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中国安全生产科学技术 2017年第6期13卷 40-46页

作者：王倩琳张来斌胡瑾秋王海涛李奎为贺维维中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京102249 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院北京100101

页岩气开发具有施工压力大、排量大、改造规模大的特点,使得压裂套管处于复杂力学环境中。挤压、剪切和弯曲等载荷共同作用,易引发套管挤毁变形,进而导致后续作业时井下工具下入遇阻。但目前研究多针对压裂套管的单一失效原因,难以保障... 详细信息

页岩气开发具有施工压力大、排量大、改造规模大的特点,使得压裂套管处于复杂力学环境中。挤压、剪切和弯曲等载荷共同作用,易引发套管挤毁变形,进而导致后续作业时井下工具下入遇阻。但目前研究多针对压裂套管的单一失效原因,难以保障其完整可靠性。鉴于此,针对页岩气大规模压裂作业特点,从不同薄弱位置(如垂直段、造斜段、水平段)、不同自身规格(如钢级、外径、壁厚)和不同约束条件(如内压、孔径、螺距)等多角度,系统辨识套管变形的失效影响因素。通过建立压裂套管三维模拟的有限元模型,分析套管内压变化引起套管应力、位移的变化规律及形态,明确套管变形的大小以及与载荷变化的关系,并揭示套管变形的位置及影响因素的临界值。结果表明:压裂套管的造斜段最大变形、水平段应力集中现象较为严重,属于危险脆弱点;且套管最大应力、最大位移随内压的增加而近似成线性降低关系。

关键词：多角度辨识压裂套管套管变形失效影响因素有限元模拟

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三维弯曲井眼中压裂套管强度安全性分析及实验台设计

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作者：刘玉雪西安石油大学

学位级别：硕士

大部分油气井在实际钻井中最终形成的井眼轨迹不可能完全按照设计轨迹钻进,而且在压裂改造过程中会使套管处于复杂的力学环境中,套管的剩余强度也会随之发生改变,出现套管变形损坏问题。因此,开展三维弯曲井眼中压裂套管强度安全性分析... 详细信息

大部分油气井在实际钻井中最终形成的井眼轨迹不可能完全按照设计轨迹钻进,而且在压裂改造过程中会使套管处于复杂的力学环境中,套管的剩余强度也会随之发生改变,出现套管变形损坏问题。因此,开展三维弯曲井眼中压裂套管强度安全性分析及实验台设计,为套管结构设计及后续施工参数控制提供依据。考虑三维弯曲井眼轨迹曲线的空间几何特性,考虑测深、井斜角、方位角的影响,利用空间五次PH曲线具有连续单位切矢和有向曲率、不需迭代计算等优点,利用Bézier多项式插值优化计算模型和算法,依据确定的空间四点,准确反演计算得到其中间的空间参数,建立井眼轨迹解析函数,生成井眼轨迹曲线。在此基础上,考虑井眼轨迹、套管结构、压裂施工要求,考虑套管自重、浮力、内外压力、温度载荷以及流体摩擦阻力作用,开展压裂套管轴向载荷分析,建立微元段压裂套管轴向载荷力学模型,计算微元段套管所受轴向力。应用Lame厚壁筒理论分析内外压作用压裂产生的环向应力与径向应力,分析轴向力产生的轴向应力,分析弯曲载荷产生的剪切应力,利用第四强度理论计算三维弯曲井眼不同井深处压裂套管在复杂三向应力状态下的强度安全系数。为测试套管的抗弯强度,根据四点弯曲测试理论,设计了一种专门针对套管的四点弯曲实验台,对关键零部件固定夹具静态性能进行有限元校核计算。结果表明:使用空间五次PH曲线插值法,在已知测点之间进行任意个点的插值计算,得到的井眼轨迹比三次样条的误差小;经过实例计算压裂套管的轴向载荷最大处在井口位置,三向应力最危险处为狗腿度最大位置;设计研发了一种专门测量套管抗弯强度的四点弯曲实验台。研究结果为三维井眼轨迹描述、压裂套管强度安全性分析和控制压裂施工参数提供依据。

关键词：三维弯曲井眼压裂套管强度安全性实验台设计

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丛式井多级压裂套管柱失效模拟评价与控制技术

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作者：贾飞鹏西安石油大学

学位级别：硕士

随着常规能源的枯竭,作为非常规能源中的页岩气具有清洁、高效、可开采寿命长等特点,逐渐成为开采的热点。为了提高页岩气的采收率,大排量体积压裂技术广泛的应用于页岩气的开采中,但是压裂套管柱的失效问题也越来越严重,严重制约了页... 详细信息

