（机械电子工程专业论文）利用vb对非均匀地应力情况下油井套管形变的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t e 9 学科分类号 4 6 0 9 9 论文编号1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 4 4 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 赵光宇学号 2 0 0 8 0 0 0 6 4 4 获学位专业名称机械电子工程获学位专业代码 0 8 0 2 0 2 课题来源企业横向研究方向石油化工过程新型设备 论文题目利用v b 对非均匀地应力情况下油井套管形变的研究 关键词套管损坏，非均匀椭圆外载，临界载荷位移，有限元分析，、r b 调用 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 1 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师王奎升教授北京化工大学石油机械 评阅人1周俊波教授北京化工大学石油机械 评阅人2颜廷俊副教授北京化工大学石油机械 评阅入3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席周俊波教授北京化工大学石油机械 答辩委员l陈香凯高王冲石油长城公司石油机械 答辩委员2张有忱教授 北京化工大学化工机械 答辩委员3 卢潦副教授北京化工大学化工机械 答辩委员4颜廷俊副教授北京化工大学石油机械 答辩委员5马润梅讲师北京化工大学化工机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t 1 3 7 4 5 - 9 ) 瑶学科分类与代码中 查询 ： 7 论文编号由单位代码和年份及学萼的后四枉组成： 舢0舢9m 0 87胛8 m 1胂y 大。 本文依据非均匀地应力通过水泥环作用于套管上的外载近似为 椭圆形这一结论，利用大港油田港西地区的地质参数研究得出了港西 地区油田套管的外载与地层深度的关系表达式，为今后相关领域的进 一步研究提供了计算依据；利用a n s y s 软件建立了油田常用套管( 钢 级j 5 5 、n 8 0 以及各种不同壁厚) 的有限元模型，对其在椭圆外载作 用下的套变和所受应力状况进行了模拟分析，并引入等效破坏载荷的 概念，使得椭圆形外载的大小有了一个量化的判定标准；最终得出了 各型套管的极限承载能力及变形情况，并得出结论：油田套管损坏的 主要原因是套管结构的屈曲变形而非材料的屈服；在套管变形分析的 基础上，模拟了其修复过程，提出了套管可修复的建议。 在研究得出的数据基础上，利用v i s u a lb a s i c 软件，编制了一个 较为清晰直观的油井套管受力形变的w i n d o w s 窗口型分析软件，将 各种参数的设置以及有限元模型的建立全部转入后台进行，大大节省 ! ! 窒些三查兰堡竺兰竺笙兰一 - - - ，_ - _ - _ _ - _ _ - _ - i - - _ _ _ 一一 了分析时的操作步骤，可以使非专业或者不熟悉a n s y s 软件的人员 也能够快速准确地了解具体某口油井的套管受力形变情况，对实际的 油田生产工作具有重要的指导意义。 关键词：套管损坏；非均匀椭圆外载；有限元分析；临界载荷位移； 调用 i i 摘要 t h ea n a l y s i so fc a s i n gd e f o r m a t i o nu n d e r n o n u n i f o r me l l i p t i c a ll o a dw i t hv b a b s t r a c t t h el o s so ft h ec a s i n go fo i lw e l lw i l lc a u s eg r e a tl o s s e sa n n u a l l y , w h i c hs e r i o u s l ya f f e c tt h en o r m a lo i lp r o d u c i n gi nt h eo i l f i e l d t h em o s t c o m m o nr e a s o nf o rt h ed a m a g eo ft h ec a s i n gi st h a tt h eu n e v e ns t r e s s c a u s e db ys t r a t u mc r e e pa c t i n go ni t i th a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e