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《大庆石油学院》 2003年
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套管损坏机理及理论模型与模拟计算

艾池  
【摘要】: 套管井的损坏是一个复杂过程,从钻井到开发,以及石油开采过程中的全部工艺措施都对套损产生影响;套管损坏涉及到了岩石力学、渗流学、管柱力学等学科,以及各学科间的渗透;这些都决定了套管损坏因素和机理的多样性和复杂性。近年来,国内外学者对套管井损坏进行的研究,在套损机理上取得了一定的认识,但目前还没有有效的方法来预防和减缓套管井的损坏,在套管受力计算上还没有提出具体的、有针对性的计算方法。计算并控制套管所受的外挤力是制定防止套管损坏措施的关键:求出在给定开发条件下套管外挤力,确定该载荷下套管的屈服强度,提出满足工程要求套管强度设计。 本文对大庆油田和吉林油田3800多口井和与套损相关因素和资料进行了详尽的统计分析,掌握套管损坏的主要特点和趋势,得出了主要结论:套损层位仍然在泥岩层,泥岩浸水问题是套管发生损坏根本问题,是套管损坏前提条件;油层套损井比例增加,以及油层套损形式和分布揭示了油层内地层滑移机理,油层的套管损坏应作为主要研究对象;上覆地层套管损坏机理是地层纵向变形和水平滑移产生的外载荷作用于套管,在上覆地层套管损坏的形式和井别很好地解释了上覆地层套管损坏机理;注水是引起套管损坏的主要因素,注水压力是套管损坏直接动力;地层倾角起到了加速套管损坏的作用。 对套损地层进行了岩石浸水力学性质的变化、地层浸水方式和浸水速度进行了试验。试验结果表明,泥岩浸水主要沿泥岩层理界面和沿垂直于层理面的裂缝。泥岩浸水速度和浸水距离为注水压力的函数,与注水压力成正比。泥岩层浸水后地层内聚力和内摩擦角随地层水化程度呈线性地降低,而剪切强度成倍地下降。泥岩浸水后力学性质的变化主要受泥岩中粘土含量的影响。 根据套损情况统计分析和泥岩浸水实验结果,确认套管损坏机理分为深部泥岩层蠕变套损机理、上覆地层或浅层滑移套损机理,以及油层局部滑移套损机理,为此,建立套管损坏蠕变力学模型、界面问题混合有限元计算模型和套损流固耦合计算力学模型。提出的界面问题混合有限元法解决了泥岩形成大面积浸水域非光滑接触问题,界面问题混合有限元计算模型可以很好地描述注水压力对地层滑移的作用。模拟计算结果显示地层的最大水平滑移并不发生在注水层,而是发生在注水层上部泥岩层顶部结构弱面。套损流固耦合计算力学模型揭示了注水井套管损坏的机理,注水压力使地层压力区域性不平衡,泥岩层间发生滑移,使套管发生损坏;在模型中引入渗流场,进行了流固耦合,模型中考虑了影响套管损坏因素。应用套损流固耦合位移场计算软件,对影响套损因素进行敏感性分析和实际模拟计算,计算结果与实际套损比较符合率达87.38%。 本文通过套管强度进行了试验研究,提出了套管屈服破坏的力学标准和套管当量强度设计方法。用试验和理论分析的方法,确定套管射孔和水泥环对套管强度的影响。在非均匀载荷作用下,套管屈服椭圆度可以作为套管损坏的力学标准。采用该标准的好处在于:确定套管抗挤毁强度时不需要考虑载荷作用于套管的方式和力的分布,只需知道载荷的大小和套管的椭圆度,使得进行各种载荷下的套管强度设计成为了可能。套管屈服时载荷分布形状在一定程度上可以代表套管的抗挤强度,将套管屈服时的抗挤强度定义为套管的当量抗挤强度。套管射孔对其抗挤强度的影响可用套管强度减弱系数来描述。根据所提出的套管当量强度设计方法,编制了套管当量强度设计软件。软件中建立了套管物理性能数据库,在计算中直接应用地层对套管外挤力来进行套管当量强度设计,套管设计输入数据可直接调入力学模型计算的外挤力数据来进行设计。本软件符合套管柱强度设计最新行业标准《SY/T 5322-2000》。 本文的主要创新包括: (1)将套管井整个使用过程作为套损研究对象。通过套损统计、试验验证、套损机理分析,以及理论计算等手段,确定或计算套管受力方式和大小,并将套管抗挤强度看作是与其受力方式相关的变数,提出套管受力方式与强度转换标准,使得进行非均匀载荷下套管强度设计成为可能。 (2)提出适用于上覆地层大面积滑移非光滑接触的界面问题混合有限元法和套损流固耦合计算力学 摘要 模型。套损流固祸合计算力学模型中引入渗流场,并进行了流固祸合,计算结果显示流固祸合 模型用于套损力学问题是适用的。 (3)首次进行泥岩浸水试验研究。泥岩浸水不但沿泥岩层理界面,而且还沿垂直于层理面的裂缝浸 水。泥岩对水的吸附作用会产生网状流。 (4)提出在非均匀载荷作用下套管损坏的力学标准和套管当量抗挤强度。
【学位授予单位】:大庆石油学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TE358

