致密气藏储层开发过程中套管应力分布影响规律研究

目前各大油田套损现象严重,研究套管受力非常迫切。利用离散元与有限元分析方法,建立了套管—水泥环—地层组合体系模型,模拟裂缝密度、裂缝夹角、水泥环缺失厚度、多缺口夹角、套管偏心下水泥环厚度及其弹性模量、断层滑移对套管的应力分布影响情况。结果表明,套管应力随着裂缝密度的增加呈现增大的趋势,套管应力随着次级裂缝与主裂缝间夹角的增大呈现增大的趋势;套管应力随着地应力差值的增加呈现不断变大的趋势,当地应力差值相同时,随着水泥环单缺口缺失厚度增加,套管越容易发生损坏,水泥环双缺口夹角为60°及三缺口夹角75°时,套管应力值最大。当套管存在偏心,偏心率为0037、0074、0111时,随着水泥环厚度的增加,套管应力呈现不断变大的趋势;当偏心率为0148时,套管应力随着水泥环厚度增加而减小,水泥环对套管保护能力随其弹性模量的增大而增强。套管应力随着断层滑移的增大而增大,而增速在不断放缓。     

水泥环弹性模量和厚度对套管外挤载荷影响的理论研究

针对水泥环弹性模量变化对套管强度是否有帮助的讨论,采用弹性力学分析方法研究了水泥环弹性模量对不同性质地层内套管外挤荷载的影响规律。研究认为,在岩性较软的地层,应选用刚度较大的水泥环,可帮助套管抵卸一部分载荷;在地层岩性较硬时,选用刚度小的水泥环有助于提高套管抵抗外挤载荷能力。理想的水泥环特性应为高强度、低刚度。其机理是利用高强度抵御地层载荷、低刚度降低载荷传递系数,从而达到保护套管目的;单纯增加水泥环的厚度不一定能够改善套管的受力情况,只有当水泥环弹性模量大于一定值后,加大其厚度可改善套管的受力状况。因此,在实际现场中,应根据具体的地层情况,调整水泥浆特性,达到最好的固井效果。     

水泥环对套管外载的影响规律研究

油气井完钻后，套管与水泥环连为一体，套管外载的大小与水泥环的力学性质有关。针对水泥环对套管卸载的问题，不同学者有不同见解。为此，建立了水泥环、套管组合体受均匀外压的弹性力学模型，推导出了水泥环、套管组合体的刚度和套管外载表达式，研究了水泥环弹性模量、泊松比及其厚度对套管外载的影响规律。研究表明，在均匀地应力下，水泥环不能减轻套管外载，反而致使套管受力恶化，加速套管损坏。研究成果与某些油田的实际情况吻合，可用于指导固井设计。     

射孔套管剩余强度有限元分析

利用非线性弹塑性有限元法,建立了螺旋布孔的射孔套管强度分析的空间有限元力学模型,对影响射孔套管剩余强度和抗挤强度的各种因素进行了分析.结果表明,套管管材、壁厚、套管尺寸以及射孔参数(孔径、孔密、相位角)对射孔后的套管抗挤强度有不同程度的影响,总结了其中的变化规律并提出了优选参数,研究结果为合理地选择射孔段套管、延长其使用寿命提供了一定的理论依据.     

深井温度对套管强度的影响探讨

随着钻井深度的增加,井下温度的增加对套管强度的影响增大,这同时关系到安全钻井和油气井寿命,同时也影响到钻井成本。早期套管强度设计没有考虑温度的影响。实践证明,深井中温度对套管柱的抗挤强度、抗拉强度等都有影响。实际上,套管柱在井内受各种力的作用,但总结起来是三轴应力的作用,即周向应力、径向应力和轴向应力。现在将温度考虑进套管强度设计中,针对深井条件下温度对套管柱强度的影响问题,对套管柱在深井中进行了受力分析,建立了深井温度对套管柱强度影响的计算模型,利用建立的模型对套管柱强度进行了计算分析,优化套管柱设计,所以对于分析温度对套管强度的影响具有重要的意义。     

岩层倾角对钻井套管剪切变形的影响分析

针对钻井套管剪切破坏问题,基于煤层开采的上覆岩层移动规律,采用ANSYS数值模拟软件建立钻井套管剪切变形的有限元模型,模拟分析了不同的岩层倾角对钻井套管剪切变形区域应力分布的影响。研究结果显示:套管发生剪切变形后,剪切面由原始的圆形变为椭圆形,且椭圆长轴端点区为剪应力的应力集中区;岩层倾角增大会造成套管剪应力的应力集中区面积增大,且应力集中区最大剪应力也在逐渐增大。     

