25%,已探明的储量超过13亿吨。开采稠油有蒸汽驱、蒸汽吞吐和火烧油层等热力法,我国一般以蒸汽吞吐方法为主。热采井在注蒸汽几轮次后常出现套管损坏现象,给油田生产造成巨大的经济损失。本文在对国内外套管损坏现状和预防措施深入分析的基础上,对防止热采井套管损坏的预膨胀固井技术进行了全面研究。首先阐述了稠油开采方式和注蒸汽热采井的井身结构特点,分析了套管受力,并结合热采井套管损坏部位和损坏形式等统计数据,得出了注蒸汽热采井套管损坏的主要原因以及受热应力的主要部位,并对研究模型进行了相应简化。依据在初始状态时就已受到地应力作用的地层上钻井的套管—地层相互作用模型,建立了刚性地层、弹性地层和蠕变地层条件下套管所受外挤力的计算模型。对于固井过程中处于自由膨胀状态下的套管,运用厚壁圆筒平面应力问题理论建立了套管的应力计算力学模型。对于生产过程中受热变形受到固结水泥环限制的套管,运用厚壁圆筒平面应变问题理论建立了套管的应力计算力学模型,以及弹性水泥环和地层的位移计算模型,并根据套管—水泥环—地层围岩接触处的位移协调方程,阐述了不同地层条件下套管外挤力的计算方法。由力学模型计算出了不同注气温度下生产过程中套管的有效应力强度,利用Mises屈服准则分析了热采井套管损坏的力学机理。在前述工作的基础上,完善了预膨胀固井理论模型。建立了采用预膨胀固井技术时以及水泥浆凝固后生产过程中套管应力计算力学模型,由力学模型分析了预膨胀固井技术保护套管的力学机理。通过实际油井数据计算了油井分别采用常规固井、不同预热温度的半预热固井和不同预压压力的预压固井时套管在整个生产过程中的应力和状态,由计算结果分析了防止套管热破坏的比较合理的预热温度和预压压力范围。并根据力学模型设计了不同井深、不同注汽温度下的N-80套管的预压压力值。最后根据稠油热采实际生产情况、简化的研究模型以及预膨胀固井理论要求,设计了室内模拟预膨胀固井实验平台,并进行了水泥浆性能测试、实验用铝管性能测试以及相应的模拟常规固井、半预热固井、预压固井和注蒸汽/生产过程等实验。对比了采用不同固井方式时铝管在实验前后的内径变化情况,分析了预膨胀固井技术对套管变形的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 套管损坏情况
• 1.2.2 套管损坏机理分析
• 1.2.3 套管损坏防治措施
• 1.3 存在的问题及发展方向
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 稠油热采井工况分析
• 2.1 稠油及其开采方式
• 2.1.1 稠油性质
• 2.1.2 稠油分类
• 2.1.3 稠油资源
• 2.1.4 稠油油藏一般地质特征
• 2.1.5 稠油开采方式
• 2.2 套管层次及套管受力分析
• 2.2.1 油井套管层次和套管标准
• 2.2.2 套管受力分析
• 2.2.3 热采井套管受力分析
• 2.3 热采井套管损坏情况及损坏机理
• 2.3.1 套管损坏情况
• 2.3.2 套管损坏机理分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 注蒸汽热采井套管应力计算力学模型
• 3.1 套管柱力学模型
• 3.1.1 套管-水泥环-地层组合系统
• 3.1.2 基本假设
• 3.2 不同地层套管所受外挤力
• 3.2.1 地层与套管相互作用模型
• 3.2.2 刚性地层
• 3.2.3 弹性地层
• 3.2.4 蠕变地层
• 3.3 轴对称平面问题
• 3.3.1 平面问题极坐标方程
• 3.3.2 厚壁圆筒问题的解
• 3.3.3 厚壁圆筒热应力问题
• 3.4 固井过程中套管应力计算力学模型
• 3.4.1 物理模型
• 3.4.2 固井过程中套管应力和应变
• 3.4.3 固井过程中地层围岩位移
• 3.5 生产过程中套管应力计算力学模型
• 3.5.1 温度变化对套管材料性能的影响
• 3.5.2 生产过程中套管应力和位移
• 3.5.3 生产过程中水泥环位移
• 3.5.4 生产过程中地层围岩位移
• 3.5.5 生产过程中套管外挤力
• 3.6 套管强度校核
• 3.7 本章小结
• 第4章 预膨胀固井理论模型
• 4.1 预膨胀固井技术
• 4.2 基本假设
• 4.3 预膨胀固井理论模型
• 4.3.1 基本力学公式
• 4.3.2 预膨胀固井过程中套管内应力和应变
• 4.3.3 预膨胀固井过程中地层围岩位移
• 4.3.4 生产过程中套管内应力和应变
• 4.3.5 生产过程中水泥环位移
• 4.3.6 生产过程中地层围岩位移
• 4.3.7 生产过程中套管外挤力
• 4.3.8 强度校核
• 4.4 示例计算
• 4.4.1 常规固井
• 4.4.2 半预热固井
• 4.4.3 预压固井
• 4.5 套管预压压力设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 预膨胀固井技术实验研究
• 5.1 实验装置整体方案设计
• 5.2 实验装置设计
• 5.2.1 模拟井筒
• 5.2.2 加热系统
• 5.2.3 加压系统
• 5.2.4 冷却系统
• 5.3 实验水泥工艺
• 5.3.1 实验用油井水泥
• 5.3.2 油井水泥外加剂的选取
• 5.3.3 实验仪器
• 5.3.4 水泥浆性能测试
• 5.4 实验及结果分析
• 5.4.1 铝管性能测试
• 5.4.2 铝管安全系数计算
• 5.4.3 实验操作
• 5.4.4 实验结果分析
• 5.5 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