煤层气井井壁支撑器工作机理研究

发布时间：2017-09-09 20:10

  本文关键词：煤层气井井壁支撑器工作机理研究

  更多相关文章： 井壁支撑器 胶筒 井壁稳定性 数值模拟 地应力 摩擦因数

【摘要】：随着油气能源不断的减少,能源危机的日益加重,煤层气、页岩气等非常规天然气的勘探和开发成为当今研究热点问题。我国煤层气已探明储量与常规天然气资源量相当,具有广阔的开发前景。目前煤层气开发主要以水平井与多分支井为主,但经常出现井壁煤屑掉落及井壁坍塌情况,固井施工中也常见水泥浆返高不达标以及水泥浆漏失污染煤层等问题。为了解决以上问题,本文基于与井壁支撑器具有相似原理的封隔器,设计完成了煤层气井井壁支撑器。论述了国内外研究现状,同时也对井壁的稳定性研究现状进行了论述；确定了煤层气井地应力计算方法与岩石断裂准则,并对岩石断裂准则进行了优选；最后使用有限元软件对井壁支撑器的工作过程进行了数值模拟。主要完成了以下工作：1、在不同润滑条件下,对胶筒所用橡胶材料与井壁之间的摩擦因数进行了测定；2、对井壁支撑器的材料进行了拉伸试验,对橡胶材料的应变能函数进行了拟合；3、设计了新型异型胶筒,并建立有限元分析模型,分析了不同主胶筒长度、肩宽以及密封条直径对井壁支撑器坐封过程中力学性能的影响；4、建立井壁支撑器坐封过程中井壁稳定性有限元分析模型,考虑多重因素情况下,对主胶筒几何参数与井壁稳定性之间关系进行了研究。通过实验与数值模拟分析,得到以下结论。1、轴向载荷与转速对摩擦因数影响较小,而接触面之间的状态对摩擦因数影响较大；2、随着硬度的增加,橡胶材料的抗拉能力减弱,断裂强度降低,弹性模量也随之减小；泊松比基本在0.48左右；在80℃下,42CrMo的力学性能比40Cr的力学性能好。3、主胶筒与井壁接触长度随主胶筒长度、肩宽及密封条直径增加而增加,最大接触压力随长度增加而减小,随肩宽增加而增大,坐封载荷在主胶筒坐封过程中起到重要作用；4、井眼处于煤层顶板和煤层中部时,井壁稳定,处于顶板与煤层交界处,井壁失稳；坐封后比坐封前井壁稳定；随着主胶筒肩宽与密封条直径的增加,井壁稳定系数先增大后减小。本文通过煤层气井井壁支撑器工作机理的研究,对实际煤层气的开发起到了参考的作用。
【关键词】：井壁支撑器 胶筒 井壁稳定性 数值模拟 地应力 摩擦因数
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE92
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景10
• 1.2 井壁支撑器的结构与工况介绍10-13
• 1.2.1 井壁支撑器的结构介绍10-11
• 1.2.2 井壁支撑器的工况介绍11-13
• 1.3 国内外研究现状13-17
• 1.3.1 国外研究现状13-14
• 1.3.2 国内研究现状14-17
• 1.4 课题研究目的及内容17-18
• 1.5 本文创新点18-19
• 第2章 地应力与岩石力学模型的确定19-30
• 2.1 概述19
• 2.2 地应力的确定方法19-23
• 2.2.1 测量法19-21
• 2.2.2 估算法21-23
• 2.3 地应力的测量23
• 2.4 井壁围岩的应力分析23-24
• 2.5 岩石破坏准则的分析24-28
• 2.5.1 Mohr-Coulomb强度准则25-26
• 2.5.2 Drucker-Prager强度准则26-27
• 2.5.3 破坏准则的优选27-28
• 2.6 煤层岩石力学参数的确定28-29
• 2.7 小结29-30
• 第3章 接触体间摩擦因数的测定30-39
• 3.1 实验目的30
• 3.2 实验原理30
• 3.3 实验内容30-31
• 3.4 实验设备及材料31-34
• 3.4.1 实验设备31-33
• 3.4.2 实验材料33-34
• 3.5 实验要求34
• 3.6 实验数据采集34-35
• 3.7 井壁支撑器胶筒与井壁之间的摩擦因数测定35-37
• 3.7.1 煤岩在不同润滑条件下的摩擦因数35
• 3.7.2 煤岩在不同轴向载荷下的摩擦因数35-36
• 3.7.3 煤岩在不同转速下的摩擦因数36-37
• 3.8 其他接触体间摩擦因数的测定37-38
• 3.8.1 胶筒与中心管、压环之间摩擦因数的测定38
• 3.8.2 中心管与压环之间摩擦因数的测定38
• 3.9 小结38-39
• 第4章 有限元理论及材料性能的检测39-57
• 4.1 有限元分析论述39-42
• 4.1.1 有限元分析法39-40
• 4.1.2 非线性理论40-41
• 4.1.3 接触问题41-42
• 4.2 橡胶材料的本构模型42-44
• 4.3 材料性能的检测44-56
• 4.3.1 橡胶材料性能的检测45-52
• 4.3.2 金属材料性能的检测52-56
• 4.4 小结56-57
• 第5章 胶筒结构设计及有限元分析57-78
• 5.1 胶筒的受力分析57-59
• 5.2 胶筒的结构设计59-60
• 5.3 模型的建立60-62
• 5.3.1 几何模型的建立61
• 5.3.2 有限元模型的建立61-62
• 5.4 主胶筒不同结构参数对新型胶筒性能的影响62-74
• 5.4.1 主胶筒长度对新型胶筒性能的影响63-67
• 5.4.2 主胶筒肩宽对新型胶筒性能的影响67-70
• 5.4.3 密封条直径对新型胶筒性能的影响70-74
• 5.5 不规则井眼对新型胶筒性能的影响74-75
• 5.6 新型胶筒坐封对钢件的影响75-77
• 5.6.1 新型胶筒坐封对压环的影响75-76
• 5.6.2 新型胶筒坐封对中心管的影响76-77
• 5.7 小结77-78
• 第6章 井壁支撑器坐封对井壁稳定性的影响78-86
• 6.1 井眼位置的选择78-80
• 6.1.1 井眼在煤层中部79
• 6.1.2 井眼在煤层与顶板交界处79-80
• 6.2 井壁支撑器坐封前后对井壁稳定性的影响80-81
• 6.3 主胶筒结构参数对井壁稳定性的影响81-84
• 6.3.1 主胶筒长度对井壁稳定性的影响81-82
• 6.3.2 主胶筒肩宽对井壁稳定性的影响82-83
• 6.3.3 密封条直径对井壁稳定性的影响83-84
• 6.4 不规则井眼对井壁的影响84-85
• 6.4.1 不规则井眼对井壁剪切应力的影响84-85
• 6.4.2 不规则井眼对井壁各主应力、稳定系数的影响85
• 6.5 小结85-86
• 第7章 结论与建议86-88
• 7.1 结论86
• 7.2 建议86-88
• 致谢88-89
• 参考文献89-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果92

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本文编号：822510