复杂井况水平井套管损坏机理及预防技术研究

水平井技术以其特有的优势,在国内外范围内得到广泛的应用,并不断衍生出多种满足不同开采需求的复杂井况水平井类型,例如,中短曲率半径水平井、中短半径水平井和热采水平井等。这些技术的实施和推广极大地提高了采收率,显著地降低了生产成本,但这些技术的推广也为水平井完井套管柱的设计和套管损坏预防提出了新的要求和挑战,其中水平井完井套管损坏成为制约水平井技术在某些区域发展的关键影响因素之一。 本文重点针对复杂井况水平井完井套管柱在下入、作业和热采过程中受力分析和强度校核等问题,通过理论分析、室内实验和数值模拟计算得到复杂井况水平井套管柱受力变形和损坏规律,并开发出相应的计算机软件,为复杂井况水平井完井套管柱设计和校核提供参考和依据,并提出具有针对性的预防水平井套管柱损坏措施和建议。 第一,根据水平井完井套管柱在作业和生产过程中受力和变形特点,综合各种因素对水平井套管柱的影响,得到水平井套管柱应力分布和安全系数,对作业和生产过程中水平井套管柱的安全性进行评价,给出提高水平井套管柱安全系数的建议。 第二,建立水平井套管柱在弯曲段的许可弯曲度,推导出相应的计算公式,并利用室内试验和三维有限元数值模拟计算进行验证,讨论各种不同因素对水平井弯曲段套管柱的许可弯曲度,为水平井完井管柱在弯曲段的设计提供参考。 第三,分析了水平井套管柱在弯曲载荷作用下抗挤强度变化规律,研究结果认为弯曲应力是导致弯曲段套管柱损坏的主要因素,而弯曲作用产生套管柱截面不圆度对套管柱抗挤强度影响不显著,在实际计算过程中可以忽略,对已有计算弯曲载荷作用下套管柱抗挤强度计算公式进行了简化,方便现场使用和推广。 第四,利用Visual Basic计算机语言编制复杂井况水平井完井作业管柱受力分析和强度校核软件,对现场使用的多口水平井完井套管柱进行了模拟计算,对其安全性进行了评价,为水平井套管柱设计和套管损坏预防提供数据支持。 第五,建立了水平井完井预制孔套管抗挤塑性铰模型,推导了预制孔套管抗挤强度计算公式,讨论了孔径、孔密、相位角、初始椭圆度、径厚比等因素对预制孔套管力学性能的影响规律。 第六,建立了热采过程中水平井完井套管柱受力模型,讨论了不同影响因素对套管柱损坏的影响,计算结果表明:水平井套管柱在热采过程中热胀变形无法释放使得套管柱发生强度和失稳破坏,可以通过安装补偿器和完井后对套管柱进行回拖,使得套管柱热应力得以释放,降低套管柱发生损坏的概率。 第七,根据上述研究内容,针对不同因素引起的水平井套管损坏机理,进行套管保护综合措施研究,提出套管保护的综合措施和建议,延长水平井完井管柱使用寿命。