地层和水泥环弹性模量对套管强度的影响分析

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,推导了热应力和非均匀地应力作用下套管壁上的三轴应力计算公式,并研究了热采井和常规非热采井中不同地层、水泥环弹性模量对套管强度的影响规律。研究结果表明,随着水泥环弹性模量的增加,套管内壁Mises应力先急剧增加,后呈缓慢下降趋势;在套管Mises应力达到最大值之前,降低水泥环的弹性模量,可以对套管起到明显的保护作用,这一点对于热采井注汽期间的套管保护效果更加显著;地层弹性模量越大,常规井中套管内壁的Mises应力值越小,而热采井注汽过程中套管内壁的Mi-ses应力值则越大。     

热采井套管与水泥环胶结质量监测评价技术研究应用

通过研究热采井注汽后套管、水泥环的损坏程度,综合理论模拟,建立了一套热采井套管与水泥环胶结质量监测评价系统,为热采井套管与水泥环质量预防、监测、修复提供技术保障。     

套管与水泥环内压下热弹塑性分析

在一定的注汽压力下, 随着热蒸汽的注入, 热采井中套管与水泥环的温度逐渐升高, 特别是封隔器失效及注汽段处, 套管与水泥环的温度甚至可达３ ５ ０ ℃, 产生的热应力足以使水泥环发生塑性变形而失效。当水泥环降至初始温度（ 注汽前） 时, 就会产生永久的塑性变形。文章运用弹塑性力学以及热力学基本理论, 建立了套管 －水泥环耦合模型, 分析了套管与水泥环的应力分布, 推导了冷热膨胀后水泥环内部的塑性变形方程, 并以辽河油田常规注汽以及油井参数为例, 借助 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 及 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ软件确定各项参数, 得出了不同隔热方式下交界面处的微间隙值, 为防套损及井下气窜提供了理论依据。     

热采井预压固井技术

计算表明，注蒸汽稠油井如果用常规方法固井，在通常的注汽温度下，套管都因热应力而产生屈服变形。目前现场常用的防止套管热破坏方法不能从根本上解决问题。提出了热采井预压固井技术，即在注水泥结束后，向油层套管施加压力，使套管膨胀。计算实例表明，采用预压固井技术后，热采井在整个生产周期内，套管不但正常，而且还有较大的安全系数。给出了热采过程中，套管内应力的计算模型。     

稠油注蒸汽热采井套管柱预应力松弛效应分析

为了验证提拉预应力固井技术是否适合井深小于1 000 m的稠油热采注汽井,在280℃的高温蒸汽作用下,对热采N80H和普通N80Q两种套管进行了应力松弛试验;建立了套管-水泥环-地层全井筒平面有限元模型,进一步说明预应力固井技术在浅层稠油热采井中的作用。分析结果表明,稠油热采井在长期高温注蒸汽作业过程中,因管体应力松弛现象而致使预拉力失效;在高温作用下套管上施加的预拉力经过一定时间后会降低;提拉预应力固井对浅层稠油热采井没有效果,不能预防热应力导致的套管失效,建议在浅层稠油热采井中不采用预应力固井技术。     

基于有限元法的热采井套损机理研究

注汽井套管既受到注汽温度所产生的热应力的影响,又受到套管、水泥环和岩层等结构应力的影响。文章对注汽井套管的失效机理和原因进行分析,归纳总结影响失效的因素;然后利用ANSYS软件建立了套管、水泥环和岩层系统的热—结构耦合的二维平面有限元分析模型。研究了参数变化对热-结构耦合的套管强度的影响。分析结果表明,在小于14mm之前套管壁厚增加会明显降低套管最大峰值应力,此后套管壁厚增加套管最大峰值应力下降速度会减缓。仅从热膨胀角度来看,套管最大峰值应力随蒸汽温度增加而增加。310°C以后套管最大峰值应力随蒸汽温度增加会加剧。     

稠油热采井套管保护技术研究

针对蒸汽吞吐时发生汽窜、地层出砂及水泥环破裂掏空的情况，利用ANYSIS有限元分析的数值模拟，对井筒热应力和热膨胀进行了分析。注蒸汽井间发生汽窜时，易诱发地层出砂，最大热应力都发生在套管内壁，且超过了N80套管的热弹性屈服极限，最大热膨胀都发生在温度变化过渡区，是诱发热采井套管变形损坏的主要原因。套管周围地层掏空时，其热应变达到了2％，远超过材料弹性极限应变的0．3％，是热采井套管变形损坏的主要原因。提出套管保护对策，并开展了4项相应防治技术先导试验，取得了较好的保护套管效果，形成了稠油热采井套管保护配套技术。     