f o r i n c r e a s i n gc a s i n g sl i f ei ns e r v i c et h a tr e s e a r c h i n go nt h em e c h a n i s m o f t h ec a s i n gd a m a g ep r o d u c e db yt h en o n u n i f o r ms t r e s so ni t i nt h i st h e s i s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ee x t e r n a ll o a da c t i n go nt h e c a s i n gc a u s e db yt h eu n e v e ns t r a t u ms t r e s s i sa p p r o x i m a t e l yo v a l a f o r m u l ah a sb e e no b t a i n e dt h a tt h er e l a t i o n a le x p r e s s i o no ft h ee x t e m a l l o a do ft h ec a s i n gi no i l f i e l da n dd e p t ho fs t r a t aa c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c p a r a m e t e r si nw e s td i s t r i c to fd a g a n go i lf i e l d t h eb a s i so f c a l c u l a t i o n i sp r o v i d e df o rf u r t h e rr e s e a r c hi nt h er e l e v a n ta r e a s t h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h ec o m m o nc a s i n g ( s t e e lg r a d ej 5 5 ，n 8 0a n dav a r i e t yo f d i f f e r e n tt h i c k n e s s ) i se s t a b l i s h e du s i n ga n s y ss o f t w a r e ，a n dt h e nt h e d e f o r m a t i o no fc a s i n gc a u s e db ye l l i p t i c a le x t e r n a ll o a d sa n dt h es t r e s s c o n d i t i o na r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a f t e rt h a tt h ec o n c e p to ft h e e q u i v a l e n tb r e a k i n gl o a di si n t r o d u c e dw h i c hm a k i n g t h es i z eo fe l l i p t i c a l e x t e r n a ll o a dh a saq u a n t i t a t i v ec r i t e r i af o rj u d g m e n t e v e n t u a l l yt h e u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o no ft h ev a r i o u st y p e so fc a s i n g i i i 北京化t 大学硕士学位论文 a r eo b t a i n e da n dt h em a i nr e a s o nf o rt h el o s si st h ed e f o r m a t i o no ft h e s t r u c t u r ei n s t e a do fm a t e r i a l s t h ep r o p o s a l sa r ep u tf o r w a r db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h ed e f o r m a t i o no ft h ec a s