发布时间 : 星期六 文章井下套管损坏机理及围压分析-设计论文更新完毕开始阅读
西安石油大学本科毕业设计（论文）
第1章 绪论
1.1 课题目的与意义
石油油井在建井过程中都要下入一层或多层套管。生产套管的主要作用是保护井壁，封固和分隔各油气层，达到油气井分层开采，分层注水，分层改造的目的。油井套管在油田的开发全过程中要经受长时间的考验。在下套管及随后的固井过程中，生产套管承受外挤力，内压力以及拉伸载荷。对采用射孔方式完井的生产套管，还要承受射孔弹的大能量高温瞬态冲击载荷。在长期的油井开采过程中，套管要承受地层的挤压力，以及高压注水，还得受到多次压裂酸化及各种腐蚀介质的作用。这一切都将导致油井套管的变形和破坏，导致油井不能生产，油井不能正常开发。为了检测和防止套管损坏，需要付出大量的人力和物力，所以，套管损坏问题的研究，越来越受到人们的重视。
目前国内外油管套管损坏的因素和机理进行了大量的研究工作，取得了一定的成果，并应用于防止套管损坏的实践中，并且在这一工程中形成了一系列套管损坏井的检测技术和修理工艺。应用损坏井测井技术可以对井下套管的损坏或者完好状况有比较全面的了解，掌握井下套管的变形形态，如变形长度、套损深度、内径变化、有无裂缝及变形方位等，为下步措施制定提供基础资料。随着科学技术的进步检测技术逐步完善、配套，出现声、电及机械等多种先进的检测仪器，并向电子图像化过度。
油井套管的受力状况是十分复杂的，设计套管时需要进行全面的应力分析，使得套管承受预期内、外压力及轴向、横向载荷的“压力容器”，在石油开采的整个运行期内安全生产。否则，错误的套管受力分析会酿成灾难性后果，造成昂贵的设备的损坏和损失，甚至造成才有工人的生命危险。如果套管不能控制井喷，导致油藏的大量天然能源在一次井喷中被浪费掉，将会使整个油藏处于风险境地。作者通过阅读大量的文献，并对套管损坏类型、特点及套管损坏机理进行了分析，总结了许多套管损坏的实例，分析了油田套管损坏的机理和原因。
油田套管损坏原因很多，其中最重要的就是由于套管围压超过套管本身的屈服强度。鉴于此，作者对井下套管损坏机理及围压和应力进行了研究分析。
1.2 国内外研究现状
随着各种强化采油手段的实施,套管的工作环境日益恶化,套管损坏已成为世界
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性问题,并且套损速度有逐年增加的趋势,严重影响了油田的生产,造成人力、物力和财力的巨大损失。套管损坏主要由地质、工程及腐蚀等因素造成;套管损坏的主要形式有变形、外漏、错断、缩径等。油水井套管的损坏一直困扰着我国油气田的开发。 针对本设计参照相关文献，对套损在近年的发展进行简单的介绍。早在30年代苏联布尔卡柯夫首次考虑到套管存在椭圆度这一问题，随后(1933年)铁摩辛柯从另外的途径也得到了与前者相同的公式。40年代苏联国家石油研究所将布尔卡柯夫公式作为套管抗挤强度的计算公式。从50年代开始，苏联国家标准采用了萨尔奇索夫公式作为抗挤强度的计算依据。萨氏公式不但考虑了套管椭圆度的影响，而且同时考虑了壁厚不均匀的影响。而在套管密封性这个衡量套管质量的重要指标上，1993年,Cohen J H在分析、监测套管螺纹联接漏失的基础上,研制出了一套修复工具,这套工具可以用绳缆下井,到达漏失接头处,可以将密封脂高压挤入螺纹内以达到修复的目的。1994年,刘汝福等研制出了一套可以模拟套管在井下服役条件下密封性能的泄漏检测设备,并提出了相应的检测方法，
在井下套管受力分析和稳定性研究中，1987年,Lubinski .A在不考虑套管柱全长和上下两端约束条件下建立了套管柱下端失稳的临界压力计算公式。在70年代中期以后，美国以及许多国家(包括中国)是以API规范作为套管的抗挤强度计算标准，API的套管挤压计算已处于相对稳定状态，但是研究工作仍然未停止。20世纪90年代以来，为满足钻井工程设计对套管磨损预测的需要,Maurer、Landmark等钻井技术服务公司在欧美各大石油公司的支持下,先后对陆地钻井套管和海洋钻井隔水管的磨损开展了大量的实验室研究和现场试验研究，并在此基础上开发出了CWEAR、WEAR2000和Grant Jardine等套管磨损预测软件,并得到了较成功的应用。1998年,崔孝秉等人考虑套管柱全长及上下两端约束条件,利用贝塞尔函数求得了套管柱下端轴向失稳临界值。2000年,窦益华博士在综合考虑套管柱在井下的自重、轴向力、内外流体力、粘滞摩阻、法向支反力及库仑摩擦力等,建立了井下套管柱轴向受力与变形微分方程,并应用结构稳定性分析方法及常微分方程理论求得了套管柱正弦失稳弯曲解析表达式;徐苏欣对大位移井下套管进行了受力分析,建立了三维力学模型和相应的应用软件。记载在《石油矿场机械》2008年第六期的关于“油田套管损伤的治理技术研究”提出了套管治理的实用技术：主要包括完善套损检测技术、套管变形治理技术、套管破裂治理技术、套管漏失治理技术及针对套管错断的修复技术等。