热采井套管的材料温度效应及应力分析研究

考虑套管材料力学性能的温度效应，采用非线性力学中的全量和增量计算方法，建立了热采井套管三轴应力计算模型，举例对比分析了不考虑水泥环／地层影响的轴向应力和考虑水泥环／地层影响的三轴应力，以及所需要施加的预应力值，并计算了热采井套管所能承受的极限温度。由研究得出结论：(1)考虑水泥环／地层影响后，套管因温升引起的应力变化为三轴应力，环向应力较大，而径向应力足以挤毁套管；(2)考虑弹性模量随温变化后，套管热循环应力出现非线性，应采用增量方法计算热应力；(3)准噶尔西北缘百重7井区大量套管损坏的主要原因是注汽强度(温度)过高，超过了所用套管的强度极限。     

热采井高温对套管强度的影响

注蒸汽热采技术已广泛应用于提高重质油的采收率。在注蒸汽期间, 井下高温使管柱产生附加热应力, 从而可能使其发生塑性屈服、 变形、 断裂或屈曲。热采井中套管的失效几率非常高, 研究套管柱在较高压力的高温蒸汽以及外围的地应力共同作用下的应力分布规律, 对于评估套管的服役状况, 提高套管设计的安全性, 从而减少套管的失效几率具有重要意义。文章根据套管 －水泥环 －地层体系受力情况建立了平面力学分析模型, 根据位移的连续条件求解了管柱与水泥环间的接触应力, 探讨了注气条件下井筒温度的分布情况, 分析了热采井中管柱所受三轴热应力的分布。算例分析结果表明, 三轴热应力值远大于管柱实际的屈服强度, 从而使管柱发生屈服破坏, 为减小热应力对套管寿命的影响, 应合理选择注气参数并合理设计管柱。     

注蒸汽井的温度场及其套管的热应力

利用有限元法分析了注蒸汽井的不稳定温度场及其热应力,并着重给出了螺纹和水泥未封固到井口的热力干扰影响。为了热采井汽钻井工艺设计的需要,本文还详细地分析了封隔器失效、井深H、环空厚度△r、弹性模量E(T)、注蒸汽温度Tf对套管热应力σZ的影响,并绘制了相应的关系曲线,提供了数值计算软件。     

高温斜直热采井管柱热屈曲探讨

针对在高温热采井中热应力对套管强度的影响,考虑了在空套段或水泥胶结差的井段可能由于热效应而导致的管柱屈曲,提出了热屈曲的概念。建立了计算热屈曲的模型,推导了发生正弦热屈曲或螺旋热屈曲的轴向力与屈曲半波数的关系以及临界温度。计算了两种屈曲情况下屈曲的弧长,求得了热屈曲的最大幅值与平均螺距。结合算例计算与分析,得出了当注气温度超过一定温度时,会导致位于水泥胶结质量差的井段的套管发生正弦屈曲而先期损坏的结论,对于热采井中注入蒸汽参数的选择和套管的维护具有一定的理论指导意义。     

Thermal Buckling of Casing in a Slanted Thermal Production Well

Abstract

Severe thermal load to the casing that results from steam injection operation can cause casing failure. This article describes thermal buckling caused by thermal loading in a poor cement-bonding section or cement empty section. The concept of thermal buckling and a thermal buckling model are presented. The relation between sinusoidal or helical buckling with the number of buckling half-waves and critical temperature is developed. The arc length of sinusoidal and helical buckling are calculated, and the maximum amplitude and average helical pitch are found combined with the result of casing elongation by thermal effect. The conclusion that the casing located in a poor cement-bonding section or cement empty section was predamaged due to severe thermal buckling caused by high temperature is proposed. This conclusion has a guide to the parameter selection of steam injection and casing maintenance in a steam injection production well.     

