热采井套管应力的弹塑性分析

发布时间：2017-07-17 03:16

  本文关键词：热采井套管应力的弹塑性分析

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【摘要】：我国稠油资源是油气资源的重要组成部分,在总资源中的比例达到20%-25%。稠油有多种开采方式,其中以蒸汽驱、蒸汽吞吐和火烧油层三种方法为主,我国一般以蒸汽吞吐方法为主。稠油开采中套管损坏现象时常发生,影响稠油开采进程,对油田经济造成严重影响。在稠油的开采过程中注入高温高压蒸汽,套管产生热应力,多个生产周期循环作用,套管冷热交替还可能产生残余应力,加快套管的破坏程度。为了更好的优化稠油井的井筒结构、高效安全的进行稠油活动,准确预测稠油开采过程中井筒内温度场和热载荷的分布,分析每个生产周期内套管的应力分布是具有重要意义的。本文针对热采井套管每个生产周期内的工况,对热采井套管进行了以下几方面分析:在分析热采井采油方式和其井筒结构基本特点的基础上,以热采井井筒-地层危险段为研究对象,分析了一个生产周期内的耦合温度场,并建立温度场的非稳态数学模型;得到套管、水泥环及地层三者的温升函数,分析了稠油热采井内套管、水泥环及地层在整个生产周期内的温度变化。在热弹性力学和均匀内外压作用的厚壁筒理论的基础上,建立了井筒-地层耦合应力场的力学模型,在弹性条件下分析了套管、水泥环及地层的应力情况,并计算出三者的应力和位移表达式;根据某油田热采井的常规参数,分析出单个生产周期内三种不同钢级套管的应力分布及屈服情况。在屈雷斯卡屈服条件的基础上,建立了井筒-地层耦合应力场弹塑性力学模型,分别推导了套管、水泥环弹性区及塑性区应力及位移的分布公式;根据套管、水泥环、地层三者紧密接触,满足位移协调方程,得到套管-水泥环-地层系统的接触压力及屈服半径,并求得一个生产周期后套管、水泥环发生的不可恢复塑性变形,重复计算得到套管的安全生产周期。运用VB编程软件编写了套管-水泥环-地层系统弹性及弹塑性应力分析软件,并结合某油田热采常规参数计算了三种钢级套管的生产周期。
【关键词】：热采井 塑性变形 弹塑性分析 井筒温度场 热应力
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE931.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状分析12-15
• 1.2.1 热采井套管温度场的研究现状12-14
• 1.2.2 热采井套管应力的研究现状14-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 稠油热采开采方式及套管载荷分析17-30
• 2.1 稠油开采方式17-22
• 2.1.1 蒸汽吞吐开采方式19-21
• 2.1.2 蒸汽驱开采方式21-22
• 2.2 套管损坏情况及损坏机理22-26
• 2.2.1 套管损坏情况22-25
• 2.2.2 套管损坏机理25-26
• 2.3 套管环境载荷计算26-29
• 2.3.1 普通井套管环境载荷分析26-28
• 2.3.2 热采井套管环境载荷分析28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 井筒-地层耦合温度场计算模型30-44
• 3.1 热采井井筒传热分析30-31
• 3.2 井筒-地层耦合温度场模型构建31-38
• 3.2.1 温度场模型及基本假设31-32
• 3.2.2 地层有效范围确定32-35
• 3.2.3 注采周期危险段温度场计算35-38
• 3.2.4 Laplace反变换数值反演方法38
• 3.3 实例计算与结果分析38-43
• 3.3.1 地层有效范围确定39
• 3.3.2 井筒-地层耦合温度场计算39-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 井筒-地层耦合应力场的弹性分析44-61
• 4.1 井筒应力分析理论基础44-48
• 4.1.1 内外压作用下的厚壁筒理论44-46
• 4.1.2 热弹性力学基本理论46-48
• 4.2 套管应力计算模型48-51
• 4.2.1 弹性状态下套管的力学模型48-49
• 4.2.2 套管的应力与位移49-51
• 4.2.2.1 内外压作用下套管的应力与位移49-50
• 4.2.2.2 热弹性力学下套管的应力与位移50
• 4.2.2.3 套管的总应力与位移50-51
• 4.3 水泥环应力计算模型51-53
• 4.3.1 弹性状态下水泥环的力学模型51-52
• 4.3.2 水泥环的应力与位移52-53
• 4.4 地层应力计算模型53-55
• 4.4.1 弹性状态下地层的力学模型53
• 4.4.2 地层的应力与位移53-55
• 4.5 系统应力计算模型55-56
• 4.5.1 弹性状态下系统的力学模型55-56
• 4.5.2 系统接触压力计算56
• 4.6 实例计算及结果分析56-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第5章 井筒-地层耦合应力场的弹塑性分析61-72
• 5.1 屈服条件61
• 5.2 套管弹塑性分析61-64
• 5.2.1 弹塑性状态下套管的力学模型62
• 5.2.2 套管塑性区应力及位移62-64
• 5.2.3 套管弹性区应力及位移64
• 5.3 水泥环弹塑性分析64-66
• 5.3.1 弹塑性状态下水泥环的力学模型64-65
• 5.3.2 水泥环塑性区应力及位移65
• 5.3.3 水泥环弹性区应力及位移65-66
• 5.4 套管-水泥环-地层系统的弹塑性分析66-69
• 5.4.1 弹塑性状态下系统的力学模型66
• 5.4.2 弹塑性状态下系统屈服半径计算66-69
• 5.4.3 系统不可恢复的塑性位移69
• 5.5 实例计算与结果分析69-71
• 5.6 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士学位期间的科研任务与主要成果77-78
• 致谢78

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本文编号：551751