i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ec a s i n g r e p a i rp r o c e s s i n g ac l e a r e ra n di n t u i t i v es o f t w a r eb a s e dw i n d o w sr e l a t i n gt ot h e d e f o r m a t i o nb ys t r e s s e so ft h ec a s i n gi sd e v e l o p e db yu s i n gt h ev i s u a l b a s i cs o f t w a r ep r o g r a m m i n go nt h eb a s i so ft h ef o r m e rd a t a t h e s o f t w a r ec a nt r a n s f o r mt h ep r o c e s s i n go fs e t t i n g so fa l lk i n d so f p a r a m e t e r sa n dt h ee s t a b l i s h m e n to ff i n i t e e l e m e n tm o d e li n t ot h e b a c k g r o u n dw h i c hw i l ls a v et h ea n a l y z i n gs t e p sg r e a t l y t h e r e f o r e ，t h e n o n p r o f e s s i o n a l so rp e o p l ew h oa r en o tf a m i l i a rw i t ha n s y ss o f t w a r e c a nu n d e r s t a n dt h es t r e s sd e f o r m a t i o nc o n d i t i o no fc a s i n gi nt h es p e c i f i c w e l l sq u i c k l ya n da c c u r a t e l y i th a ss i g n i f i c a n tp r a c t i c a lg u i d ef o rt h e a c t u a lo i lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：d a m a g e o fc a s i n g ；e x t e m a ll o a do fn o n - u n i f o r me l l i p t i c ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；c r i t i c a ll o a da n dd i s p l a c e m e n t ； c a l lb yv b i v 段 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及相关背景1 1 2 套变研究领域的现状及发展2 1 3 套管损坏因素5 1 3 1 地质因素5 1 3 2 工程施工作业因素6 1 4 本文主要研究内容8 第二章非均匀地应力作用下大港地区套管外载计算表达式9 2 1 大港油田地区水平极值地应力的计算9 2 2 非均匀地应力作用下套管受力形式1 2 2 3 实验测量非均匀地应力作用下套管屈服时的外载分布一1 3 2 4 外载分布函数的确定1 5 2 5 本章小结1 6 第三章套管的临界载荷与临界位移1 7 3 1a n s y s 有限元分析软件1 7 3 2 有限元模型的建立及所用单元属性1 8 3 3 所要分析的套管类型及其材料属性。1 9 3 4 建立有限元模型2 0 3 55 5 时套管临界位移及应力2 l 3 5 1 较小面积受力时的情况2 1 3 5 2 较大面积受力时的情况2 4 3 6 7 时套管临界位移及应力2 7 3 6 1 较小面积受力时的情况2 7 3 6 2 较大面积受力时的情况3 0 3 7 云图分析结果。3 3 3 8 模拟结果汇总。3 4 4 3 分析程序5 3 5 5 本章小结。