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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3 林莉莉;颜寒;任丽华;王凤祥;刘建东;;小集油田注水引起的套损机理及防治对策研究[J];中国科技信息;2011年19期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 阳鑫军;防止热采井套管热破坏的预膨胀固井理论与实验研究[D];燕山大学;2011年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 刘性全;徐海;毕传萍;刘绍轩;;应用流固耦合理论研究套损机理[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(一)[C];2007年
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5 杨新新;;宁芜盆地古构造应力场及裂隙发育预测方法研究[A];第二届全国工程地质力学青年学术讨论会论文集[C];1992年
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7 杜时贵;黄曼;罗战友;贾汝达;王一敏;;岩体结构面起伏幅度尺寸效应的试验研究[A];2010年全国工程地质学术年会暨“工程地质与海西建设”学术大会论文集[C];2010年
8 金丰年;范华林;浦奎源;;岩石蠕变损伤模型研究[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2000年
9 张效羽;刘华印;左力生;赵智鹤;徐秉业;;套管弹塑性变形计算中若干问题讨论[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2000年
10 齐庆新;毛德兵;王永秀;;冲击矿压的非线性非连续特征的模拟研究[A];中国科协2004年学术年会第16分会场论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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2 李刚;水岩耦合作用下软岩巷道变形机理及其控制研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
3 郭保华;循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究[D];河南理工大学;2010年
4 张斌;超深井、超高温钻井液技术研究[D];中国地质大学(北京);2010年
5 孟庆鸿;松科1井复杂地层取心钻具及泥浆优化设计和应用研究[D];中国地质大学(北京);2011年
6 张晓峰;井中裂缝的定量表征及其应用研究[D];吉林大学;2011年
7 郭红玉;基于水力压裂的煤矿井下瓦斯抽采理论与技术[D];河南理工大学;2011年
8 刘超;采动煤岩瓦斯动力灾害致灾机理及微震预警方法研究[D];大连理工大学;2011年
9 杨文东;复杂高坝坝区边坡岩体的非线性损伤流变力学模型及其工程应用[D];山东大学;2011年
10 孙磉礅;孤东油田稠油热采井套损机理及防控措施研究[D];中南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 贾晓亮;基于FLAC~(3D)的断层数值模拟及其应用[D];河南理工大学;2010年
2 彭学文;双层钢管瞬变电磁检测技术研究[D];南昌航空大学;2010年
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5 洪丽;砌体结构细观力学模型及砌体沿通缝抗剪强度试验方法[D];长沙理工大学;2010年
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8 王红晓;峨眉山玄武岩大规模高速远程崩滑流事件多因素复合约束机制[D];昆明理工大学;2010年
9 杨远清;声发射技术在采空区岩体稳定性预测预报中的应用研究[D];昆明理工大学;2009年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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9 范翔宇;盖层测井评价方法研究及应用[D];西南石油学院;2003年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前6条
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3 黄根炉;陈忠帅;马庆涛;王丽;杜进进;郭敏;范光第;;弯曲井眼中套管抗挤强度计算[J];石油机械;2011年04期
