套管在热力耦合作用下的有限元分析
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值 影 响很大 。
２ ２ 应 力分 析 ．
温 度对 套管 的轴 向应力 ， 向应力 影响较 大 。从 图 ３４可 见 ， 考 虑温 度 的时 候 ， 重力 和地 层 蠕 动荷 环 、 不 在
载作用下的应力值小 ； 考虑温度荷载以后的各种应力值均 变大 ， 而且变化很大。因此 ， 热力耦合作用对套管
１ 热力耦合有 限元分析模型
为 了在有 限元分 析 中使 问题 既得 以简 化又 能反映其 主要 特征 ， 作如下 假定 ：
（） １ 在建模过程中， 考虑到土体的非线性特征 ， 采用大变形 ， 小位移假设 ， 不考虑温度 时力学模型中的土
体选用摩尔一库仑材料。 （） ２ 假设温 度变化是 呈线 性的 ， 不考 虑套 管 、 并且 水泥 环 的热容量 。
提出相应的防护措施 ， 将为冀东 １ 亿吨大油田的开发储备技术， Ｏ 促进石油开发与高校科技力量的交流合作 ， 对 于河北 国 民经 济发展具 有重 要意义 ， 并进一 步促进地 下压 力管道 研究理 论 的发展 ， 为城市 热 力管道 以及 电 站等领域的研究提供技术借鉴 ， 丰富地下生命线工程的研究方法。 在稠 油热采 工艺 中 ， 热采井 注蒸汽 的平均温 度在 ３０℃ ， 的超过 了 ３０℃ ， 般注气 压力 在 １ Ｐ ２ 有 ５ 一 ２Ｍ ａ以
第３ ２卷
第２ 期
河 北 理 工大 学 学 报 （自然 科 学 版 ） Ｊｕｎ ｌ ｆＨ ｂｉ ｏ ｔｃｎｃＵ ｉｅｓｙ Ｎ ｔ ａ ＳｉｎｅＥｉｏ ） ｏ ｒａ ｅｅ Ｐ ｌ ｅｈｉ ｎｖｒｉ （ ａ ｒｌ ｃ ｃ ｄｔｎ ｏ ｙ ｔ ｕ ｅ ｉ
ｖ １ ２ Ｎ ． ０ ３ ｏ２ ． Ｍａ。００ ｙ２ １
关键词 ： 数值模型 ； 热力耦合 ； 有限元；ＤＮ Ａ ＩＡ 摘 要： 利用大型有限元分析软件 Ａ ＩＡ 建立套管在温度荷载、 ＤＮ ， 重力以及地层的蠕动荷载组 合 下的三 维的数 值模 型 。通过 分析在 热力耦 合作 用下套 管的 轴 向应 力、 向应 变、 向应 力、 轴 环 环向应变和最大位移情况， 认为在热力耦合作 用对套管的影响是非常大的。 中图分 类号 ：Ｅ９ ５ ２ 文献标 志码 ： Ｔ ２ Ａ
（） ３ 认为模型中的各个参数不随着温度变化而变化 ， 各层土体的分界面假定为平面。
收 稿 日期 ：０９ ５ ７ ２０ － － ０ ０
第２ 期
贾立梅 ， ： 等 套管在热力耦合作用下的有限元分析
５
（） ４ 描述材料本构关系基于前人实验结果以及材料试验测定的本构关系。 根据以往的实验数据以及套管工作的实际环境 ， 建立复杂地层下 的套管 ＋ 水泥环 ＋ 地层的有限元分析 模型 ， 将土层分为四层 ， 并分别建立结构模型与热力模型 。在结构模型中的套管 十 水泥环 ＋ 地层的材料设置 为与温度有关的材料 。为了保证计算精度 以及计算空问， 土层采用 ４节点 、 水泥环 ＋ 套管采用 ８ 节点网格进 行划分。划分完的模型如图 １ 所示 ：
上 ， 的高 达 １ ａ超 过 了 Ａ Ｉ ８ 有 ７ＭＰ ， Ｐ ０套管允 许最 大温度值 ２４— ２ Ｎ ０ ２０℃ 。Ｎ ０套 管银 高 温屈 服强 度 降低约 ８
１％， ８ 弹性模量降低约 ３ ％ ， ８ 抗拉强度降低 ７ 以及蒸汽吞吐套管存在残余应力 ， ％， 使套 管处于屈服状态 ， 导 致套管损伤成为一个很严峻的问题 ， 而热应力是注气时热采井套损 的主要影响因素 ， 因此， 如何提高套管抗 破坏能力 ， 以及分析套管强度的有效性也是急待研究的问题 ， 本文采用大型有限元计算软件 Ａ ＩＡ建立水 ＤＮ 泥环 ＋ 套管 ＋ 地层的数值模型为热力耦合作用下的套管的设计提供更多的理论依据 。
０ 引言
在 石油工 业 中 ， 力采油在 稠油开 采 中 占据统 治 地位 ， 中 国稠 油 占其 石 油资 源 总量 的 ３ ％ 以上 。而 热 而 ０
稠油热 采 中热 力耦合 问题也是 导致采 油井套 管损伤 的主要 影响 因素 。大庆 、 国、 中 乃至全世 界 油 田套 损的趋
