热采井井筒热应力耦合的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立了热采井井筒热应力耦合的瞬态分析模型。分析结果表明,注汽初始阶段套管内会产生较大的热应力;由于套管材料的膨胀系数大于水泥环的膨胀系数,在注汽过程中水泥环限制了套管的热膨胀,从而在套管外壁产生较大的热应力;经过几轮蒸汽吞吐,套管上会积累较高的残余应力。该分析为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供可靠的依据。     

稠油注蒸汽热采井套管柱预应力松弛效应分析

为了验证提拉预应力固井技术是否适合井深小于1 000 m的稠油热采注汽井,在280℃的高温蒸汽作用下,对热采N80H和普通N80Q两种套管进行了应力松弛试验;建立了套管-水泥环-地层全井筒平面有限元模型,进一步说明预应力固井技术在浅层稠油热采井中的作用。分析结果表明,稠油热采井在长期高温注蒸汽作业过程中,因管体应力松弛现象而致使预拉力失效;在高温作用下套管上施加的预拉力经过一定时间后会降低;提拉预应力固井对浅层稠油热采井没有效果,不能预防热应力导致的套管失效,建议在浅层稠油热采井中不采用预应力固井技术。     

稠油热采井套管柱强度设计方法研究

针对稠油热采井套管损坏问题,调研了大量国内外研究文献,指出了现有套管柱强度校核的不足,提出了稠油热采井套管柱强度校核应采用应力强度设计方法,并根据油田注蒸汽实际工况计算套管载荷和热应力,根据厂家试验取得的高温下套管屈服强度数据校核和设计套管。     

套管与水泥环内压下热弹塑性分析

在一定的注汽压力下, 随着热蒸汽的注入, 热采井中套管与水泥环的温度逐渐升高, 特别是封隔器失效及注汽段处, 套管与水泥环的温度甚至可达３ ５ ０ ℃, 产生的热应力足以使水泥环发生塑性变形而失效。当水泥环降至初始温度（ 注汽前） 时, 就会产生永久的塑性变形。文章运用弹塑性力学以及热力学基本理论, 建立了套管 －水泥环耦合模型, 分析了套管与水泥环的应力分布, 推导了冷热膨胀后水泥环内部的塑性变形方程, 并以辽河油田常规注汽以及油井参数为例, 借助 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 及 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ软件确定各项参数, 得出了不同隔热方式下交界面处的微间隙值, 为防套损及井下气窜提供了理论依据。     

热采井半预热固井技术

在热力采油井中,注入蒸汽加热油层套管,油层套管受热产生压应力,当压应力达到套管钢材的屈服极限后,套管开始变形。计算表明,如果用常规方法固井,在通常的注汽温度下,套管都因热应力而产生屈服变形。目前现场采用的防止热破坏方法在理论上没有得到论证。热采井半预热固井技术是在注水泥完毕后,通过井口向油层套管内下入加热器,加热油层套管到预定的温度,使水泥在加热条件下凝固,水泥终凝后取出加热器。该技术可使套管在整个开采过程中一直处于弹性状态,不发生塑性变形,从而解决了套管热破坏问题。     

热采井预压固井技术

计算表明，注蒸汽稠油井如果用常规方法固井，在通常的注汽温度下，套管都因热应力而产生屈服变形。目前现场常用的防止套管热破坏方法不能从根本上解决问题。提出了热采井预压固井技术，即在注水泥结束后，向油层套管施加压力，使套管膨胀。计算实例表明，采用预压固井技术后，热采井在整个生产周期内，套管不但正常，而且还有较大的安全系数。给出了热采过程中，套管内应力的计算模型。     

