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热采水平井套管的有限元分析方法

发布于:2016-04-13 22:34
有限元分析

      近年来,水平井采油技术得到了广泛的应用。所谓的水平井,是与直井相区别的。钻井时钻机先从地面开始打出直井或斜直井段,然后经过造斜逐步过渡至水平段。钻机在钻好井筒以后接着下钢套管,并用水泥浆将套管固定。
      目前,有相当数量的水平井采用注汽热采的方式进行稠油开采。把蒸汽通过水平井注入地层,在复杂的地层环境和蒸汽温度作用下,注汽水平井套管上会产生很高的应力,它可能导致套管失效,造成水平井的破坏,带来很大的经济损失。为解决这个问题,需要对水平井套管进行有限元分析,找出结构的危险区域,改进钻井和热采方案,以保证套管的工作寿命。
      水平井套管的应力分析是一个复杂的三维问题,如果用通用程序计算要耗费很多机时。针对水平井的几何与结构特点,提出了采用摄动有限元方法,把三维问题转化为二维问题,使问题的求解得到很大简化。
      水平井一般由(斜)直井段、造斜井段、水平井段组成(见图,AB为斜直井段、BC为造斜段、CD为水平段)。
      假设本文所研究的水平井具有以下的几何、结构及受载特点:
      1)水平井的(斜)直井段、造斜井段、水平段共处于垂直面内;
      2)造斜井段视为圆弧段;
      3)水平井的内压、温度载荷、所受约束条件在套管横截面上以管中心为对称轴。
      首先把问题的描述从直角座标系转换到广义座标系下。所采用的广义座标实际上就是水平井造斜井段的自然座标。
      在水平井套管的应力分析中主要关心套管及其附近地层的应力分布,即在Y不大的范围内的应力问题。因此,可以将式中的变量(即位移分量、应力分量等)展开成小参数T的级数。
      前两个方程是平面问题的平衡方程式在极座标系中的表达形式。因此,水平井套管的力知识题是一个具有类轴对称形式的问题。为方便起见,在以后的讨论中将方程中量纲为1的坐标Y换回半径r。由于水平井套管所受的内压和温度场是轴对称的,所受的约束也是轴对称的,因此,套管的应力分布也是轴对称的,不难得出轴对称平面问题的位移解。
      由以上公式可以看出,uh,eYh随Y增大衰减很快,分别与lnY,Y-1成正比。轴向位移和剪力在水平井套管的分析中是十分重要的。在热采水平井中经常可以看到井口附近地面隆起,在个别井中还可以看到井管伸出地面的现象,这些都与剪应力和轴向位移有关。
      本研究利用水平井的几何特点和结构特点,从普适的弹性力学方程出发,联合利用摄动和有限元方法,建立了水平井套管在固井完备条件下的力学模型,进行了应力求解方法的研究。这一方法把三维的大尺度问题转化为类轴对称问题,并揭示了剪应力、轴向位移的性质及其影响效应。直井段可以视为造斜井段的特殊情况,因此对造斜井段得出的公式和结论同样适用于直井段。根据本研究提出的理论和方法,用于实际的水平井应力分析之中,应用结果良好。


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