气体动力改造煤储层对井下套管柱安全性影响分析

注入气体阶段与压力释放阶段是气体动力煤储层改造工艺对套管柱安全产生影响的2个关键阶段,为研究其影响程度,根据气体动力改造煤储层井的井身结构与套管柱,建立了气体动力煤储层改造井的套管、水泥环、围岩组合体力学模型,运用弹性力学理论对注入气体阶段、压力释放阶段套管的载荷进行了分析,并通过实例说明在注入气体阶段随着注入气体压力的变化,套管的外压载荷首先接近于挤毁压力,在压力释放阶段弹性应变能的瞬间释放会引起套管变形,在同等条件下,使用φ139.7 mm套管比φ177.8 mm套管安全。     

约束混凝土拱架套管节点压弯承载特性研究

为解决约束混凝土现场应用过程中套管节点设计保守、施工困难等难题,采用室内试验与数值试验相结合的方式,综合考虑不同套管节点构造参数及不同偏心率加载,分析套管节点试件压弯组合力学性能及破坏形态,开展套管节点参数影响规律研究。结果表明:1)节点试件压弯组合作用下呈现典型两阶段工作模式及变形破坏模式;2)节点与拱架接触部位发生明显的应力集中现象,试件呈折线形破坏;3)荷载-位移曲线表现为典型的弹性、弹塑性和塑性3阶段特性,轴压承载力与无套管试件相比降低19.4%左右;4)得到了不同套管节点参数的M-N曲线,提出了节点经济性指标β1,β2,量化了套管节点强度与经济成本之间的关系,提出了工程设计建议,为相关工程设计应用提供借鉴。     

非均匀椭圆载荷下套管抗外挤能力分析

目前大多数油井套管的损坏很大程度上是由非均匀载荷引起的,外载荷的非均匀性等因素大大降低了套管的承载能力,为此,揭示这些因素对套管抗挤能力的影响具有重要的实际意义。根据非均匀椭圆载荷作用下套管的受力特点,利用材料力学理论建立了理想套管的环向应力计算模型,分析了套管的应力分布规律,结果表明:套管承载的危险点为圆周方向与最大水平地应力成90°夹角的内壁上,与有限元数值模拟结果有着很好的一致性。并以危险点应力状态为依据,得到了套管在不同的非均匀载荷下的等效外挤压力计算的新公式。计算结果表明,椭圆载荷中的非均匀部分对套管等效外挤压力影响极大;外载荷非均匀度越大,径厚比越大,套管承受外挤载荷能力越差,越容易发生挤毁失效。     

深孔膨胀套管护壁技术研究

深孔膨胀套管护壁技术研究的主要创新性的成果包括：建立了膨胀套管成形力学模型和计算公式,对膨胀套管有限元仿真模拟及分析,研制了膨胀试验台架、膨胀器、膨胀套管悬挂系统、扩孔钻头,经过室内试验取得了大量数据。结合地质钻探特点,研究出经济有效的膨胀套管联接方式。将所研制的膨胀套管系统进行野外下孔试验,取得了大量试验数据。     

一种瓦斯抽放钻孔套管及封孔新工艺设计

为提高瓦斯管理能力,防止综采工作面发生瓦斯超限或积聚现象,提出了一种安全、可靠、高效的内套袖套管工艺及配套的封孔工艺。以布尔台煤矿42106综放工作面为研究背景,针对其瓦斯抽放方面存在的不足,明确新工艺所需满足的要求,从套管、封孔材料等方面进行了工艺设计;分别开展地面和井下试验后,确定了套管工艺采用内套袖套管工艺,封孔工艺采用“两堵一注”的方式,两端孔口利用强度高、凝结快的无机充填材料封孔,钻孔中段利用凝结较慢但成本较低的水泥封孔;最后,将确定的工艺方案进行了应用和推广。实践结果表明,该新工艺在保证采空区插管抽放效果的同时,经济效益显著,安全效益突出。     

