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《套管壁厚对储气井井筒受力的影响分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、石油机械)36)CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第5期#设计计算!套管壁厚对储气井井筒受力的影响分析11234廖柯熹褚荣光孙华锋朱志慧王昌江(11西南石油大学石油工程学院21西南油气田分公司输气管理处31天然气运输公司黑龙江分公司41吉林油田分公司)摘要针对国内高压地下CNG储气井结构比较简单、存在井筒上冒和下沉的现象,对高压地下储气井井筒进行了受力分析,采用理论分析、实例计算和计算机仿真等方法开展研究,综合运用ANSYS软件、弹性力学、固体力学和土壤力学等方面的理论,建立了套管2水泥环2地层耦合模型。分析了不同壁厚
2、套管在非均匀地应力下对井筒径向应力和环向应力的影响,指出壁厚较厚的套管可承载较大的径向载荷,有利于套管2水泥环2地层耦合的稳定,但套管壁厚的变化对环向载荷的影响并不十分明显,所以选择套管壁厚时既要确保储气井的安全,又要经济合理。关键词储气井CNG地应力套管壁厚节能减排是我国经济实现可持续发展的内在要气阀构成地面部分;地下部分则由下封头、接箍、求。CNG在节能减排方面表现出来的优势非常明套管和排液管等组成,形成一个密封的腔体,该腔显。随着我国CNG汽车的逐年增多,对CNG的需体通过进出气阀与地面部分连通。求量不增加,国内正加大对CNG加气站的建设。而
3、CNG加气站储气井在环保和经济效益方面表现出来的优势,使该项技术得到广泛的好评和应用。目前储气井的技术发展迅速,但在安全监测方面还[1]有待完善。储气井大部分建在人口密集的大城市,一旦发生事故很可能导致较大的人员伤亡和财产损失。针对国内高压地下CNG储气井结构比较简单、存在井筒上冒和下沉的现象,笔者对高压地图1储气井结构示意图1)井口装置;2)储气井筒。下储气井井筒进行了受力分析,采用理论分析、实例计算和计算机仿真等方法开展研究,综合运用ANSYS软件、弹性力学、固体力学和土壤力学等2力学模型建立方面的理论,建立了套管2水泥环2土壤耦合模型,分析了
4、采用不同壁厚套管在非均匀地应力下井筒受根据弹性力学原理,非均匀地应力下地层水泥[3]力的基本变化规律。环套管系统力学耦合问题可视为平面应变问题。假设:¹储气井套管与水泥环为理想的均匀厚壁圆1储气井的结构筒,且不存在偏心;º地层、水泥环和套管均为各向同性的弹性材料;»第1、第2界面胶结良好,[4][2]将破坏边界线视为完全接触。其力学模型如图2储气井由井口装置(地面部分)、井底封头和井筒(地下部分)组成。国内常见的储气井结所示。构如图1所示。储气井是一种地下高压气储气系由于平面问题应力函数必须满足的相容方程2统,由排液收集管汇、排液阀、井口多通接头、
5、进¨U=0和力学模型的特点,假设应力函数为:22出气阀、上封头、接箍、套管和排液管组成。其U=(Ac0rlnr+Ac1r+Ac2lnr)+42-2中,排液收集管汇、排液阀、井口多通接头和进出(Ac3+Ac4r+Ac5r+Ac6r)cos2H(1)2010年第38卷第5期廖柯熹等:套管壁厚对储气井井筒受力的影响分析)37)式中Ac0~Ac6)))待定常数,由边界条件确定。E式中k=3-4L,G=。2(1+L)以上各式中,G、E、L分别为材料的切变模量、弹性模量、泊松比。在r=r0时,考虑套管内压的作用有边界条件:Rdr=pi0(7)Sdr=00套管和
6、水泥环完全接触时,边界条件如下:Rdr=Rdr11udr=udr11图2非均匀应力分布(8)Sdr=Sdr11地层、水泥环和套管组合体是一个多连体,由[5-6]vdr=vdr位移的单值条件可知,上式中Ac0应该为0。11同理,水泥环和地层完全接触时,边界条件如将应力函数代入平面问题的自动满足平衡方程,求下:得极坐标下圆筒的应力表达式为:-2Rdr=RdrRr=(2A1+A2r)+22-2-4udr=udr(A5+4A3r-3A6r)cos2H22(9)-2(2)Sdr=SdrRH=(2A1-A2r)+222-4v(Adr=vdr5+12A4r-3A
7、6r)cos2H222-2-4将求得的地层、水泥环和套管的应力及位移表SrH=(A5+6A4r-2A3r+3A6r)sin2H达式,代入相应的边界条件,可得到15个线性方式中A1~A6)))待定常数,由边界条件确定。程组,由这15个线性方程来确定相应的未知系数。极坐标下的平面问题几何方程为:9urEr=3非均匀地应力下井筒受力的基本参9r(3)ur19uH数变化规律EH=+rr9H极坐标下平面应变问题的物理方程为:根据前面的模型取基本计算参数如下:¹边界21-uL条件,非均匀地应力RH=4MPa,Rh=1~4MPaEr=Rr-RH=E1-L(地下1
8、00m处),套管内压力为25MPa;º地层1(1-L)Rr-LRH弹性模量为7000MPa,地层泊松比013;»水泥2G2