关于套管损坏机理的分析，近年来我国也取得了一定的研究成果，2003年由石油大学油气井工程学科的王兆会、高德利在《石油钻探技术》中发表“热采井套管损坏机理及控制技术研究进展” 调研和分析了稠油生产中套管损坏机理及控制技术的研究进展情况,并简要介绍了目前所使用的地锚预应力固井技术。2005年浙江大学CAD&CG国家重点实验室的薛彩军、邱清盈、武建伟发表文章《地应力和温度载
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荷耦合作用下注气井射孔套管损坏的数值模拟》，文中进行了地应力和温度载荷耦合作用下套管的应力变化规律以及对套管损坏影响的研究。提出了一种二阶段的计算策略，首先采用粗网格获得套管附件的地应力和温度，然后缩小模型范围，采用细密网格获得更精确的结果。2006年韩修廷等人发表文章《油田套管损坏数值模拟专用软件开发与应用》中作者以FEPG作为数值模拟平台，由饱和两相渗流与孔隙介质变形耦合理论和组合网格法技术用有限元语言加以描述,在FEPG平台上自动生成相应的有限元计算源代码，编译得到计算程序，结合大庆油田某区块27口井进行了套损计算分析，套损符合率达到83%，在此基础上开发得到了套损预测、分析的专用软件系统，投入设计、生产部门使用。同年4月，李军等人为了探讨利用声发射原理对套管损坏状态进行实时监测的可行性，在利用模拟套管进行先导性实验的基础上，建立并完善了利用声发射技术进行套管损坏实时监测研究的整套装置。对现场常用套管进行了损坏变形全过程声发射实时监测实验，结果表明，套管变形过程中的声发射信号与其相应的变形/应变信号之间有明确的对应关系。2007年中国石油大学石油工程学院的隋义勇等人再次对套管损坏类型及机理进行分析在充分现场调研的基础上，系统研究了油田套管损坏的各种类型，分析了造成套管损坏的各种因素和生成机理，提出了油田发实践中避免或减少套管损坏的具体措施和建议。2008年肖斐等人有对套管损坏的力学和动力学进行了分析和探讨,从力学机理上揭示了采油井和注水井套管损坏的原因,分析了套管损坏的动力学机制。与此同时北京化工大学的霍志欣等人:通过建立非线性有限元模型,分析了不同条件下不同套管内壁临界应力的变化规律,得到了不同生产内压下的临界地应力方程。
1.3 毕业设计的主要内容
1.在大量阅读文献的基础上，分析、综述油田套管大量不正常损坏的内外因素；指出外压是套管不正常损坏的原因之一，引出本题；翻译最新相关外文文献一篇。
2. 分析最新API BUL5C3套管挤毁强度、抗内压强度计算公式，指出其理论基础。
3.不考虑固井水泥石影响，分析弹性围岩中单层套管的围压和应力,给出计算公式或算法。
4. 考虑固井水泥石影响，分析弹性围岩中单层套管的围压,给出计算公式或算
法。
5. 完成5″套管外压实验高压室总装配图和关键零件图设计 （1）通过阅读相关文献，总结套管损坏的机理及相应的防治措施。
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（2）在现有文献提供的理论的基础上，采取较为符合实际的力学模型，应用厚壁筒理论分析井套管的围压和应力。
（3）分析套管结构、水泥石环等对双层组合套管围压和应力的影响。 （4）最后完成7″套管外压实验高压室总装配图和关键零件图设计。
1.4 毕业设计的主要方法
（1） 通过阅读有关文献，总结套管损坏的机理及相应的防治措施。 （2） 在现有文献的基础上，采取较为符合实际的力学模型，应用厚壁筒理论
分析油套管的围压和应力。
（3） 荷测试器工作原理总装配图和关键零件图设计。
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