套损井修复压裂过程力学分析及其应用

论文摘要

在世界范围内,随着油田的不断开采,套损现象日趋严重,直接影响着油田的原油生产。国内外经过十几年的研究,在套损井的治理方面,已经形成了一系列套损井修复工艺和检测技术,但套损井修复后的再生产周期并不能达到预期的效果,特别是经过机械整形后套管,还没有进行压裂改造方面的理论研究和工程先例。为此,本文在全面分析套损井现状、套损原因和机理、套损类型、套损井检测技术的基础上,着重研究了套损井修复压裂过程中套管、水泥环和地层的力学特性,为套损井修复压裂设计和现场实验提供了理论依据,最终建立了一套适合于大庆油田套损井修压联作工艺,突破了套损井修复后不能实施压裂的技术禁区。本文从以下5个方面开展了研究:第一,针对套损前套管与水泥环的工作状态,建立了套管水泥环应力应变模型,确立了套管和水泥环破坏准则,推导了套管在轴向拉伸和外挤双轴应力下的极限外压计算公式,为套管强度和水泥环破坏评价提供了计算方法。第二,针对套变后的井下工作状态,根据有限元理论,应用功能强大的ABAQUS工程模拟软件,研究了套变后水泥环及地层的破坏范围,当套管错断时水泥环在套变处大约上下1.0m范围内完全破坏,而地层滑移变形时水泥环在套变处大约上下0.5～0.8m范围内完全破坏,水泥环周围大约1.0m～1.5m的岩层也将出现破坏。第三,针对碾压整形过程中工作状态,建立了碾压整形的力学模型,提出了最小钻压的概念,并推导了计算公式;根据应变协调条件建立了第一胶结面、第二胶结面的损伤破坏判据;根据水泥材料的损伤力学理论,计算了第一胶结面和第二胶结面损伤破坏后的残余承载力;通过算例验证了理论方法的正确性。第四,针对冲击整形工作状态,根据冲击动力学和应力波传播理论,建立了冲击整形系统力学模型,推导了应力波在套管、水泥环及地层中传播的衰减系数,较为准确地描述了水泥环中的应力分布;通过应力波在套管与水泥环胶结面上的折反射定律,结合损伤理论,建立了水泥环的损伤判据,推导了冲击力作用下套管的塑性变形计算公式;5口井的计算结果和实测结果平均相对误差为2.45%,验证了冲击整形力学模型的正确性。第五,建立了套损点到压裂层的受力分析的有限元模型,在不采取保护工艺措施的情况下,保证层间不窜的理论最小套损点到压裂层距离为3.5m,为成功实施压裂和防止二次套变提供了理论依据。上述研究成果通过7口井的小规模实验后,又进行了55口井现场试验,通过压前与压后井径对比测试、冲胀整形前后水泥胶结对比测试、压裂前后水泥胶结对比测试,表明了研究成果的正确性和实用性,同时也取得了6461万元的经济效益和良好的社会效益,具有广泛的推广和应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 套损井状况
• 1.3 油水井套损的原因和机理
• 1.3.1 地质因素
• 1.3.2 工程因素
• 1.3.3 套管腐蚀
• 1.4 套管损坏类型
• 1.4.1 套管变形
• 1.4.2 套管错断
• 1.4.3 套管破裂
• 1.4.4 腐蚀穿孔
• 1.4.5 套管密封性破坏
• 1.5 套损井检测技术
• 1.5.1 印模检测法
• 1.5.2 井径检测法
• 1.5.3 声波变密度检测法
• 1.5.4 彩色超声波成像检测法
• 1.6 国内外研究现状
• 1.7 套管损坏界限
• 1.7.1 套管测试结果分析
• 1.7.2 水泥环测试结果分析
• 1.8 主要研究内容
• 第2章 套损前套管水泥环力学分析及强度研究
• 2.1 理论模型
• 2.2 数值模型
• 2.3 破坏准则
• 2.4 轴向拉伸和外挤下套管的极限外压
• 2.5 双轴应力下极限外压
• 2.6 本章小结
• 第3章 套变后水泥环、地层破坏范围及套管剩余强度研究
• 3.1 有限元方法
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 基本概念
• 3.2 ABAQUS 简介
• 3.3 模型的建立
• 3.4 套变后水泥环及地层的破坏范围
• 3.5 套变后套管的应力状态
• 3.6 本章小结
• 第4章 碾压整形过程力学分析及水泥环损伤研究
• 4.1 碾压整形工艺
• 4.2 碾压整形过程中套管的力学分析
• 4.2.1 套损局部受力分析
• 4.2.2 套管变形部位局部受力分析
• 4.3 碾压整形的力学分析
• 4.3.1 套管材料与水泥材料力学性能
• 4.3.2 碾压整形时的力学分析
• 4.4 碾压整形时水泥环的损伤分析
• 4.4.1 第一胶结面与水泥环体的破坏判据
• 4.4.2 第二胶结面的损伤判断
• 4.5 碾压整形计算实例与结果分析
• 4.5.1 计算实例与参数
• 4.5.2 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 冲击整形过程力学分析及水泥环损伤研究
• 5.1 冲击整形的施工工艺
• 5.2 冲击整形加载的力学分析
• 5.2.1 组合工具重量的计算
• 5.2.2 梨形胀管器下放过程中的速度分析
• 5.2.3 胀管器冲击套管时接触应力的计算
• 5.3 冲击应力波的分析和计算
• 5.3.1 冲击应力波特性的分析
• 5.3.2 应力波传播特性分析
• 5.3.3 应力波的传播规律
• 5.4 冲击整形时水泥环及其胶结面的损伤研究
• 5.4.1 第一胶结面的强度判据
• 5.4.2 水泥环体的损伤判据
• 5.5 套管的塑性变形分析
• 5.5.1 套管和地层在冲击力作用下的应力传递系数
• 5.5.2 套损局部处的弹塑性分析
• 5.5.3 套管塑性变形的分析计算
• 5.6 冲击整形计算实例与结果分析
• 5.6.1 计算实例与参数
• 5.6.2 套损部位水泥环损伤结果分析
• 5.6.3 冲击整形结果综合分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 套损井压裂最小距离的确定
• 6.1 套损点到压裂层的受力特征分析
• 6.1.1 套损点到压裂层受力分析模型
• 6.1.2 计算结果分析
• 6.2 套损点到压裂层的界限研究
• 6.2.1 无平衡保护的套损点到压裂层下限确定
• 6.2.2 有平衡保护的套损点到压裂层下限确定
• 6.2.3 不同压力下套损点到压裂层的距离下限
• 6.3 本章小结
• 第7章 现场试验
• 7.1 压裂试验
• 7.2 试验的相关测试
• 7.2.1 压前与压后井径对比测试
• 7.2.2 冲胀整形前后水泥胶结对比测试
• 7.2.3 压裂前后水泥胶结对比测试
• 7.3 套损井压裂试验采取的其它技术措施
• 7.4 套损井压裂效益分析
• 7.4.1 社会效益
• 7.4.2 经济效益
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目
• 详细摘要