随着常规能源的枯竭,作为非常规能源中的页岩气具有清洁、高效、可开采寿命长等特点,逐渐成为开采的热点。为了提高页岩气的采收率,大排量体积压裂技术广泛的应用于页岩气的开采中,但是压裂套管柱的失效问题也越来越严重,严重制约了页岩气的高效开采和利用。通过对套管损坏机理的研究,发现压裂过程中井筒温度变化和非均匀载荷对套管损坏有显著的影响。本文主要从以下三个方面研究压裂套管柱的失效问题:首先,根据丛式井的井眼结构特点,建立了套管在井筒中的受力模型,计算了压裂套管柱在井筒中的轴向力分布,并分别评价了轴向力、狗腿度对套管安全服役性能的影响。其次,结合现场数据建立了压裂过程中井筒温度场模型,分析了压裂过程中井筒温度的变化规律,评价了注液压裂阶段温度变化对套管安全服役性能的影响。最后,考虑压裂套管柱的服役工况,根据我国西南地区的储层参数建立了地层—水泥环—套管有限元模型,分析了非均匀载荷作用下套管的应力分布、位移及其安全性,并提出了有效的防控措施。研究发现:在相同轴向载荷的作用下,套管抗挤强度的降低比随着套管材料钢级的增大而呈非线性减小,提高套管材料的钢级有利于降低轴向载荷与井眼结构对其强度的削弱。在套管材料钢级不变的情况下,增加壁厚有利于提高套管安全服役的性能。在压裂过程中,井筒温度具有较大的变化幅度,温度变化对套管强度具有显著的影响,随着井筒温度的不断降低,套管抗外挤强度也在不断地降低。冬、夏季井筒温度最大降幅为62.3℃、53.6℃,套管的抗挤强度分别下降了16.8%、13.5%。相比较低钢级的套管,高钢级套管的抗挤强度受温度变化的影响较小。非均匀载荷对压裂套管柱的安全服役具有显著的影响,随着非均匀系数的增加,套管柱失效的风险显著增加,地层载荷的非均匀程度越大,套管的局部应力越大,即套管很容易损毁;载荷的非均匀程度越大,套管在水平最大地应力方向的径向位移越大,套管变形越严重,套管的椭圆度越大,套管越容易损坏失效。研究结果对于页岩气井中压裂套管柱的失效研究、管柱设计及压裂工况下套管柱的安全评价具有一定的指导意义。

关键词：页岩气压裂套管温度非均匀载荷抗挤强度

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三维弯曲井眼中压裂套管轴向载荷分析

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云南化工 2020年第2期47卷 34-37,39页

作者：曹银萍刘玉雪陈超峰李明飞窦益华西安石油大学机械工程学院陕西西安710065 中国石油新疆油田公司勘探部新疆克拉玛依834000

大规模的压裂改造会导致套管处于复杂的受力状态中,严重时会出现变形、弯曲、断裂等问题。考虑井眼轨迹、套管结构、压裂施工要求,考虑套管浮容重、管内流体压力、流体摩擦阻力以及温度载荷作用,建立套管轴向载荷力学模型。计算套管所... 详细信息

大规模的压裂改造会导致套管处于复杂的受力状态中,严重时会出现变形、弯曲、断裂等问题。考虑井眼轨迹、套管结构、压裂施工要求,考虑套管浮容重、管内流体压力、流体摩擦阻力以及温度载荷作用,建立套管轴向载荷力学模型。计算套管所受轴向力,分析其抗拉强度,以合理选择压裂参数,预防套管损坏。以油田某井压裂施工为例,根据建立的轴向载荷力学模型,计算得三维弯曲井眼中套管的最大轴向载荷在井口位置约为2191.648k N;井口套管抗拉强度安全系数最低,约为1.408,基本满足压裂施工要求。

关键词：压裂套管轴向载荷三维弯曲井眼安全系数分析

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压裂过程中考虑井眼曲率对套管应力的影响

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石油机械 2022年第8期50卷 132-139,148页

作者：杨钊孙锐王鹏邱森淼葛薇苏子龙东北石油大学石油工程学院中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院

受井眼曲率变化影响,套管存在弯曲现象,在进行大规模压裂时套损情况严重。为研究井身结构变化对套管应力的影响,基于有限元分析方法,建立了不同井眼曲率半径下全管柱套管-水泥环-地层三维有限元力学分析模型,综合考虑地层弹性模量、套... 详细信息

受井眼曲率变化影响,套管存在弯曲现象,在进行大规模压裂时套损情况严重。为研究井身结构变化对套管应力的影响,基于有限元分析方法,建立了不同井眼曲率半径下全管柱套管-水泥环-地层三维有限元力学分析模型,综合考虑地层弹性模量、套管内壁压力以及地应力场对套管应力分布的影响,并针对徐深气田实际井眼轨迹进行实例分析。分析结果表明:随着曲率半径增大,套管应力呈现减小趋势,套管受力变形集中在造斜点和入靶点初始位置;随着岩石弹性模量不断增加,套管应力呈现减小趋势,当岩石弹性模量大于35 GPa时,套管应力下降幅度大大减缓,岩石弹性模量15 GPa为风险值;施工压力低于74 MPa时,地层弹性模量较高对套管保护作用更为显著;大于40 m的曲率半径钻井可以有效减轻施工压力和地应力共同作用对套管的破坏;在套管的造斜点位置采用高强度材质管柱可以降低套损风险。研究结果对现场预防压裂套管损坏有一定的参考。

关键词：压裂套管地应力套管内壁压力岩石弹性模量曲率半径

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