6 3 第六章结论与展望6 5 6 1 主要结论6 5 6 2 展望6 5 参考文献6 7 致谢7 l 3 4 4 4 7 7 0 9 d 4 4 4 4 4 4 4 5 目录 作者和导师简介7 5 i i i 北京化工大学硕j ：学位论文 i v 目录 c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d n c t i o n 1 1 1s o u r c e sa n db a c k g r o u n do f t h ei s s u e 1 1 2s t a t u sa n dd e v e l p o p m e n to fc a s i n gd e f o r m m i o nf i e l d 2 1 3c a s i n gd a m a g ef a c t o r s 5 1 3 1g e o l o g i c a lf a c t o r s 5 1 3 2c o n s t r u c t a lf a c t o r s 6 1 4t h em a i nc o n t e n ti nt h i st h e s i s 8 c h a p t e r2e x t e r n a ll o a de x p r e s s i o no fc a s i n gu n d e rn o n u n i f o r m s t r e s si nd a g a n gd i s t r i c t 9 2 1t h ec a l c u l a t i o no f e x t r e m eh o r i z o n t a li nd a g a n go i lf i e l d 。9 2 2t h ef o r mo ff o r c eo nc a s i n gu n d e rt h en o n - u n i f o r ms t r e s s 1 2 2 3d e f i n i n gt h ed i s t r i b u t i o no fe x t e r n a ll o a dw h e nc a s i n gy i e l db ye x p e r i m e n t 13 2 4d e t e r m i n a t i o no f t h ee x t e r n a ll o a dd i s t r i b u tf u n c t i o n 15 2 5c h a p t e rs u m m a r y 1 6 c h a p t e r3t h ec r i t i c a ll o a da n dd i s p l a c e m e n to fc a s i n g 1 7 3 1f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s 1 7 3 2f i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h ec e l lp r o p e r t i e su s e d 18 3 3t h et y p ea n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so f c a s i n g 1 9 3 4c r e a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm o d e l 2 0 3 5c r i t i c a ls t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f 5 5 7 7c a s i n g 2 1 3 5 1t h es i t u a t i o no f t h es m a l l e rf o r c ea r e a 2 1 3 5 2t h es i t u a t i o no f t h eb i g g e rf o r c ea r e a 2 4 3 6c r i t i c a ls t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft c a s i n g 2 7 3 6 1t h es i t u a t i o no f t h es m a l l e rf o r c ea r e a 2 7 3 6 2t h es i t u a t i o no f t h eb i g g e rf o r c ea r e a “3 0 3 7t h er e s u l t so fc l o u d 3 3 3 8s i m u l a t i o nr e s u l t ss u m m a r y 3 4 v 北京化工大学硕：i ：学位论文 c h a p t e r 4s i m u l a t i o no fc a s i n gr e p a i r 4 3 4 1m o d e lo fs i m u l a t i o na n dr e p a i rt o o l 4 3 。 