页岩气井压裂工况下套管柱安全评价研究

摘要

近两年来，由于原油价格降低及经济下滑，全球油气产业遇到了前所未有的挑战，页岩气几乎把全球推向了一个新的能源时代，然而在页岩气开采过程中，由于页岩岩石性质和矿石成分复杂，脆性矿物组成比例高，压裂作业实施中压裂所用液体积大等特点，经常导致地层产生脆性开断而生成网状岩体裂缝，此时套管承受了水泥环、页岩和孔隙压力的不均载荷，从而使套管受到挤压、剪切和弯曲载荷的作用，导致套管发生损坏或者失效影响页岩气的正常生产。因此研究页岩气井压裂工况下套管的失效因素以及预防、治理措施对保障页岩气井持续顺利生产及套管安全尤为重要。 本文针页岩气井压裂工况条件下的套管工作状态做了以下研究工作。首先，对套管的受力情况以及失效模式进行了分析、总结，并给出了套管可靠性评价方法；其次，对压裂过程中出现的地层裂缝情况下套管进行数值模拟分析，主要研究地层裂缝、套管所处地层深度下的套管内壁所受应力强度，得到了套管内壁沿地层裂缝方向的受力强度变化云图，套管截面径向位移曲线及椭圆度；再次，针对体积压裂过程中页岩岩石性质及矿物组成多变，矿物脆性比较高，使得地层表现出不稳定的力学参数的情况，分析了套管在不同岩石情况下以及不同水泥环质量下的受力强度，得到了套管在不同岩层参数下的受力云图、受力强度变化曲线，以及套管径向位移变化曲线；此外，还对水泥环偏心情况下套管的受力状态进行了分析，得到了不同偏心度下套管的受力强度变化曲线，云图，套管此时的径向位移和椭圆度；最后，基于可靠性理论方法，结合ANSYS有限元软件的Monte-Carlo 随机模拟方法，对套管可靠性进行定量分析研究。通过判断套管各随机输入变量对套管可靠性影响程度的灵敏度，可以知道各个随机输入变量对套管可靠性的影响作用，这对以后的深井套管强度的可靠性分析具有一定的参考意义。

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摘 要

Abstract

第一章 绪 论

1.1 研究目的与意义

1.2 套管损坏因素研究现状

1.2.1 油田套管损坏现状

1.2.2 套管安全可靠度研究现状

1.3 套管损坏因素和损坏形态

1.3.1 套管损坏因素

1.3.2 套管损坏形态

1.4 研究目标及内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术路线

第二章 页岩气井套管失效模式及受力分析

2.1 套管失效模型及受力分析

2.1.1 套管强度破坏

2.1.2 套管疲劳破坏

2.1.3 套管管柱受力分析

2.1.4 有效内压力载荷

2.1.5 有效轴向载荷

2.1.6 套管综合受力分析

2.2 页岩气井套管柱安全评价

2.3 本章小结

第三章 页岩气井地层裂缝对套管的影响

3.1 页岩气井套管地层缺陷大小不同有限元数值模拟分析

3.2.1 有限元模型建立

3.2.2 套管下方不同地层裂缝有限元数值模拟分析

3.2 地层裂缝长度对套管应力强度的影响

3.3.1地层裂缝长度为1m时有限元数值模拟分析

3.3.2地层裂缝长度为0.6m时有限元数值模拟分析

3.3.3地层裂缝长度为0.5m时有限元数值模拟分析

3.3 本章小结

第四章 地层性能及固井质量对套管的影响

4.1 地层岩石性能下降对地层裂缝地层套管失效的影响

4.2 固井质量对套管失效的影响

4.2.1 水泥环力学性能

4.2.2 水泥环偏心

4.3 本章小结

第五章 压裂工况下套管安全可靠性分析

5.1 页岩气井套管可靠性分析

5.1.1 套管抗外挤强度概率分析

5.1.2 套管抗内压强度概率分析

5.1.3 基于Monte-Carlo方法的套管可靠度计算

5.2 基于Ansys的页岩气井套管可靠性分析

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致 谢