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。     

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。     

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。     

注蒸汽井套管的热应力数值分析

利用ANSYS有限元软件的耦合场分析功能,通过模拟现场热采工况,开展了稠油注蒸汽井井筒的温度场、应力场数值模拟研究。结果表明,采用隔热性能较好的隔热油管不仅能够大大减少井筒的热损失,增加注汽效果,而且可以使套管壁温度和套管Mises应力大幅降低,从而有效地保护套管,使其不发生强度破坏;注汽过程中施加预应力,可使套管达到屈服时的注汽温度升高,这对套管具有一定的保护作用。模拟研究结果为制定合理的注蒸汽井套管损坏预防措施提供了依据。     

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。     

水泥环周向缺失的热采井井筒热应力耦合分析

为研究热采井中水泥环周向局部破坏对套管力学性能的影响，利用ABAQUS软件建立了水泥环圆周方向上不同缺失程度的有限元模型，研究了在蒸汽吞吐过程中，套管应力、位移的变化规律。分析结果表明:由于水泥环周向上的缺失，在井筒中产生的温度分布不均，使得水泥环缺失部分的套管外壁温度和井壁温度低于水泥环完好部分的套管外壁温度和井壁温度；水泥环缺失程度对套管上的等效应力峰值影响较大，随着水泥环周向缺失程度的增大，套管上产生的Von Mises等效应力峰值逐渐减小；水泥环周向缺失程度为30°时，套管径向变形较大，随着水泥环周向缺失程度的增大，套管径向变形随之减小。该分析结果为热采井中的套管损坏机理研究提供了理论依据。     

热采井井筒热应力耦合的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立了热采井井筒热应力耦合的瞬态分析模型。分析结果表明,注汽初始阶段套管内会产生较大的热应力;由于套管材料的膨胀系数大于水泥环的膨胀系数,在注汽过程中水泥环限制了套管的热膨胀,从而在套管外壁产生较大的热应力;经过几轮蒸汽吞吐,套管上会积累较高的残余应力。该分析为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供可靠的依据。     

射孔测试改造联作套管强度热结构耦合分析

高温高压深井试油多采用射孔测试改造联作的方式,施工时井底温度会降低很多,从而引起热应力。以SL16井为例,考虑了非均匀地应力与储层改造降温的耦合作用,进行了射孔测试改造联作套管强度热结构耦合场分析,建立了射孔套管-水泥环-地层三维空间有限元分析模型,采用ANSYS有限元软件的间接法分析了射孔套管在温度场和非均匀地应力共同作用下的应力。结果认为,射孔套管内最大等效应力随套管内壁温度与地层初始温度差值的增大而增大;射孔套管内最大等效应力总是在最小地应力方向取得最大值。     

稠油热采井射孔孔眼应力分析及影响因素

针对稠油热采井生产过程中,射孔井段套管频繁出现损伤断裂的问题,基于弹塑性和热力学理论,采用有限元方法建立注汽—焖井—生产过程射孔套管有限元热力学耦合模型,对各阶段射孔套管应力分布特征进行研究,并开展不同射孔参数下射孔套管强度影响规律分析。研究表明：生产过程中射孔孔眼位置出现明显应力集中现象,在温差及内外压差等共同作用下,注采前期套管应力最大可达498.16 MPa,并逐渐产生塑性失效现象,当注采作业完成时,套管塑性失效现象最严重;随着射孔相位角增大,射孔密度对Mises应力值的影响逐渐减小,而套管孔眼最大应力与射孔相位角成反比关系。该研究对延长稠油热采井射孔套管使用年限和保障正常生产作业具有十分重要的意义。     

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。