水平压裂井射孔段及弯曲段套管安全性分析

发布时间：2017-05-05 19:08

  本文关键词：水平压裂井射孔段及弯曲段套管安全性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水平井压裂技术是改进油气藏高效开采的重要手段之一,水平井压裂过程中,高压液体注入使地层结构发生变化产生复杂的地应力,套管在地应力作用下承受多种载荷的作用,发生安全失效的风险加大,而套管失效破坏多发生水平井套管的射孔段和弯曲段。为此,本文对水平压裂井射孔段和弯曲段套管的安全性进行了分析。对于水平压裂井射孔段套管的安全性分析,本文建立了水平压裂井射孔孔道表面的应力分布模型,得出了射孔孔道表面应力分布。综合考虑射孔套管的孔边应力集中和断裂力学性能,将射孔套管三维力学模型简化为平面孔板模型分析射孔段套管的剩余强度,并结合实例分析孔径、孔密及相位角变化对射孔套管剩余强度的影响规律。此外,为得到射孔套管强度的影响规律,采用有限元方法建立射孔套管-水泥石环-围岩三维有限元模型,研究地层参数、水泥环性质参数和套管钢级、壁厚对射孔套管强度安全性的影响。结果表明水泥石环弹性模量对射孔套管强度有着较大的影响,为确保射孔套管的安全性,水泥石环的弹性模量范围为7.8~9.4GPa。水平井弯曲段套管受弯曲、剪切、挤压等载荷共同作用,受力条件复杂多变,常发生扁化、错断、挤毁等安全事故。考虑水平井弯曲段套管的受力特点,建立了弯曲套管弹塑性力学模型,导出了弹性区、塑性区套管弯矩计算公式,得到了弯矩、最大转角与弹塑性边界角之间的关系。通过实例计算发现高钢级套管在具有较大弯曲载荷的工况下工作具有明显优势,故在具有较大弯矩载荷的情况下宜尽量选用高钢级套管。考虑弯曲、剪切、挤压联合作用,建立弯曲段套管力学模型,应用拉梅厚壁筒理论和第四强度理论,导出水平井弯曲段套管抗挤强度公式。以Ф139.7mm×9.17mm、10.54mm、12.7mm P110和Ф114.3mm×8.56mm、9.65mm TP140V套管为例,应用公式计算了不同弯曲度下的抗挤强度,结合有限元方法,对公式进行了验证。随着套管弯曲度的增加,套管的抗挤强度降低明显,在进行井身结构设计时应予以考虑。
【关键词】：水平压裂井 射孔套管 弯曲套管 强度分析 有限元分析
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE931.2
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 问题的提出及研究的目的和意义8
• 1.2 国内外研究现状8-12
• 1.2.1 射孔段套管安全性研究现状8-11
• 1.2.2 水平井弯曲套管研究现状11-12
• 1.3 本文研究的主要内容12
• 1.4 本文创新点12-13
• 第二章 水平压裂井射孔段套管强度安全性分析13-24
• 2.1 水平压裂井射孔段孔道应力分析13-16
• 2.2 射孔套管剩余强度计算理论16-21
• 2.2.1 未射孔套管抗挤强度计算16-17
• 2.2.2 射孔套管最先屈服点的确定17-18
• 2.2.3 射孔套管断裂力学分析18-19
• 2.2.4 射孔套管剩余强度系数计算19-21
• 2.3 射孔套管剩余强度理论计算结果分析21-22
• 2.4 本章小结22-24
• 第三章 水平压裂井射孔段套管强度影响因素研究24-34
• 3.1 射孔套管-水泥石环-围岩有限元模型的建立24-25
• 3.1.1 射孔套管-水泥石环-围岩有限元模型24-25
• 3.1.2 单元类型选择及网格划分25
• 3.1.3 材料属性及结构计算模型选取25
• 3.1.4 边界条件设置25
• 3.1.5 数值分析模型加载方式25
• 3.2 围岩参数对射孔套管强度的影响分析25-28
• 3.2.1 围岩弹性模量对套管和水泥石环最大应力的影响26-27
• 3.2.2 围岩泊松比对套管和水泥石环最大应力的影响27-28
• 3.3 水泥石环参数对射孔套管强度的影响分析28-31
• 3.3.1 水泥石环弹性模量对套管最大应力的影响28-29
• 3.3.2 水泥石环泊松比对套管最大应力的影响29-30
• 3.3.3 水泥石环厚度对套管最大应力的影响30-31
• 3.4 射孔套管壁厚对其强度的影响分析31-32
• 3.5 基于射孔套管强度安全的水泥石环参数优化32-33
• 3.6 本章小结33-34
• 第四章 水平压裂井弯曲套管变形分析34-43
• 4.1 套管弯曲扁化机理分析34-35
• 4.2 弯矩作用下套管弯曲变形分析35-37
• 4.2.1 线弹性阶段36
• 4.2.2 弹塑性阶段36-37
• 4.2.3 扁化阶段37
• 4.2.4 挤毁阶段37
• 4.3 弯曲套管弹塑性变形分析37-39
• 4.4 弯曲套管弹塑性变形实例分析39-41
• 4.5 本章小结41-43
• 第五章 水平井弯曲段套管强度安全性分析43-54
• 5.1 水平井弯曲段套管受力分析43-44
• 5.2 水平井弯曲套管抗挤强度理论分析44-47
• 5.2.1 弯曲套管模型建立44
• 5.2.2 水平井弯曲套管抗挤强度公式44-47
• 5.3 水平井弯曲段套管算例分析47-51
• 5.4 三点弯曲套管抗挤强度有限元与解析解对比分析51-52
• 5.5 本章小结52-54
• 第六章 结论与展望54-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-60
• 攻读硕士学位期间发表的论文60-61

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本文编号：346929