4 2r e p a i rs i m u l a t i o no f5 5 7 c a s i n g 4 4 4 2 1t h ec a s ew h e nt h es t e e lg r a d ei sj 5 5 4 4 4 2 2t h ec a s ew h e nt h es t e e lg r a d ei sn s 0 4 4 4 3r e p a i rs i m u l a t i o no f 7 7 c a s i n g 4 7 4 3 1t h ec a s ew h e nt h es t e e lg r a d ei sj 5 5 4 7 4 3 2t h ec a s ew h e nt h es t e e lg r a d ei sn 8 0 。4 8 4 4s u m m a r yo fs i m u l a t i o nr e p a i rr e s u l t s 5 0 c h a p t e r5ap r o g r a mu s i n gv bt oc a l la n s y s f o rt h ea n a l y s i so f c a s i n gd e f o r m a t i o nu n d e r n o n u n i f o r me x t e r n a ll o a d 5 3 5 1i n t r o d u c t i o no f v ba n da p d l ，j 5 1 1i n t r o d u c t i o no f v b 5 3 5 1 2i n t r o d u c t i o no f a p d l 5 4 5 2v bc a l l sf o ra n s y s 5 5 5 2 1t h ed e s c r i p t i o no f v bc a l l i n gp r o g r a ma n di t su s ep r o c e s s 5 6 5 2 2t 1 1 ed e s i g no f v bc a l l i n gp r o g r a m 5 9 5 3t h et r e a t m e n to f c o m p u t e r - g e n e r a t e dd o c u m e n t s o z ， 5 4n o t e so nt h i ss o f t w a r e 一b z 5 5c h a p t e rs u m m a r y ”0 3 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 6 5 6 1t h em a i nc o n c l u s i o n s 6 5 6 2p r o s p e c t 6 5 r e f e r e n c e s 6 7 a c k n o w l e d g e m e n t 7 l r e s e a r c hr e s u l t sa n dp a p e rp u b l i c a t i o n 7 3 v l 目录 b i o g r a p h i c a ln o t e so fa u t h o ra n ds u p e r v i s o r 7 5 v i i 北京化t 大学硕j ：学位论文 v i i i 第一章绪论 1 1 课题来源及相关背景 第一章绪论 套管在油井钻探和油气开采过程中起着非常重要的作用。在一口油井中，按 照所起的作用不同，套管可以被分为三大类：表层套管、技术套管和生产套管。 表层套管的主要作用是封固上部易垮塌的松软地层以利后续钻进；技术套管的主 要作用是分割难以控制的复杂地层，保证钻井工作顺利进行；生产套管的作用是 保护生产层，并给油气从产层流至地面提供通道【l 】。 油井完井投产之后，随着注水压力的升高，注入水沿着岩石之间的缝隙进入 到其他岩层中去。当注入水流入泥岩或盐岩等岩石地层时，泥岩、盐岩便吸水软 化，其力学性质和应力状态发生了巨大的变化，岩石的物理特性趋于软化，岩石 形成的胶结力也逐渐消失，变为塑性特性，在地应力作用下，便开始发生地层岩 石蠕变，向井眼周围产生变形。这时，地应力便通过岩石蠕变作用于水泥环，进 而间接作用到了套管上，造成了套管损坏。这是造成套管损坏的一个重要因素【2 l 。 套管损坏之后不仅使油水并失去了生产能力，而且会导致区域注采系统变得 不完善，严重影响油田的正常生产。例如美国威明顿油田，从2 0 世纪初到9 0 年 代，这9 0 余年间，由于实际生产中大量石油液体等被开采出来，就使得该地区 地层内部的局部地应力的平衡被打破，地层活动日渐明显，从而造成了大量油井 套管的损坏；罗马尼亚坦勒斯油田在开发了仅仅3 0 余年之后，就因为有3 0 以 上的油井因为套管损坏而被迫停产。