热采井套管三轴预应力设计分析

传统热采井套管预应力设计的基本原则是根据虎克定律，将施加于套管的预应力与套管升温后的轴向热应力叠加，使其控制在相应温度下套管许用的最小屈服极限以下。由于固井水泥环和围岩的作用．套管升温后存在三向热应力，利用对套管施加轴向预应力来降低套管的轴向热应力，使得套管的热有效应力控制在相应温度下套管许用的最小屈服极限为原则，得到热采套管三轴预应力设计方法，采用2种设计方法对NSO、P110钢级套管进行预拉力设计，得到2种钢级套管不同井深位置预应力的临界温度。     

稠油热采井套管的预应力分析

以暴露于热蒸汽中的目的层套管为研究对象,根据弹性力学理论,首先给出了套管在热应力和非均匀地应力作用下的三轴应力表达式,然后利用对套管施加预应力来降低套管的轴向热应力,使得套管的有效应力控制在相应温度下套管的最小屈服极限内为原则,得到了热采井套管三轴预应力设计方法,并对辽河油田常用的N80钢级套管进行了预应力设计分析,给出了该套管在不同注汽温度和井深条件下所应使用的径厚比及相应的预应力值。研究表明,拉预应力在一定范围内有利于提高套管的安全性,传统的单轴预应力设计方法具有明显的缺陷,建议以后稠油热采井在进行预应力设计时应考虑热应力和实际非均匀地应力的共同作用,以及油层出砂对套管产生的影响。     

Casing cementing with half warm-up for thermal recovery wells

Thermal recovery is a very common and effective method for producing heavy oil. Casing failure is a very serious problem in thermal recovery wells. In some oilfields, more than 95% of thermal recovery well's casing was failed due to thermal stresses. In the steam injection process, the casing is heated by steam. Change of casing temperature produces thermal stresses in the casing. The casing deforms when stresses exceed yield point of its material. If using conventional cementing technology for thermal recovery wells, the casing deforms due to thermal stresses in steam injection process. Technologies conventional used to protect the casing from failure for thermal recovery wells are ineffective theoretically. Casing cementing with half warm-up for thermal recovery wells refers to heat payzone production casing to a certain temperature and makes it expand in cement slurry solidifying period. Calculations show that casing cementing with half warm-up performs greater safety coefficient during the whole production cycle and no plastic deformation. This technology will be an important method to prolong thermal recovery well's casing life.     

热采井套管损坏机理及防治技术--以单家寺油田为例

热采井经多轮次蒸汽吞吐后套管易疲劳损坏是稠油油藏开发过程中普遍存在的问题。通过对单家寺油田现场调查分析，找出了热采井套管损坏的基本规律，重点对油层出砂及注汽时对套管的损害机理进行研究，并采用有限元数值模拟方法分析了高真空隔热管注汽时对井筒热应力场的影响规律。开发了热采井防砂、环空充氮、采用新型热敏封隔器等防治技术，现场应用取得了较好的效果。通过综合防治，单家寺油田油井套损率已由2000年的0．33％下降到2003年的0．16％。     

稠油热采井套管损坏机理及套管挂片技术实验

针对蒸汽驱采油过程中套管长期处于高温高压状态导致套管损坏现象频繁等问题,统计分析辽河油田齐40块蒸汽驱套管损坏状况,对套管损坏过程进行力学和热力学研究.研究结果表明:油井注汽时,套管温度升高,产生热膨胀力,热膨胀力随温度升高而增大;当热膨胀力大于套管固井胶结阻力时,套管挣脱水泥环自由伸缩,同时在两者接触面产生斜面效应,...     

稠油热采井注汽及油层出砂对套管的影响

对胜利油田单二区块稠油热采井注汽及油层出砂进行了有限元数值模拟研究,得出如下结论:(1)油层注汽引起岩层温度升高,套管应力增加,易造成套管轴线偏离,发生错断;(2)热采井出砂严重时,出砂区域地层软化,地层骨架失去承载能力,出砂区域内套管轴向应力为压应力,当超过极限应力时,易发生套管弯曲变形、错断和缩径;(3)随着出砂量的增大,套管射孔孔眼应力集中系数增大,当孔边应力达到套管材料的屈服极限时,会导致孔眼塑性破坏。     

基于残余应力的热采井套管安全评价分析

针对热采井中套管接头螺纹发生漏失和滑脱现象,采用有限元数值模拟,得到井筒的温度场分布,将温度场导入到应力场中计算套管残余拉应力与吞吐周期的变化规律,并进行曲线拟合,建立了适合于蒸汽吞吐过程中套管残余应力评估的关系式;结合套管的剩余强度和极限剩余强度对套管进行了安全评价。该研究结果为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供了理论依据。