套管失效机理研究

【摘要】：在国家自然科学基金项目“基于数值模拟的复杂套管破坏机理研究”(项目批准号：50074025)资助下完成的，本文属该项目的部分内容。 主要研究“套管失效机理”，这也是本文研究的主题。文中收集了大量的相关文献资料，包括大量的套管失效案例，通过研究分析这些资料，掌握了该领域的研究方法和思路，为重点研究套管哪些失效形式提供了决策依据。套管失效的形式较多，也非常复杂，在前人的研究基础上，本文重点研究了塑性流动地层套管损坏机理、注水开发与套管失效机理、磨损对套管失效的机理、套管接头泄漏及滑脱失效机理等方面进行了深入研究。利用国内先进的岩石力学试验设备，对套管失效的地层岩石岩芯进行岩石力学参数测试。在单轴、三轴试验条件下，获得了岩芯的弹性模量、波松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和抗压强度等，为有限元数值模拟提供了地层岩石力学参数数据。同时对套管钢材也进行了弹塑性应力—应变试验，获得了有限元模型中所需要的各种力学参数。用弹塑性—蠕变有限元法为研究手段，针对某油田盐岩塑性流动地层及青海油田跃进二号注水开发地层地应力与套管失效机理进行了有限元数值模拟研究，其研究结果为预防套管失效提供了理论依据。本文的土要创新点如下： 1．根据青海油田地质构造图、地质资料、地震资料以及测井资料等，建立了注水和采油开发过程的复杂岩石力学系统的有限元力学模型，模型中包含了地层温度梯度、地层岩石密度、初始孔隙压力、注水压力、生产压差和注采时间为5年的复杂力学系统模型，根据弹塑性—蠕变理论、非线性数学理论建立了数学、力学模型以及地应力与注水开发的耦合力学模型，用非线性数学理论对其进行理论求解，同时，对现代通州软件ABAQUS进行了二次开发，将模型并入ABAQUS软件中，是该领域重要的突破性成果。 2．将修正的Drucker-Prager/Cap模型—含岩石蠕变流动模型，引入塑性流动地层和注采地层蠕变产生的地应力引起套管失效的有限元数值模拟分析，使其有限元数学模型比以前的研究更合理、更准确，可以调整注采参数，改善地应力的变化，为预防套管损坏提供了新的理论依据。 3．首次系统地研究套管磨损对套管抗挤、抗拉和抗内压作用的失效机理，并建立了相关的有限元模型。首次提出了磨损套管抗内压强度系数k_p，此系数k_p可以衡量磨损后套管的抗内压强度，在套管柱设计中，如果考虑套管的磨损，文中提出将抗内压安全系数除以其抗内压强度系数k_p作为其设计安全系数，该成果已成功地应用于塔里木深井、超深井的磨损套管柱设计(已有3篇相关论文被EI收录)。 4．首次系统地对套管接头泄漏及滑脱失效机理进行有限元仿真模拟研究，创新性地对不同牙侧角、不同锥度的套管接头螺纹面间的接触压力和接触间隙问题，要提高偏梯形螺纹的抗泄漏能力，可以在上扣时施加一定的过盈量，提高其密封性，同时提出了螺纹脂的选择原则。

【学位授予单位】：西南石油学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TE358