在国内的大港油田西部地区( 简称港西地 区) ，油水井套损比例更是高达4 0 0 , 6 以上；套管损坏的直接影响就是油井正常采 油活动停止，并且需要投入大量人力物力进行受损套管的更换修复；其更深一步 的影响就是使得该油田的开采技术和系统成熟度降低，油田的采油率也随之降 低，这些均属于套损的问接影响，也是不容忽视的。所以对油田所常用的基本型 套管进行深入研究，不仅对油田的j 下常生产有着重要的指导意义，而且对套管生 产厂家对于套管技术的改进也具有重要借鉴作用【3 】o 通过大量的统计我们发现，在众多包括化学、物理等导致套管损坏的原因当 中，除去腐蚀因素及油水井本身生产因素之外，其他的一些造成套管损坏的因素 均与油田油井的井口周围区域的应力变化异常有关，且具有区域特性，即容易出 现在同一区域的不同油井套管同时集中损坏的现象”】。在所有导致套管损坏的地 应力变化因素当中，尤以非均匀地应力的影响最为普遍。根据岩石力学的相关理 论，在均匀地应力的作用下，油井井眼的形状是圆形，而非均匀地应力情况下是 椭圆形。故而非均匀地应力作用下的套管变形情况更为复杂，而且因为其更加符 北京化工大学硕士学位论文 合油田生产的实际情况，所以极具研究的必要性【5 】。 本课题源于本校与中石油大港油田合作进行的对油田套管受力损坏和修复 对策的研究项目，是立足于油田实际生产的研究项目。本课题将针对非均匀地应 力作用下的套管受力及其变形进行研究。利用a n s y s 软件对非均匀地应力作用 下的油井套管工作环境做一个更加贴近实际情况的模拟，以期找出某一种型号的 套管所能承受的最大载荷及其所产生的最大位移，得出某型套管变形的危险深度 及其等效破坏载荷比等数据信息，进而科学地指导油田的生产工作。 在研究得出的数据及操作规程的基础上，通过v i s u a lb 勰i c 软件编程，建立 了一个直观清晰的油井套管受力形变分析视窗软件，使得非专业或者不熟悉 a n s y s 软件的人员能够快速准确地了解到某一口油井在某一井深处的套管受力 形变情况，对油田实际生产具有重要的指导意义。 1 2 套管形变研究领域的现状及发展 石油的开采最早可以追溯到殷商时代的中国，易经中就有哆泽中有火 的记载。当时只是简单地在地上打一口井，开采相对浅层的石油用作普通替代煤 的燃料。到了近代特别是工业革命之后，随着科学技术的突飞猛进以及社会经济 的大发展，石油成为了世界能源的主力军，被称为世界工业的“血液”，其重要 性不言而喻。因此石油开采量使用不断增加，为了增加产量，油田开采的深度也 逐步加深，进而可以开采更为深层的石油资源【6 】。但是随着生产规模的扩大和开 采工艺的发展，油井套管变形情况日益显现，引起了许多相关部门和人员的高度 重视。 发生套管损坏的油井在二维平面上具有如下几种分布规律【3 ，7 】： ( 1 ) 油田中发生套损的油井一般均集中分布在该地区地层断层的两侧； ( 2 ) 油田中套损油井分布在地质因素构造的较高地区以及在两翼地层部分 。地层倾角较大的区域； 。 ( 3 ) 在生产过程中采甩了高压注水技术的油井及超平衡水井区； ( 4 ) 油井分布较为密集的区域也是套管损坏分布较为集中的区域； 具体到港西油田地区，其油井套管的损坏情况具有如下的特点： ( 1 ) 港西地区地质特点较为复杂，其特点是区域断层较多、地下油层之间 的相互连通性很差，其间存在有二十多条相互组合的断层将港西油田地区分割成 了三十多个小的断块；在开采层面，地层中的含油层不连贯，大部分情况下是和 ，地下水层在交替存在，而地下水层在地层的横向上具有较大的活跃度；含油层较 其它地区的油层浅、但开采时出现的出砂情况比较严重；港西地区含油层周边的 第一章绪论 岩石组成成分中多为质地较细的砂岩、胶结的泥页岩等，所以油层的胶结现象比 较轻微，开采过程中会出现较为严重的出砂现象。 ( 2 ) 港西油田地区套管损坏井占到油井总数的4 1 5 ；在统计中的油井有 1 6 5 口，占到总数的4 5 ，地层水井有4 5 口，占到水井总数的3 1 ，已经发生 停产或直接报废的井1 1 5 口，占套损井总数的5 7 1 ，还存在数量不少的油井在 “带病”继续生产；套管发生错断的油井( 全部或部分错断) 共3 5 口，占套损 井总数的1 7 6 ；发生纵向破裂的油井有2 9 口，占总数的1 4 0 5 ；套管发生严 重变形的油井有1 4 1 口，占总数的7 1 4 ，其中套管因受到地层横向作用应力而 被损坏的有1 2 5 口。 ( 3 ) 港西油田油井的套变速度有着逐年加快的趋势。