稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究

摘要

在油田的开发过程中，采油套管损坏给油田造成了巨大的经济损失。通过对油田现场稠油热采井套管的主要破坏形式和部位特点的调研分析，结合稠油热采井油层出砂严重等特点，采用理论分析、数值计算的方法，研究了稠油热采井在不同的热采措施下引起套管损坏的机理及预防措施。 以地层．水泥环．套管组合系统为研究对象，根据弹性力学理论，分析了套管、水泥环在理想状况下受非均匀地应力和均匀内压共同作用时的承载特性，给出了油井生产过程中套管壁上的应力分量计算表达式。进而揭示了水泥环的弹性模量、壁厚及套管壁厚等因素对套管和水泥环受力分布的影响规律。以泥岩蠕变地层为例，阐明了流变地层中套管容易发生破坏的原因。 基于普氏自然平衡拱理论，考虑套管与地层的相互作用，通过对油层出砂引起的空洞形态分析，给出了油层出砂形成空洞后淘空段套管所受轴向力的计算公式。从而建立了套管失稳破坏与出砂量之间的关系，并分析了不同的钢级和壁厚对套管发生失稳破坏时出砂量的影响。 将水泥环及围岩对套管的约束处理成沿套管轴连续分布的径向弹簧约束，通过近似的三维解析计算，推导了由于地层下陷附加于套管的应力计算表达式。同时考虑地应力、地层下陷附加于套管的应力，以及注汽过程中的热应力，建立了常规井和热采井中由于地层下陷对套管应力影响的分析方法。 根据弹性力学理论，推导了套管在热应力和非均匀地应力作用下的三轴应力计算表达式，以使得套管的有效应力控制在其相应温度下的最小屈服极限内为原则，建立了一套适合稠油热采井的套管柱三轴预应力计算方法及套管柱强度设计校核方法。通过研究成果的现场应用，验证了所建立的分析理论及应用方法的可靠性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

创新点摘要

第1章引言

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状及进展

1.3目前存在的问题及本文的研究内容

第2章套管损坏的现场统计及出砂井套损原因分析

2.1辽河油田特油公司油井出砂及套损情况统计

2.2出砂井套管损坏原因分析

2.3本章小结

第3章非均匀地应力作用下套管柱的受力分析

3.1地层水泥环套管组合系统力学模型

3.2泥岩蠕变对套管损坏的影响分析

3.3算例分析

3.4本章小结

第4章注蒸汽井井筒的温度场、应力场数值计算

4.1不同隔热措施下注蒸汽井井筒的温度场

4.2不同隔热措施下注蒸汽井井筒的应力场

4.3本章小结

第5章油层出砂空洞引起套管损坏的力学分析

5.1油层出砂形成空洞后对套管损坏的力学分析

5.2油层出砂形成空洞后造成套管损坏的原因分析

5.3算例分析

5.4本章小结

第6章地层下陷引起套管损坏的力学分析

6.1地层下陷作用于套管柱的应力分析

6.2热采井注汽过程中套管热应力分析

6.3地层下陷作用于套管柱的强度分析

6.4算例分析

6.5本章小结

第7章水泥环缺失对套管损坏的影响分析

7.1水泥环缺失系统有限元模型

7.2均匀地应力条件下水泥环缺失对套管应力的影响

7.3非均匀地应力条件下水泥环缺失对套管应力的影响

7.4本章小结

第8章稠油热采井套管的三轴预应力设计

8.1套管单轴预应力设计

8.2套管三轴预应力设计

8.3算例分析

8.4本章小结

第9章稠油热采井套管柱强度设计校核方法

9.1固井及吞吐周期不同阶段套管柱受力分析

9.2稠油热采井套管的强度校核

9.3稠油热采井套管柱强度设计方法

9.4热采井套管柱强度设计及校核方法的现场应用

9.5本章小结

第10章结论与建议

10.1主要结论

10.2几点建议

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果