油页岩热采井中套管与水泥环的受力分析

摘要

如今，工业的发达，带来全球能源消费增多，而常规石油生产受到了限制，所以近年来，非常规油气以及油页岩开采成为能源开发的热点。开采油页岩时，需要通过管道注入大量的高温蒸汽，套管-水泥环-地层体系会产生较大的热应力，进而致使套管产生屈服以及水泥环毁坏等现象。 本文在前人研究的基础之上，针对油页岩开采中可能出现的问题，从理论方面对问题进行介绍，以钢材的弹性模量变化以及三维脱粘模型作为创新点，从数值模拟方面对套管-水泥环-地层系统进行分析，主要工作如下： 1 根据传热学以及弹性力学理论，与Mises屈服强度理论，对套管-水泥环-地层模型做出理论背景介绍。 （1）从传热的基本理论出发，做出相关假设，对套管-水泥环-地层系统，进行传热过程涉及到的理论进行介绍。 （2）从弹性力学的角度出发，对套管-水泥环-地层系统做出合理假设，对升温过程中变形方程进行介绍。 2 查找相关的工程资料，确定系统各部分的参数，以求模拟参数贴近实际工程情况。 （1）查找钢材标准，对比各类常见类型的钢材，根据弹性模量以及屈服强度与温度的变化关系，选取最适合的钢材类型P110。 （2）查找地层温度与深度的变化规律，以及其他参数属性。 3二维模型下系统的模拟分析，通过系统的二维模型，分析系统的应力分布以及变形情况。 （1）通过模拟结果与实验结果的对照，确定二维条件下，模拟模型的可信性，模拟结果与实验结果的误差在5%左右。 （2）不同套管偏心度情况下，偏心度的改变对套管以及水泥最大应力的影响几乎忽略不计，但是对水泥的应力分布区域有影响。 （3）不同水泥参数下，水泥环的缺失，对最大最小径向应力的数值影响不大，但是影响最大径向应力的分布区域。水泥弹性模量的增大，会导致水泥环径向应力的增大。 （4）不同地层参数下，结果显示，较差的地层的性质，带来的结果，水泥环的径向应力大幅度加大，容易造成径向应力超过抗压强度这类情况。 （5）不同综合工况下，工况的恶劣程度的加大，造成套管容易产生破坏。 4三维模型下系统的模拟分析：对系统进行三维建模，以相互接触属性为基础，分析在不同温度情况下，套管与水泥脱粘情况。 （1）分析在不同热膨胀系数下，套管与水泥脱粘情况，结果显示，钢材较高的热膨胀系数增大，会导致套管水泥的脱粘现象加剧，同时最低温度为150℃时，套管水泥发生100%脱粘。 （2）分析在不同胶结强度下，套管与水泥脱粘情况，结果显示，较低的胶结强度会导致套管水泥的脱粘现象更为容易，同时较低的胶结强度也会导致套管水泥之间更容易发生脱粘现象。 模拟结果显示，选用高强度钢材，良好的水泥以及注水泥工艺的加强，可以一定程度减小系统的受力情况，实际热采井设计中，也需要考虑地层沿深度的变化情况，较差的地层特性可导致系统容易发生破坏，同时在温度保持在150℃以下，系统较为安全，不容易发生破坏。通过以上模拟研究，为套管-水泥环-地层系统在高温条件下如何保持稳定，提供了一定的建议。

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