七十年代之前平均每 年有2 3 口井发生套管损坏现象；从七十年代末到八十年代中期，套损速度明显 加快，达到了每年l o 口左右的速度；进入2 l 世纪之后由于生产规模的扩大，年 损井和套管年损率更是逐年增加，这引起了相关部门的高度关注。 ( 4 ) 从位置因素来看，套管损坏现象在射孔井段位置发生的最多，共有1 3 5 口井，占总数的4 7 8 ，损坏位置位于油层顶界3 0 米以上的有6 9 口油井，占总 数的3 2 ，其余损坏情况均发生在地层含油层的夹层位置。 通过以上的一些资料可以看出，油井套管的损坏不仅严重阻碍了正常的油田 生产活动，而且造成了巨大的人力、物力和财力损失，仅是经济损失一项，每年 国家就要付出几百亿元的代价。因此在基础理论方面，相关领域的研究逐渐丰富 了起来。不少中外科学家通过岩石力学，材料力学或地球物理学等学科的相关研 究，力图解决套损方面的难题。 首先是l a v y 等人在1 9 世纪末提出了薄壁圆管弹性失稳的临界压力计算公 式，但是由于其基础是圆管稳定理论，所以就没有考虑当时的生产工艺问题( 套 管的壁厚不均匀以及无法保证管壁截面圆度) ，直接导致了其计算结果存在较大 偏差。因此2 0 世纪初苏联科学家布尔卡科夫、铁木辛哥等在前人研究成果的基 础上，增加了对套管椭圆度这一因素的考虑，得出了以下公式( 简称铁布公式) ： a 哗p 电橐) 二 其中见为套管失稳临界压力；e 为套管管壁的椭圆度( 套管椭圆形横截面 的长径和短径与平均直径之比) 1 8 ，9 】 从2 0 世纪3 0 年代寸始，美国歹油够舍a p i ( a m c r ：i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 也 开始在套管损坏问题方面进行深入研究。由这个组织给出的a p i 计算公式，迄：j ： 今为止已经被世界上许多国家的石油生产设计部门所接受。a p i 计算公式是利用 北京化工大学硕士学位论文 大量的实验数据采取数理回归的方法而得到的。但是其也存在一些缺点。例如， 在计算套管抗挤强度时，由于影响抗挤强度的因素有很多，而基于a p i 公式对 套管生产工艺方面的缺陷要求不够全面，故而得出的结论与实际相差很大，对高 抗挤强度的套管设计不适用0 0 , i t 】。 进入2 0 世纪5 0 年代，苏联在套变研究方面开始迎头赶上，颁布了一系列生 产标准，其中就有极具代表性的f o c t 标准，该标准是以苏联科学家萨尔奇索夫 所提出的套管抗挤强度计算公式作为基础，考虑到了在当时工业水平下生产的套 管所存在的一些缺陷因素( 如有椭圆度和套管壁厚不均匀等) ，可以说f o c t 标 准是套变研究领域的一个比较完善的标准体系，其计算公式如下： 纠仁叫丧锄卜 到了上个世纪6 0 、7 0 年代的苏联，相继有科学家提出了套管的弹塑性理论， 认为套管的损坏应该将材料弹塑性的相关问题列为一个重要影响因素来考虑，其 中的代表人物就是苏联科学家耶内敏柯，他通过大量的试验证明了将材料弹塑特 性因素加入到套管抗挤计算中去，进而得到了更加符合实际的计算结果。 近几十年来，国外相关领域的研究也有许多重大进展。苏联人依辛科通过大 量重复试验，建立了在非均匀地应力作用下的套管应变模型，得到了套管内部的 应力变化公式。而美国在此方面的研究也有了许多成果，a p i 公式得以扩展和发 展，在其中加入了许多在复杂应力作用下的影响因数，使得a p i 占稳了世界上 应用范围最广设计计算公式的位置。 我国的套变相关研究起步较晚，虽然相对美苏两大国的研究成果来说具有一 定的差距，但是也取得了丰硕的成果。从7 0 年代开始起步，到了8 0 年代中期， 在石油大学黄荣樽教授团队的刻苦钻研下，通过试验建立起了复杂地层情况下泥 。页岩的相关蠕变模式：推动了我国在地层蠕变模式下套管形变相关研究工作的开 。 展【1 2 - 1 4 1 。 。 。 ： 。 石油大学邓金根教授建立了一个模拟试验台，在实验台上通过不同硬度的， 具有相同弧度的橡胶块来对待测套管进行加压，达到非均匀外载加载的目的。同 。 时在加压位置放置自主研制的测力棒，希望能够较准确地测量出待测位置所受应 力的大小。通过试验，得出了一个重要结论：在非均匀外力作用下套管屈服时的 外载分布为一个近似椭圆形，称为卡西尼椭圆；套管受非均匀外载作用时的强度 要比受均匀外载作用时的强度下降约五分之一；受剪切作用时，强度下降8 倍； j 受对径集中载荷时，强度下降2 1 倍【阁。： 。 j 闫相祯等在前人研究的基础上，通过蠕变地层外载计算的位移反分析法，得 第一章绪论 出了在较复杂的地质应力作用情况下，套管的应力和位移计算公式。采用阻尼最 小二乘法建立套管外载反求模型，为今后类似研究提供了有力支撑。在不同地质 条件下具有不同的参数取值，使所得出的计算公式具有较广泛性的应用前景1 6 1 。 