考虑非均匀地应力的热采井水泥环力学分析.pdf

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1、长江大学学报(自科版)2014年】月号理工上旬刊第11卷第l期JournalofYangtzeUniversity(NatSciEdit)Jan．2014，Vo1．11No．1考虑非均匀地应力的热采井水泥环力学分析吴健，黄志强(长江大学石油工程学院，湖北武汉4301oo)陈英明(中石油长城钻探工程有限公司固井公司，辽宁盘锦124000)游尧，李明晶(长江大学石油工程学院，湖北武汉4301oo)[摘要]在热采井稠油开采过程中，水泥环的密封完整性对于保障稠油高效开采十分关键，因此开展非均匀地应力状态下的热采井水泥环力学分析研究具有重要的实际意义。热采井水泥环在井下承受高温、高压、非均匀地应

2、力等各种复杂情况，容易造成水泥环破坏而影响稠油正常开采。通过对热采井水泥环系统的力学分析，并考虑多因素的影响，建立了水泥环受力模型，结合实例计算分析了水泥环弹性模量、热膨胀系数、注汽温度、非均匀地应力等因素对水泥环强度的影响，对于热采井固井水泥浆性能设计和预防水泥环破坏具有重要的指导意义。[关键词]热采井水泥环；地应力；水泥环弹性模量；热膨胀系数；注汽温度[中图分类号]TE931．1[文献标志码]A[文章编号]1673—1409f2ol4)01—0074—04近年来，随着我国稠油开发规模的不断扩大，稠油高效开采逐渐受到人们的普遍重视。为了充分保障稠油的高效开采，保证水泥环的强度与密封具

3、有重要的实际意义。由于热采井水泥环在井下承受高温、高压、非均匀地应力等各种复杂情况，容易造成水泥环破坏从而影响稠油开采。目前国内对热采井水泥环的力学研究相对较少，多集中在套管受力研究领域。因此，针对热采井水泥环开展系统的力学分析，并考虑多因素的影响，建立水泥环受力模型并求解，分析水泥环材料参数、注汽温度、非均匀地应力等因素对水泥环强度的影响，对于热采井固井水泥浆性能设计和预防水泥环破坏具有重要的指导意义。1模型的建立为了更方便地开展套管～水泥环一地层系统的受力分析，作如下假设：①套管、水泥环和地层均考虑为均质的线弹性材料；②井眼为垂直井眼且为规则圆形；③套管理想居中，固井时水泥浆充满环

4、形空间。模型受力分析图如图1所示。在非均匀地应力条件下，存在水平最大主压应力和最小主压应力的作用，且不相等。其他已知参数为：套管内半径r，mm，套管外半径r，mlTl，井眼半径r。，mm，地层岩石圈半径r，mm；套管内压P，MPa，套管弹性模E，GPa，泊松比；水泥环弹性模量E。，GPa，泊松比／z。；地图1模型受力分析图层弹性模量E。，GPa，泊松比。。根据弹性力学和热应力理论对该模型进行耦合分析，将其受力分解为3个部分。1．1考虑均匀地应力模型的建立此模型可以看成是在均匀地应力(+)／2和套管内压力P共同作用下的模型，模型满足厚壁圆筒的条件，可以用拉梅公式求解。模型边界条件为：[收

5、稿日期]2o13—09—12[基金项目]国家科技重大专项(2011ZX05021—001)。[作者简介]吴健(1988一)，男，硕士生，现主要从事固井工艺技术方面的研究工作。第1l卷第1期吴健等：考虑非均匀地应力的热采井水泥环力学分析f(口lh)Pr_一一PCOS一Psin一一P1(aiea)p=q一一。。z一(sin2~-一O一'H@-O'h根据该模型边界条件及位移条件可以得出套管、水泥环和地层的位移及应力分布：1+fi)p一—孑{(1一((Glpi)p=ri+职)+22一一(～)(~lpi)p=r+(一手)一，(+)一+(+拳)式中，，R分别是不同材料的内外边界半径，ITI．分别是

6、不同材料的周向应力和径向应力，MPa；甜b是不同材料的径向位移，m。由边界条件以及位移条件(“2n)P一(z。)P和(Mz。)一(U2)。{，求出()P和()一，从而求出此模型的解l_3j。，1．2考虑非均匀地应力模型的建立此模型可以看成是受2种不同水平主应力的模型口]，一种为均布拉应力(一)／2，另一种为均布压应力(一)／2，求出了包括3种不同材料区域的解l4]。模型边界条件为：(z)一一COS2一sin2一c。s2(rz)一一一2s1‘n。。一一sin2(3)(P)P一一0(r2)P一1—0根据弹性力学理论可得出R套管，水泥环和地层各部分的位移及应力分量如下：]J、1●●{，fj_

7、2c0s2，2坠)血嘉一cos2(2计+)㈩z一c。sz12Aipz+zB+6Di)一sin2(6AP+2Bi一2Q一6Di)式中，z，z和rz分别是不同材料的周向应力、径向应力和剪应力，MPa；Ul，“分别是不同材料的径，向位移和周向位移，ITI。由边界条件以及位移条件：(“2)一(“2)P，(2)一(2)，(“2)(“2。)，(U22)P—r3===(U2)Pr3，(n)P=2二=(2P2)一2，(P2)P一，3==(。)P=r3，(r2P