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注水导致套管损坏机理及力学模型研究

代立强  
【摘要】: 注水开采导致套管损坏是国内外大多数油田普遍存在的一个工程问题,一些学者尝试过应用力学原理对其机理进行验证,但大都利用试验方法得到的力学参数对套管进行受力分析。本文在总结前人研究成果基础上,根据资料和数据进行了深入分析,提出了如下新的注水导致套损的机理: 高压注水开采,在多孔介质中形成渗流场,使钻井后的储层固体骨架应力重新分布,通过有效应力改变储层岩体的渗流参数,影响渗流场与岩体应力场两者的平衡;高围压下的井眼附近容易产生应力集中和塑性屈服,储层经过上述流固耦合作用后,由于储层多为砂岩、泥岩等不同岩性、不同厚度岩层相互分层夹杂,各层间力学参数对注水干扰和应力重新分布的敏感性都有较大差异,井眼作为唯一较大的储层应力和位移释放的空间,周围储层产生的应力重新分布结果会直接对套管、固井水泥环和周围储层岩体这一组和体系产生弹塑性应力作用,产生新的应力集中,并伴随着各部位应变的差异,从而导致套管损坏。 针对以上机理分析,本文综合应用了岩石力学、流体力学、渗流力学、弹塑性力学等学科理论,建立了考虑固体力学参数影响作用的储层渗流场多相流数学模型;建立了考虑有效应力耦合作用的储层变形场弹塑性数学模型;建立了分析套管组合系统的弹塑性力学模型,并给出应力分布理论值和考虑渗流效应、损伤效应的弹塑性应力分布解析解;根据所建数学模型,通过合理假设和简化,建立了分析套管的空间、平面力学模型;应用有限元法对渗流场和应力场进行了统一的流固耦合非线性问题分析和计算;结合现场数据,对分层储层进行了平面问题的力学建模和注水开采应力分布的数值模拟;应用所得结果对套管组合体进行了弹塑性力学分析和解析解比较。 计算结果验证了所提机理的合理性,可以验证固体应力场的改变要快于渗流场中有效应力的传递,注水后的耦合作用产生的储层力学行为改变和应力集中是导致套管损坏的主要因素;对于砂岩-泥岩分层储层,在发生塑性屈服后,两种性质不同的岩层交接处与套管接触部位容易产生应力集中和变形突出;验证了剪切应力对套管水平方向变形的影响要大于垂直方向的拉应力产生变形的影响;可以确定注水开采的最大注水压力,用以指导注水开采。


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