油页岩原位加热井下温度场及热应力研究

油页岩原位加热开采工艺技术已被广泛应用.在加热期间,井下高温造成套管、水泥环、地层组合体发生热膨胀,使套管产生较大的热应力和热位移,从而可能使其发生变形损坏.文中使用Comsol Multi-Physics软件对油页岩原位加热井井筒至地层的温度分布进行模拟,并分析规律;同时,基于弹性力学和热力学理论,推导耦合系统的热应力、热位移的理论计算公式,分析热应力、热位移径向分布规律,以及开展应力影响参数探讨.研究认为,油页岩原位加热井下温度分布服从指数衰减规律;组合体最大VonMises应力出现在套管内壁,随着井径向距离的增加,应力值大幅度降低;径向热位移随井径向距离增加先增大后减小,最大值出现在地层中;径向热应力先增大后减小,最大值出现在套管外壁上;理想的固井水泥环应为“高强度、低弹性”;实际热采工程中,应保证套管抗屈服强度下,使用低弹性模量的套管材料,以降低热应力.     

稠油热采井套管保护技术研究

针对蒸汽吞吐时发生汽窜、地层出砂及水泥环破裂掏空的情况，利用ANYSIS有限元分析的数值模拟，对井筒热应力和热膨胀进行了分析。注蒸汽井间发生汽窜时，易诱发地层出砂，最大热应力都发生在套管内壁，且超过了N80套管的热弹性屈服极限，最大热膨胀都发生在温度变化过渡区，是诱发热采井套管变形损坏的主要原因。套管周围地层掏空时，其热应变达到了2％，远超过材料弹性极限应变的0．3％，是热采井套管变形损坏的主要原因。提出套管保护对策，并开展了4项相应防治技术先导试验，取得了较好的保护套管效果，形成了稠油热采井套管保护配套技术。     

热采井首次注蒸汽后井筒应力分析

用有限元法计算了热采井在首次注蒸汽后井筒及周围水泥环和岩石中的应力分布，并分析热采井套管损坏的主要原因，为防治热采井套管损坏提供理论依据     

注蒸汽井的温度场及其套管的热应力

利用有限元法分析了注蒸汽井的不稳定温度场及其热应力,并着重给出了螺纹和水泥未封固到井口的热力干扰影响。为了热采井汽钻井工艺设计的需要,本文还详细地分析了封隔器失效、井深H、环空厚度△r、弹性模量E(T)、注蒸汽温度Tf对套管热应力σZ的影响,并绘制了相应的关系曲线,提供了数值计算软件。     

Casing cementing with half warm-up for thermal recovery wells

Thermal recovery is a very common and effective method for producing heavy oil. Casing failure is a very serious problem in thermal recovery wells. In some oilfields, more than 95% of thermal recovery well's casing was failed due to thermal stresses. In the steam injection process, the casing is heated by steam. Change of casing temperature produces thermal stresses in the casing. The casing deforms when stresses exceed yield point of its material. If using conventional cementing technology for thermal recovery wells, the casing deforms due to thermal stresses in steam injection process. Technologies conventional used to protect the casing from failure for thermal recovery wells are ineffective theoretically. Casing cementing with half warm-up for thermal recovery wells refers to heat payzone production casing to a certain temperature and makes it expand in cement slurry solidifying period. Calculations show that casing cementing with half warm-up performs greater safety coefficient during the whole production cycle and no plastic deformation. This technology will be an important method to prolong thermal recovery well's casing life.     

高温斜直热采井管柱热屈曲探讨

针对在高温热采井中热应力对套管强度的影响,考虑了在空套段或水泥胶结差的井段可能由于热效应而导致的管柱屈曲,提出了热屈曲的概念。建立了计算热屈曲的模型,推导了发生正弦热屈曲或螺旋热屈曲的轴向力与屈曲半波数的关系以及临界温度。计算了两种屈曲情况下屈曲的弧长,求得了热屈曲的最大幅值与平均螺距。结合算例计算与分析,得出了当注气温度超过一定温度时,会导致位于水泥胶结质量差的井段的套管发生正弦屈曲而先期损坏的结论,对于热采井中注入蒸汽参数的选择和套管的维护具有一定的理论指导意义。     

Thermal Buckling of Casing in a Slanted Thermal Production Well

Abstract

Severe thermal load to the casing that results from steam injection operation can cause casing failure. This article describes thermal buckling caused by thermal loading in a poor cement-bonding section or cement empty section. The concept of thermal buckling and a thermal buckling model are presented. The relation between sinusoidal or helical buckling with the number of buckling half-waves and critical temperature is developed. The arc length of sinusoidal and helical buckling are calculated, and the maximum amplitude and average helical pitch are found combined with the result of casing elongation by thermal effect. The conclusion that the casing located in a poor cement-bonding section or cement empty section was predamaged due to severe thermal buckling caused by high temperature is proposed. This conclusion has a guide to the parameter selection of steam injection and casing maintenance in a steam injection production well.     

