射孔条件和材料属性对水压作用下套管井强度影响的研究

发布时间：2017-05-04 19:08

  本文关键词：射孔条件和材料属性对水压作用下套管井强度影响的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水力压裂的目的在于压裂储层使其产生裂纹并扩展,提高渗透率,增加产量、延长套管井的使用寿命等,它不仅广泛用于油气田中后期开采,而且是页岩气、致密油气田等非常规油气田开发的必不可少的工程措施。水力压裂作业之前,需对套管井射孔,使孔洞穿透钢套管和水泥环并进入地层,形成流体通道。射孔和水力压裂,可能致使套管井的水泥环破坏,导致水泥封隔能力失效,引起储层与相邻层之间流体沿套管井水泥环周围的窜通,即石油工程界特别不希望出现的“窜槽”现象。窜槽会连通油气储层和水层,从而污染油气层,降低出油效率,甚至直接导致井孔报废。目前,只是在射孔和压裂前采用声波测井方法测量套管井的水泥固井质量,以便发现由于固井质量差引起的窜槽。工程技术人员已经注意到了水力压裂对套管井水力封隔能力的影响,但关于射孔形状和射孔尺寸对地层压裂和套管井破坏先后次序影响的研究还缺少细致的研究。本文研究含射孔的套管井在水压作用下的应力分布、破坏先后次序,给出压裂过程中防止窜槽建议,其中特别考察了射孔形状、射孔尺寸、水泥和地层参数的影响。主要研究内容和结论如下:(1)针对套管-水泥环-地层界面胶结良好的情况,应用ABAQUS有限元软件建立套管井的三维模型,分析了压裂液水压作用下套管井射孔附近区域的应力分布状态。(2)采用最大拉应力强度破坏准则,计算致使地层和水泥环破坏的临界注水压强,比较分析水压作用下地层与水泥破坏的优先次序,考察了破坏次序随水泥和地层参数的变化。如果水泥先于地层破坏,水泥环就失去水力封隔能力。通过模拟,发现使用低杨氏模量、高泊松比的水泥可以提高水泥环的水力封隔能力。在高杨氏模量、低泊松比的地层进行水力压裂有利于避免窜槽现象的发生。地应力中的静水压对窜槽现象有影响,但偏应力部分对其作用不大。(3)考察了射孔条件对水泥环水力封隔能力的影响,发现射孔条件对于水压作用下套管井周围的应力分布和破坏次序至关重要。射孔尖端形状很重要,选取合适的射孔尖端形状,是模拟接近真实情况的保障。本文选取射孔尖端为圆锥面的套管井模型,分别对射孔密度、射孔角度、射孔半径以及射孔长度等要素进行了研究。研究发现除了射孔半径尺寸外,其余条件仅影响破裂压强的大小,对水力封隔能力影响不大。射孔半径过小或者过大都会引起水泥环的窜槽现象,合理的选取射孔半径尺寸是保证正常水力压裂的前提。(4)提出了预防窜槽的方案。固井时尽可能选择高泊松比,低杨氏模量的水泥;压裂时尽可能选择低泊松比,高杨氏模量的地层,且水平地应力较大,垂直地应力较小的地段进行。射孔方面最主要是控制好射孔半径的尺寸,合理的控制射孔条件可以有效提高防窜槽能力。有必要在压裂之前,采用声波测井方法探测射孔的方位角度、形状和尺寸。
【关键词】：水力压裂 套管井 水力封隔 窜槽 声波测井
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE357.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-16
• 1.1.1 油气资源的重要性10-11
• 1.1.2 水力压裂技术11-14
• 1.1.3 套管井中的水力压裂问题14-16
• 1.2 国内外的研究现状16-19
• 1.2.1 水力压裂技术的发展16-17
• 1.2.2 水力压裂模型的发展17-19
• 1.2.3 射孔技术的发展19
• 1.3 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 水压作用下套管井应力分析的力学模型21-34
• 2.1 引言21
• 2.2 套管井模型的建立21-25
• 2.2.1 套管井模型尺寸21-22
• 2.2.2 载荷边界条件22-23
• 2.2.3 网格的划分23-25
• 2.2.4 单元的选取25
• 2.3 强度破坏理论25-27
• 2.3.1 最大拉应力理论25-26
• 2.3.2 最大拉应变理论26
• 2.3.3 最大切应力理论26-27
• 2.4 射孔尖端形状的选择27-32
• 2.4.1 尖端射孔形状为半球状28-29
• 2.4.2 尖端射孔为半椭圆状29-30
• 2.4.3 尖端射孔形状为笔尖状30-31
• 2.4.4 尖端射孔形状为圆锥状31-32
• 2.4.5 本节小结32
• 2.5 本章小结32-34
• 第3章 材料属性对水泥环破坏的影响34-49
• 3.1 临界破裂压强34-37
• 3.2 水泥材料参数的影响37-40
• 3.2.1 水泥泊松比的影响37-38
• 3.2.2 水泥杨氏模量的影响38-40
• 3.3 地层材料参数的影响40-43
• 3.3.1 地层泊松比的影响40-41
• 3.3.2 地层杨氏模量的影响41-43
• 3.4 地应力状态的影响43-46
• 3.4.1 静水压的影响43-45
• 3.4.2 偏应力的影响45-46
• 3.5 材料属性参数的获取46-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第4章 射孔条件对水泥环破坏的影响49-67
• 4.1 射孔情况概述49
• 4.2 射孔角度的影响49-53
• 4.2.1 水平射孔角度的影响49-51
• 4.2.2 垂向射孔倾角的影响51-53
• 4.3 射孔密度的影响53-57
• 4.3.1 垂向射孔密度的影响54-56
• 4.3.2 环向射孔密度的影响56-57
• 4.4 射孔半径的影响57-62
• 4.5 射孔长度的影响62-66
• 4.6 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-73

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本文编号：345630