長(zhǎng)效地應(yīng)力機(jī)制下套管應(yīng)力與抗擠強(qiáng)度理論研究.pdf

1、本文針對(duì)固井狀態(tài)下因套管長(zhǎng)期服役引起的損壞問題，建立了長(zhǎng)效地應(yīng)力機(jī)制下套管應(yīng)力與抗擠強(qiáng)度的研究方法，研究了固井狀態(tài)套管存在的非載荷固井套管應(yīng)力，長(zhǎng)效地應(yīng)力機(jī)制下固井狀態(tài)井眼周圍地應(yīng)力分布和套管應(yīng)力分布，不同固井狀態(tài)下因地應(yīng)力長(zhǎng)期作用產(chǎn)生的套管應(yīng)力和變形以及套管可能的破環(huán)位置與載荷。該理論研究方法的建立為解釋實(shí)際工況條件下套管的局部損壞，制定防治套管損壞的工藝技術(shù)和鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了簡(jiǎn)單有效的方法。 通過對(duì)固井實(shí)際狀況的分析

2、，建立了三種固井物理模型和套管應(yīng)力分析力學(xué)模型。通過分析工藝技術(shù)，提出了固井過程因水泥水化和凝固在套管內(nèi)產(chǎn)生固井套管環(huán)向應(yīng)力的概念，這種固井套管環(huán)向應(yīng)力和其它載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力同時(shí)被封固在套管中，形成了非載荷作用下套管的原始應(yīng)力，套管的原始應(yīng)力對(duì)套管抗擠壓性能產(chǎn)生不利影響。通過試驗(yàn)測(cè)試了固井套管環(huán)向應(yīng)力，證明了固井套管原始應(yīng)力的存在。 應(yīng)用經(jīng)典彈性力學(xué)中的半逆解法和疊加法，首次建立了長(zhǎng)效地應(yīng)力機(jī)制下固井狀態(tài)井眼周圍地應(yīng)力的分布理

3、論，提出了井壁徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和剪切應(yīng)力不為零的觀點(diǎn)。認(rèn)為優(yōu)質(zhì)固井狀態(tài)井壁的應(yīng)力呈周期變化，得出了優(yōu)質(zhì)固井狀態(tài)地應(yīng)力長(zhǎng)期作用下套管應(yīng)力分布的理論計(jì)算公式，指出了破壞的局部性，該理論可以直接應(yīng)用于工程計(jì)算，簡(jiǎn)單、方便。 用能量法分析研究了一般固井狀態(tài)下的套管應(yīng)力，得出了地層應(yīng)力越均勻套管越不容易損壞，長(zhǎng)效地應(yīng)力作用下套管易于局部損壞的結(jié)論。首次應(yīng)用相鄰平衡準(zhǔn)則法探討了偏心固井狀態(tài)套管的穩(wěn)定臨界載荷，提出了偏心固井狀態(tài)套管安全工作

4、的載荷是由強(qiáng)度條件和穩(wěn)定條件共同決定的概念。首次應(yīng)用薄殼理論分析了任意缺陷固井狀態(tài)套管應(yīng)力和變形，分析了水泥環(huán)剛性和彈性約束局部環(huán)狀固井缺陷下的套管受力變形，通過半逆解法試算，合理地確定了待定邊界問題，給出了符合邊界條件和微分方程的位移、應(yīng)力解和應(yīng)力分布狀況，確定了剛性和彈性兩種約束條件下套管破損危險(xiǎn)主要發(fā)生于缺陷中部，剛性約束時(shí)套管損壞一般發(fā)生在缺陷邊緣，建立了該環(huán)境下的套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)和套管損壞條件；初步建立了局部塊狀固井缺陷下的套管受

5、力變形分析方法，為進(jìn)一步分析套管局部損壞原因提出了新的思路。 分別采用有限元方法和工程實(shí)例分析計(jì)算了不同固井狀態(tài)套管應(yīng)力和變形，驗(yàn)證了理論分析方法的正確性。解析解和數(shù)值解的結(jié)果都表明：水泥環(huán)能夠極大的提高套管的抗擠能力；四種固井狀態(tài)長(zhǎng)效地應(yīng)力機(jī)制下套管都具有損壞的可能性，有效地解釋了固井狀態(tài)套管多發(fā)生局部變形的實(shí)際工程現(xiàn)象。工程實(shí)例、常用理論的計(jì)算結(jié)果證明了本論文理論分析方法的正確性，而且，本理論分析方法對(duì)分析套管應(yīng)力和抗擠強(qiáng)度