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随着能源的日趋紧张、石油价格的不断上涨和热力采油技术进步,稠油开采越来越受到重视。准噶尔西北缘是我国稠油的重要产区,但由于该区域地质情况复杂,稠油热力采油的特殊要求,使得稠油热采井套管损坏严重。开展热采井套管损坏机理及控制技术研究,对防止套管的进一步损坏、延长热采井的使用寿命具有重要意义。
对准噶尔西北缘稠油井套管损坏情况,特别是百重7井区进行了详细的统计分析,找出了套管损坏的规律和存在大量套损井的原因,即注汽温度过高,引起的热应力超过了套管屈服强度极限,丝扣泄漏等是主要原因。应更换套管和丝扣连接类型,降低注汽强度,使用热采井预应力固井等一系列控制技术来防止套管的损坏。
利用前人的一些试验数据,分析了温度对套管机械性能的影响及规律,建立了套管屈服强度、弹性模量、线膨胀系数随温度变化的回归模型,进而实现对现行行业标准推荐的预应力计算方法中的参数确定方法进行了改进,改进后的预应力计算结果比现行行业标准推荐方法的计算结果更切合实际。
根据弹性力学和塑性力学的有关理论,推导并建立了套管在“套管—水泥环—地层”系统中的热应力计算模型。利用该模型,可方便地计算套管的轴向应力、径向应力、环向应力和水泥环/地层对套管的围压。与常规套管应力计算方法(不考虑地层因素)相比,320℃高温下最大轴向压应力高出20.7%,残余轴向拉应力高出9.6%,如果再考虑材料温度效应,残余应力高出20.2%。
深入研究了热采井套管损坏控制技术的地锚预应力固井技术,研制了DMS系列预应力固井地锚并不断对其进行改进,大量实践证明,该技术是一项控制套管损坏的有效手段。
本论文的研究成果,已在准噶尔西北缘获得广泛而成功的应用,应用结果表明,所提出的套管损坏机理及控制技术是正确的,套管损坏率由2001年及以前完钻井的28.7%(184/641口井)降低到2002年和2003年完钻井的0.8%(4/519口井)。