稠油热采井套管的预应力分析

以暴露于热蒸汽中的目的层套管为研究对象,根据弹性力学理论,首先给出了套管在热应力和非均匀地应力作用下的三轴应力表达式,然后利用对套管施加预应力来降低套管的轴向热应力,使得套管的有效应力控制在相应温度下套管的最小屈服极限内为原则,得到了热采井套管三轴预应力设计方法,并对辽河油田常用的N80钢级套管进行了预应力设计分析,给出了该套管在不同注汽温度和井深条件下所应使用的径厚比及相应的预应力值。研究表明,拉预应力在一定范围内有利于提高套管的安全性,传统的单轴预应力设计方法具有明显的缺陷,建议以后稠油热采井在进行预应力设计时应考虑热应力和实际非均匀地应力的共同作用,以及油层出砂对套管产生的影响。     

注汽工艺管柱对热采井套损的影响

针对多轮次蒸汽吞吐的情况下 ,胜利油田热采区块套损井数逐年增多的问题 ,分析了不同隔热性能的隔热管对套管温度、热应力分布的影响 ,表明提高隔热管的隔热性能可有效降低套管温度和热应力 ;对隔热管接箍区和封隔器附近套管的温度和热应力进行了计算分析 ,发现在这两个区域套管壁的温度和热应力均大大高于管体区平均值 ,该段套管容易损坏。在此基础上 ,提出采用新型注汽工艺管柱结构、采用高真空隔热油管和改进接箍结构等防止套损技术措施     

热采井套管损坏机理及防治技术--以单家寺油田为例

热采井经多轮次蒸汽吞吐后套管易疲劳损坏是稠油油藏开发过程中普遍存在的问题。通过对单家寺油田现场调查分析，找出了热采井套管损坏的基本规律，重点对油层出砂及注汽时对套管的损害机理进行研究，并采用有限元数值模拟方法分析了高真空隔热管注汽时对井筒热应力场的影响规律。开发了热采井防砂、环空充氮、采用新型热敏封隔器等防治技术，现场应用取得了较好的效果。通过综合防治，单家寺油田油井套损率已由2000年的0．33％下降到2003年的0．16％。     

辽河油田热采井套损防治新技术

辽河油田稠油热采过程中套管损坏严重。经大量调查研究认为，造成套管先期损坏的原因是：热应力大，油井出砂，API圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头不适合热采井要求，水泥封固质量不好，水泥环空段套管易变形，隔热管和隔热措施不力。采取的措施有：提拉预应力，用N80偏梯套管取代普通套管，使用热呆专用水泥返到井口．用良好的隔热管。治理后热采井套管损坏虽有所下降，但套管先期损坏依然严重。采取的新措施主要是：用热应力补偿器减少注蒸汽时套管应力，用TP100H套管以增强抗热变形能力，用TP120TH外加厚套管解决油层套管因出砂和射孔引起的套管轴向应力问题。经过长期的研究与实践，减缓了热采井套管先期损坏速率。参13     

基于残余应力的热采井套管安全评价分析

针对热采井中套管接头螺纹发生漏失和滑脱现象,采用有限元数值模拟,得到井筒的温度场分布,将温度场导入到应力场中计算套管残余拉应力与吞吐周期的变化规律,并进行曲线拟合,建立了适合于蒸汽吞吐过程中套管残余应力评估的关系式;结合套管的剩余强度和极限剩余强度对套管进行了安全评价。该研究结果为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供了理论依据。