1 3 套管损坏因素 1 3 1 地质因素 通过大量的研究我们发现，在所有套管损坏当中，地质因素的影响占据着主 要位置，所在地区地层的属性、储油层的倾角、地下岩层特性、断层的活动情况、 地壳运动和地震等地质因素一旦发生变化，将产生巨大的地应力变化，这将直接 导致套管的严重损害，局部甚至出现大片区域套管“集体 损坏的现象，对油田 的正常生产造成深远影响。因此可以这样说，套管损坏的原因绝大部分是因为地 层的错动、蠕变、剪切、油层出砂等地质因素所造成的。 地层中的泥岩层、盐岩层本身就是较软的地层，在整个地区区域地壳板块中 属于比较脆弱的环节。由于开采阶段高压注入水的窜入，以及岩层自身较大的上 覆岩压力或在远场地应力作用下就会发生滑动和蠕变，对嵌入其中的套管产生比 较大的横向和纵向载荷作用，当大于套管本身承载极限时，套管就会发生变形破 坏，甚至是更为严重的错断现象。由于油层开采活动所注入的高压注水使得岩层 发生相对滑动的情况具有两种类型，一是在岩层自身重力作用下产生的；另外一 种就是由于注采压差产生推动作用而形成的类型。重力作用类型即如前所述情 况；注采压差推动型是指由于注入水的压力大于无注水井的压力而造成地下岩层 的相对滑移。在通常情况下，采用注水生产的油井井底的压力大于无注水油井的 压力，进而就形成了一个孔隙压力差，对于一些油层渗透率较低的油田或者在注 水井周边发生了孔隙堵塞的现象时，这时所注入的高压注水就不能顺利地渗入油 井之中，这就导致了注水井的井底压力远远高于无注水井的压力，产生了一个由 注水井指向其他油井的数值较大的孔隙压力差。而这个力是直接作用在岩层上 的，当这个压力超过该地区岩层的剪切强度时，局部区域的地层将在这个较大的 孔隙压差作用下由注水井方向朝无注水井方向移动，这样身处其中的油井套管就 发生了挤损。当某地区岩层具有较大的倾斜角时，套管则更易发生破坏。此时岩 层的厚度与套管所受载荷的大小成讵比关系【l7 博】。 油田为陆相沉积的情况之下，储油层一般多为背斜和向斜结构。背斜构造的 成因是受到地层侧向应力作用，进而发生了折皱；在相同的条件下，因为受到岩 层本身所存在的重力在水平方向上分力的影晦，岩层的地层倾角较大的地区以及 两翼部分较为陡峭的地层比地层倾角小的地区更加容易出现套管损坏的现象。 5 北京化工大学硕士学位论文 剪切变形的形成是断层滑移的结果。随着油田油井的不断开采，地层之间的 压力平衡遭到了破坏，再加上在生产中会采用压裂、酸化等手段提高生产效率， 就会导致岩层之间相对稳定的平衡被打破，这样就会导致断层之间发生相对错 动，就像一把锋利的剪刀，将套管切断【1 9 1 。 生产过程中的油层出砂，也是造成套损的一个重要方面。在采油过程中由于 需要向地下采油界面进行注水作业，在高压注水的作用下，地下岩石中某些胶结 力较弱的部位( 如砂岩部位) 就会因为高压水的冲刷作用而产生结构破坏，大量 的散沙被水冲得掉落下来，随着水流被冲走。其结果就是在原本是岩石的部位产 生了一个个空洞，这些空洞处所形成的形状突变引起了应力集中现象，这就使得 砂岩等岩层薄弱处所受到的应力越来越大，油层出砂现象也越发严重。直至最后， 整个砂岩薄弱部位被高压注水所“掏空 ，上层的坚硬岩石失去了砂岩岩层的支 撑作用，发生坍塌现象，巨大的外载荷直接作用于身处其中的套管之上，使得套 管发生损坏变形【2 0 】。 除去以上因素之外，地震因素也是一个不容忽视的方面。我们生活的地球其 实是一个在不断发生变化中的行星，其内部构造运动从其诞生之日起就一直没有 停止过。根据各国地震台网的监测记录来看，每天全世界各地都会发生数万次的 地震，但由于震级比较微小因而我们无法感知到。每一次的地震都相当于地球内 部地应力的微微调整，以便达到新的平衡状态，但是如果发生了较为严重的大地 震，则会产生较大的新的地质断层以及地表裂缝，也可能使得原本已经达到应力 平衡的老断层重新处于不稳定的状态，因此由于地震所引起的地应力变化也是一 个导致套管损坏的重要因素之一。地震可以造成套管损坏的主要因素是：地震过 后地下水层遭到破坏，大量的地下水通过地震所产生的断层或者裂缝进入到位于 储油层的泥、页岩层，而泥、页岩层在吸水之后就会发生膨胀现象，进而产生较 大的粘塑性，使得该地震地区的地下岩层沿着断裂带而缓慢蠕变移动【2 1 1 。假设 一旦移动速度超过l o m m 年时，就会破坏其中的套管结构。美国的威明顿油田在 1 9 4 7 年的大地震过后，就有超过半数的油井在地层深度5 0 0 米左右处发生了损 。 坏现象；此后的1 9 4 9 年和1 9 5 1 年的两次地震均使得该油田成片油井套管损坏。 1 3 2 工程施工作业因素 地质因素是较为客观的因素，一般是在别的因素发生之后所引发的，进而成 为套损的主要因素。但是建造油井过程之中的工程因素也有很大的影响。 首先，套