稠油热采井套管应力分析

摘要

我国稠油资源十分丰富，在稀油资源日益紧缺的今天，对稠油开采越来越重视，但在稠油开采过程中出现大量的套管损坏问题严重制约了稠油的开采。本文研究热采井井筒内部应力分布情况，分析各种固井方案的使用效果和套管损坏的原因，这对防止套管损坏和热采井的套管设计有着重要的意义。 本文模拟套管在井下真实受力情况，建立了井筒实体模型。在注汽阶段，井筒受到地应力、注汽压力和井筒受热膨胀产生热应力的作用。为得到井筒内部应力分布，本文首先对热采井井筒的载荷进行求解，包括使用Orkiszewski法对井筒内蒸汽流态的判别，建立传热模型求解井筒温度场，应用黄荣樽模型求解地应力。在准确求解载荷的基础上，分别对现阶段在稠油热采井中常使用的常规固井、预应力固井和使用热应力补偿器方式，利用有限元软件ANSYS对井筒模型进行应力数值模拟求解。通过分析数值结果，发现使用常规设计的套管在常规固井情况下套管在封隔器以下均发生不同程度的屈服；使用预应力固井和使用热应力补偿器的方法可以使套管在注汽阶段处于弹性状态，但安全余量很小；使用了保护套管措施后均不同程度恶化了水泥环与地层应力状况。在研究如何防止套管损坏措施时，发现所有的热应力计算都仅考虑套管的单轴热应力对套管的影响，这样的设计明显不够精确。 本文建立了一套应用双向应力椭圆的对套管进行双轴预应力方法，通过数值模拟对使用效果进行验证。通过分析数值结果发现，使用双轴预应力设计的套管有更大的使用安全系数，不过也有与其它预应力方法相同的缺点，双轴预应力设计同样恶化了水泥环与地层的应力状况，为保证套管的正常使用，还要使用高强度水泥。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1课题的来源及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外热采井套管损坏机理研究现状

1.2.2国内外热采井套管损坏控制技术研究现状

1.3目前存在的主要问题

1.4论文主要研究内容

第二章注汽阶段管内流体流态的判别

2.1流动形态的划分

2.2平均密度及摩擦损失梯度的确定

2.2.1泡流

2.2.2段塞流

2.2.3过渡流

2.2.4雾流

2.3本章小结

第三章注汽后期井底温度场

3.1隔热油管段井筒内蒸汽物性参数求解

3.1.1井筒热传递数学模型

3.1.2地层内非稳态传热模型

3.1.3井筒热传递模型的求解

3.1.4井筒中蒸汽压力和干度变化模型

3.1.5油管内蒸汽参数的确定与验证

3.2注蒸汽时的油层温度场

3.2.1注入层中的传热机理及温度场模型的建立

3.2.2油层温度场求解实例

3.3本章小结

第四章地应力的计算方法研究

4.1确定求解地应力方法

4.1.1垂向地应力的确定

4.1.2水平地应力的确定

4.2应用声波测井求取岩石力学性能参数

4.2.1横波时差的计算

4.2.2动态弹性参数的计算

4.2.3岩石强度分析

4.3实例分析

4.4地应力沿垂向分布

4.5本章小结

第五章常用固井方式下热采井套管应力分析

5.1热采井套管应力有限元计算模型

5.1.1模型假设条件

5.1.2模型概述

5.1.3工况条件

5.1.4模型物性参数

5.1.5载荷及约束

5.2常规固井套管应力分析

5.2.1有限元计算结果及分析

5.2.2常规固井套管应力分析结论

5.3预压固井套管应力分析

5.3.1施工工况

5.3.2有限元计算结果及分析

5.3.3预压固井套管应力分析结论

5.4提拉预应力固井套管应力分析

5.4.1套管提拉力的计算

5.4.2有限元计算结果及分析

5.4.3提拉预应力固井套管应力分析结论

5.5使用热应力补偿器套管应力分析

5.5.1安装位置

5.5.2有限元计算结果及分析

5.5.3使用热应力补偿器套管应力分析结论

5.6本章小结

第六章套管双轴预应力设计及应力分析

6.1套管载荷分析

6.1.1内压载荷

6.1.2外挤载荷

6.1.3轴向载荷

6.2套管双轴预应力设计

6.2.1常规固井注汽阶段套管载荷

6.2.2预应力方案选择

6.2.3井口提拉力计算

6.2.4套管双轴预应力设计实例

6.2.5双轴与单轴预应力对比分析

6.3使用热应力补偿器的套管双轴预应力设计

6.3.1水泥环台肩对套管柱的轴向阻力

6.3.2水泥环摩擦力对轴向力的影响

6.3.3设计实例

6.4不同方案下的效果比较

6.4.1盖层处套管应力比较

6.4.2盖层处水泥环与地层内部剪应力沿径向分布比较

6.4.3产层处套管应力比较

6.4.4产层处水泥环与产层内部剪应力比较

6.4.5结果分析

6.5本章小结

结 论

参考文献

致谢