热采井套管损坏力学机理分析-阳鑫军

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1、ISSN1008-9446承德石油高等专科学校学报第13卷第2期，2011年6月CN13-1265/TEJournalofChengdePetroleumCollegeVol．13，No．2，June2011热采井套管损坏力学机理分析阳鑫军，李子丰(燕山大学石油工程系，河北秦皇岛066004)摘要:热力法采油是提高稠油采收率的最重要方法。实践表明，稠油热采对井套管损坏十分严重。根据弹性力学厚壁圆筒理论，建立了套管应力计算模型，并通过实例计算了不同注蒸汽温度下生产过程中套管的有效应力强度。计算表明，注蒸汽热采井套管损坏

2、的主要机理是注汽过程中较高的温度在套管柱内产生过大的热应力，导致套管内应力超过了套管屈服极限强度。为有效防止热采井套管热破坏奠定了理论基础。关键词:稠油;热采井;套管损坏;热应力中图分类号:TE345文献标识码:B文章编号:1008-9446(2011)02-0016-04MechanicalMechanismofCasingFailureofThermalRecoveryWellsYANGXin-jun，LIZi-feng(PetroleumEngineeringDepartmentofYanshanUnivers

3、ity，Qinhuangdao066004，Hebei，China)Abstract:Thermalrecoveryisanimportantmethodforheavyoilproduction．However，casingfailureturnstobeaseriousprobleminthermalrecoverywells．Basedonthethickcylinderplanestresstheory，amechanicalmodelofthecalculationofcasingstressisestab

4、lishedinthestudy．Italsofiguresouttheeffectivestressintensityofcasingduringtheproductionprocess．Calculationsshowthatthemechanicalmechanismofcasingfailureinthermalrecoverywellsisthermalstresscausedbyhighdownholetemperatureinthecasingstring．Thestudylaysatheoretica

5、lfoundationforcasingprotectionagainstthermalfailure．Keywords:heavyoil;thermalrecoverywell;casingfailure;thermalstress稠油黏度高，密度大，开采中流动阻力大，不仅驱替效率低，而且体积扫油效率也低，难用常规方法进行开采。目前一般采用热力法降低稠油黏度来提高稠油油藏的采收率，其中注蒸汽开采应用较为广泛。注蒸汽热采有效提高了稠油油藏的采收率，但随着注汽轮次的增加，油井套管损坏的数量逐年递增，致使油井减产、停产甚

6、至报废，严重影响油井的产能。热采井套管损坏是多种因素综合作用的结果，如套管柱设计、固井完井工艺、热采工艺和油井地层性质等，这些因素都不同程度地影响着套管柱的寿命。但是在这些因素中起主导作用的，是注汽过程中井内过高的温度导致在套管柱中产生较大的热应［1－5］力，导致套管内部应力超过了套管本身强度。1理论模型油气井套管在钻井及以后开发过程中，要承受多种不同工况下的多变载荷，处于极其复杂的受力状态，产生较大的应力。在实际热采井中，只有封隔器以下油层部位的套管与注入的高温蒸汽直接接触，承受最大热应力作用，基于此，在分析注蒸汽

7、热采井套管受力时，只针对此段套管。1．1基本假设为了简化运算，对力学模型做如下假设:1)套管的半径相对于井眼曲率半径很小;2)套管破坏符合Mises准则，且为各向同性均质厚壁圆筒，热膨胀系数不随方向改变;3)不考虑水泥环和地层材料的弹收稿日期:2011-04-20作者简介:阳鑫军(1978－)，女，湖南益阳人，燕山大学车辆与能源学院石油工程系讲师，在读博士，从事钻井工程研究。阳鑫军，等:热采井套管损坏力学机理分析·17·［6］性;4)注水泥固井时套管处于平面应力状态，注汽生产时套管-水泥环-地层处于平面应变状态;5)

8、以套管内壁为强度校核点。1．2基本力学公式根据假设，套管在水泥凝固过程中和凝固后的力学问题是厚壁筒在内压强、外压强、温度和轴向拉力作用下的厚壁筒问题。1．2．1厚壁筒应力［7］根据厚壁筒理论，在内、外压力、轴向力以及温度作用下厚壁筒应力为:2222ìpia－pob(pi－po)abïσr=22－222b－a(b－a)rï2222ïpia－pob