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5 林莉莉;颜寒;任丽华;王凤祥;刘建东;;小集油田注水引起的套损机理及防治对策研究[J];中国科技信息;2011年19期
6 李宾飞;王冠华;李兆敏;贺占国;魏颂东;张洪强;;基于拟谱法的偏心环空流动模拟[J];钻井液与完井液;2010年04期
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 张淑云;幂律流体在内管带等距圆环体且旋转的变截面环空中的流动[D];东北石油大学;2011年
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3 宋兴良;粘弹性流体在内管带有等距环槽的同心环空中流动的数值计算[D];东北石油大学;2011年
4 阳鑫军;防止热采井套管热破坏的预膨胀固井理论与实验研究[D];燕山大学;2011年
5 于振东;完井、注采工艺对地层岩石及套管影响因素研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
6 赵洪山;稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究[D];中国石油大学;2007年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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3 赵华继文;油水井套管损坏的修复与再利用[N];中国石油报;2007年
4 汤波、康曾;盐膏层下石油难开采,我国攻克世界性难题[N];新华每日电讯;2006年
5 记者 李兵 通讯员 张明波;华北采研院开窗侧钻技术攻关取得重要成果[N];中国石油报;2009年
6 通讯员 菅李峰;临盘采油厂长关套损疑难井治理技术增油效果显著[N];中国石油报;2007年
7 ;套损井治理——老油田开发增油新亮点[N];中国石油报;2007年
8 孟祥波 记者 裴丽;萨北油田勾画400万吨“高稳”蓝图[N];大庆日报;2009年
9 通讯员 康群、曾尉;我盐膏层钻井技术国际领先[N];湖北日报;2006年
10 郑油路;浅谈燃气动力套管修补技术[N];中国石油报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 艾池;套管损坏机理及理论模型与模拟计算[D];大庆石油学院;2003年
2 韩修廷;大庆油田套管损坏机理研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
3 贾江鸿;油田开发过程中套管损坏预报方法及应用研究[D];中国石油大学;2009年
4 于洪金;套管损坏的力学计算与判定[D];大庆石油学院;2008年
5 杜永军;套损的影响因素地层的流体压力与地应力研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
6 高进伟;复杂井况下套管的可靠性与风险评估研究[D];中国石油大学;2007年
7 王志刚;基于优化方法的地应力与套管承载规律研究[D];中国石油大学;2009年
8 赵洪山;稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究[D];中国石油大学;2007年
9 于桂杰;长效地应力机制下套管应力与抗挤强度理论研究[D];中国石油大学;2009年
10 孙磉礅;孤东油田稠油热采井套损机理及防控措施研究[D];中南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马代鑫;胜利东辛采油厂广利油田油水井套管损坏机理与防治对策研究[D];西南石油学院;2004年
2 李俊;深井水平井套管强度设计应用研究[D];长江大学;2012年
3 李茂华;套管损坏机理模型分析计算[D];中国石油大学;2008年
4 秦杜;中原油田套管损坏的机理及防治技术研究[D];长江大学;2012年
5 唐波;油层段套管损坏机理研究[D];西南石油学院;2003年
6 王建军;多点套损井长井段密封加固修复工艺设计研究[D];浙江大学;2002年
7 孙先杰;套损机理的有限元分析计算[D];哈尔滨工程大学;2002年
8 张玉荣;油水井套管损坏机理及修复力学问题研究[D];大庆石油大学;2006年
9 万兆;钻井套管失效机理分析及可靠度设计方法研究[D];武汉理工大学;2007年
10 张洪坤;地层和水泥环联合作用下套管柱外载荷计算及强度分析[D];中国石油大学;2011年
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