煤层气水平井射孔完井段抗有效外挤能力的有限元分析

随着技术水平的不断发展与完善,现代水平井钻井技术在煤层气开采中得到了广泛的应用,其中射孔套管在不同的生产时期、生产条件和不同的煤层地质环境下,受力情况是不同的。在常规的条件下研究水平井段射孔套管的受力情况,即在确定套管的有效外挤压力的情况下,利用有限元分析软件ANSYS对射孔套管进行了实体建模、网格划分及有限元计算。最终通过数据处理及对比分析,得出射孔套管受力情况随着有效外挤压力增加的变化规律,从而确定了射孔套管达到抗外挤强度最小值时的最大有效外挤力,为套管强度设计奠定基础。     

基于ANSYS的壳体构件跌落强度研究

针对壳体构件跌落时的变形问题,建立了不规则箱体这一壳体构件的三维有限元模型,结合相应的大变形动力学方程,模拟计算了箱体的整个跌落过程,得到应力分布的数据,并求出了箱体在最大荷载作用下的变形结果,从而计算出箱体各部位应该达到的结构强度。为该类型产品的结构强度理论的探讨和优化设计提供了参考。     

岩心钻探中采用塑料管护孔方法

岩金钻探的某些浅部松散或胶结层，采用塑料管与钢套管配合护壁，即外层管用塑料管代替一次性投入使用，内层管沿用钢套管隔离保护，有效地降低了钻探成本，为“以塑代钢”综合治理复杂地层积累了经验。     

SMW工法中型钢起拔对土体变形的影响研究

为研究SMW工法型钢起拔过程中不同因素对周边土体变形的影响,基于南京某电缆隧道工程SMW工法型钢起拔工程实例,对拔除型钢后的基坑周边土体变形进行了监测,采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,将地表沉降及深层水平位移监测数据与模拟结果进行对比,验证了数值模拟的合理性,对不同弹性模量以及拔桩顺序下周边的地表沉降规律进行了分析。研究结果表明:水泥土弹性模量不超过600 MPa时,水泥土弹性模量每增加100 MPa,地表平均累计沉降相应的会减小,减小幅度在16.2%~19.5%,增加弹性模量能有效减少距钢板桩6 m内的地表沉降;不同的拔桩顺序形成的地表沉降差值不超过0.65 mm。     

二次封孔套管测压技术研究及应用

煤层瓦斯压力是煤层瓦斯参数的重要指标,其大小直接决定着相关瓦斯防治措施的制订和实施。为解决封孔漏气问题,综合各种封孔测压技术,提出了二次封孔套管测压技术,该技术采用一次钻孔到煤层底板后全段带压注浆封孔,然后原地开孔穿透煤层至顶板,再下套管注浆封孔,在套管内安装测压管,可有效封堵钻孔周围裂隙,提高测压气室密封效果。现场应用表明,与水泥砂浆封孔对比,二次封孔套管测压技术在相同的地质单元施工参数相同的钻孔所测煤层瓦斯压力值更高,说明该技术更好,测压准确率高。     

基于“两介质-三界面”模型的散煤注浆固结宏细观规律

为了预判水泥浆注浆加固淮北矿区松散煤层效果，提供合理注浆参数，确保松散破碎围岩体注浆加固后稳定，文章基于离散元思想，将散煤和水泥视为颗粒，结合散煤-水泥浆胶结体单轴压缩试验和颗粒流模拟软件，研究散煤注浆加固效果，从宏-细观角度揭示散煤水泥浆注浆加固规律。文章构建了散煤-水泥"两介质-三界面"模型；校核了散煤-水泥浆胶结体三界面细观力学参数，分析了颗粒配比和胶结体孔隙率对散煤注浆加固效果的影响规律。研究结果表明："两介质-三界面"模型包括散煤颗粒、水泥颗粒，散煤颗粒之间胶结界面、水泥颗粒之间的胶结界面和散煤与水泥颗粒之间的胶结界面，模型不仅能够模拟常规岩体力学实验，还能够进行胶结参数影响特性研究，适用于散体介质注浆加固效果预判；散煤-水泥浆胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着散煤与水泥颗粒配比γ增加先增大后减小，存在最佳配比，散煤含量增加的过程分为初期骨料强化和后期胶结弱化两个阶段；胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着孔隙率n增加而加速减小，粒径越小、充填程度越高的注浆材料，加固效果越好。在现场注浆设计施工过程中，根据现场围岩破碎程度，优选粒径小、可注性好的浆液，能够获得较好的注浆加固效果。