深井固井套管串力学分析及应用

论文摘要

固井过程中套管串在不同阶段承受不同的载荷,如何系统的研究复杂井况对套管受力状态的影响,这对于预防或减少套管发生损坏具有重要意义。本文针对固井过程中套管串的实际结构和受力状态,选取井口到井底的整体套管串为研究对象,考虑水泥浆凝固时不同阶段的套管串结构变化、力和位移边界变化,建立了固井套管串有限元分析模型,依据固井工艺推导了水泥浆凝固期间对套管串的作用力计算公式,并给出了其它外载荷公式及套管串强度校核方法。采用间隙元模拟套管串与井壁接触摩擦状态,将套管串梁单元与间隙元理论相结合,建立了固井套管串非线性静力学分析的有限单元法。采用delphi语言开发了“深井固井套管串力学分析”软件,计算了不同工况下套管串的受力状态,得到了不同因素对套管串受力状态的影响规律:井口及水泥面处轴向力在候凝期间增加的幅度随封固段长度的增加而呈非线性增大;套管串自由段的轴向力随着井口试压压力的增加而呈线性增加,平均增幅为4.7t/10MPa,且与封固段长度无关;井口及水泥面处轴向力随着回缩量的增加而呈线性降低,且数值随着封固段长度的增加而增大,本文计算出的井口回缩量比经典公式计算出的数值偏大,为现场完井时下放回缩距确定提供了理论依据。经现场3口井应用表明:不同工况下三口井套管串均满足抗拉、抗内压以及抗外挤强度条件,套管串没有发生失效;在整个侯凝过程中,三口井的井口轴向力分别增加了10t、5t、11t左右,与现场试测试结果相比,其符合率分别为98%、100%、98%,验证了计算方法和软件的正确性。针对固井过程中水泥浆未凝固时套管串失稳变形现象,选取井眼内轴向零点以下套管串为研究对象,考虑套管串变截面结构及其与井壁的接触状态,依据套管串失稳波形,按照一定的计算方法给出套管串的初始位移,并采用大位移和接触非线性分析方法模拟套管串与井壁间的接触摩擦,为套管串后屈曲分析提供了一种计算方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 一、目的和意义
• 二、国内外研究现状
• 三、主要研究内容
• 第一章 套管串力学分析模型
• 1.1 套管串受力状态描述及模型建立
• 1.2 套管串结构
• 1.3 套管串边界条件
• 1.4 套管串外载荷及计算
• 1.5 小结
• 第二章 套管串力学分析理论与方法
• 2.1 套管串几何非线性分析的梁单元
• 2.1.1 局部坐标系中空间梁单元分析
• 2.1.2 坐标转换与整体分析
• 2.2 套管串与井壁接触非线性分析的间隙元
• 2.2.1 间隙元的物理特性和应变
• 2.2.2 间隙元的接触状态判别条件和定解式
• 2.2.3 间隙元的平衡方程式
• 2.3 套管本体复合应力计算及强度校核
• 2.4 套管串API 标准的强度计算方法
• 2.4.1 套管串API 标准的单轴应力强度计算方法
• 2.4.2 套管串API 标准的三轴应力强度计算方法
• 2.4.3 管材屈服强度
• 2.5 小结
• 第三章 深井完井套管串力学分析软件编制及计算实例
• 3.1 深井完井套管串力学分析软件概述
• 3.1.1 软件运行环境及安装
• 3.1.2 软件的特点及功能
• 3.1.3 软件结构框图
• 3.1.4 软件界面
• 3.2 封固段长度对套管串力学分析的影响规律
• 3.3 试压压力对套管串力学分析的影响规律
• 3.4 井口回缩量对套管串轴向力的影响规律
• 3.5 现场应用实例
• 3.5.1 徐深44 井计算实例
• 3.5.2 方8 井计算实例
• 3.5.3 徐深33 井计算实例
• 3.6 小结
• 第四章 受压套管串稳定性分析
• 4.1 受压套管串屈曲变形分析模型
• 4.2 受压套管屈串曲变形分析理论
• 4.2.1 套管串稳定性分析理论
• 4.2.2 受压套管串初始位移计算方法
• 4.2.3 受压套管串大位移和接触非线性理论
• 4.3 变截面对后屈曲变形的影响
• 4.4 初始位移对后屈曲变形的影响
• 4.5 现场应用实例
• 4.5.1 计算参数
• 4.5.2 套管串后屈曲变形结果分析
• 4.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 在学期间参与的科研项目
• 致谢
• 详细摘要