势还没有完全遏制 ， 特别是套损机理定量研究问题还不成 系统。初步统计 ， 我国 目前有套管损坏井超过 １００口， ５０ 按每 口 井平均综合投资 ２０万元计算 ， ０ 则套损井涉及资产高达 ３０亿元 ， ０ 按照 ３ ５％的井属于错 断破坏 ， 需要 报废或 不得不 进行大修 的资产 超过 １０亿元 ， ０ 这还 不计油 井大修 停产 、 废后 导 致 的油气 产量 报 下降 、 影响增产 措施实施 以及油 井污染 所造成 的经 济损 失 ¨ 引。据 近 年锦 州 采油 厂 对 １７ ９６口油 井 进行 的调
２１ ００年 ５月
文章编号 ：６４０ ６ （０ ０ ０ － ０ － １７ －２ ２ ２ １ ） ２ ０ ４ ３ ０ ０
套 管在 热 力耦 合 作用 下 的有 限元分 析
贾立梅 张立业 ，
（．河北理工大学 建筑工程学院， １ 河北 唐山 ０３０ ；． ６００２ 河北大元建业集团有限公司， 河北 沧州０ ３０ ５００）
查 ， 有套管损 坏井 ５４口， 现 ２ 占总井 数的 百度文库． ％ ， 在锦 ４ ６５ 仅 ５区块就 有 ２８口井 发生套 管破 坏 。随着唐 山冀东 ７ 油 田 ｌ 吨大 油 田的发 现 ， 久的将来 将有数 以万计 的油井 投入 生产 ， 行套 管破坏 过程 分析 和试验研 究 ， ０亿 不 进
图 １ 计算模型
图 ２ 最 大位移时程曲线
２ 结 果 分析
２ １ 最 大 位 移 分 析 ．
从图 ２可见 ， 考虑温度以后 的位移值发生 了很大的变化 。在没有考虑温度的时候 ， 外荷载对套管的位移 影 响不 大 ； 加上 温度荷 载 以后 ， 位移 值 明显增 大 ， 向着 相 反 的方 向增 大 。因此 ， 并 热力 耦合作 用 对套 管 的位移
２ ２ 应 力分 析 ．
温 度对 套管 的轴 向应力 ， 向应力 影响较 大 。从 图 ３４可 见 ， 考 虑温 度 的时 候 ， 重力 和地 层 蠕 动荷 环 、 不 在
载作用下的应力值小 ； 考虑温度荷载以后的各种应力值均 变大 ， 而且变化很大。因此 ， 热力耦合作用对套管
１ 热力耦合有 限元分析模型
为 了在有 限元分 析 中使 问题 既得 以简 化又 能反映其 主要 特征 ， 作如下 假定 ：
（） １ 在建模过程中， 考虑到土体的非线性特征 ， 采用大变形 ， 小位移假设 ， 不考虑温度 时力学模型中的土
体选用摩尔一库仑材料。 （） ２ 假设温 度变化是 呈线 性的 ， 不考 虑套 管 、 并且 水泥 环 的热容量 。
提出相应的防护措施 ， 将为冀东 １ 亿吨大油田的开发储备技术， Ｏ 促进石油开发与高校科技力量的交流合作 ， 对 于河北 国 民经 济发展具 有重 要意义 ， 并进一 步促进地 下压 力管道 研究理 论 的发展 ， 为城市 热 力管道 以及 电 站等领域的研究提供技术借鉴 ， 丰富地下生命线工程的研究方法。 在稠 油热采 工艺 中 ， 热采井 注蒸汽 的平均温 度在 ３０℃ ， 的超过 了 ３０℃ ， 般注气 压力 在 １ Ｐ ２ 有 ５ 一 ２Ｍ ａ以
第３ ２卷
第２ 期
河 北 理 工大 学 学 报 （自然 科 学 版 ） Ｊｕｎ ｌ ｆＨ ｂｉ ｏ ｔｃｎｃＵ ｉｅｓｙ Ｎ ｔ ａ ＳｉｎｅＥｉｏ ） ｏ ｒａ ｅｅ Ｐ ｌ ｅｈｉ ｎｖｒｉ （ ａ ｒｌ ｃ ｃ ｄｔｎ ｏ ｙ ｔ ｕ ｅ ｉ
ｖ １ ２ Ｎ ． ０ ３ ｏ２ ． Ｍａ。００ ｙ２ １
关键词 ： 数值模型 ； 热力耦合 ； 有限元；ＤＮ Ａ ＩＡ 摘 要： 利用大型有限元分析软件 Ａ ＩＡ 建立套管在温度荷载、 ＤＮ ， 重力以及地层的蠕动荷载组 合 下的三 维的数 值模 型 。通过 分析在 热力耦 合作 用下套 管的 轴 向应 力、 向应 变、 向应 力、 轴 环 环向应变和最大位移情况， 认为在热力耦合作 用对套管的影响是非常大的。 中图分 类号 ：Ｅ９ ５ ２ 文献标 志码 ： Ｔ ２ Ａ
（） ３ 认为模型中的各个参数不随着温度变化而变化 ， 各层土体的分界面假定为平面。
收 稿 日期 ：０９ ５ ７ ２０ － － ０ ０
第２ 期
贾立梅 ， ： 等 套管在热力耦合作用下的有限元分析
５
（） ４ 描述材料本构关系基于前人实验结果以及材料试验测定的本构关系。 根据以往的实验数据以及套管工作的实际环境 ， 建立复杂地层下 的套管 ＋ 水泥环 ＋ 地层的有限元分析 模型 ， 将土层分为四层 ， 并分别建立结构模型与热力模型 。在结构模型中的套管 十 水泥环 ＋ 地层的材料设置 为与温度有关的材料 。为了保证计算精度 以及计算空问， 土层采用 ４节点 、 水泥环 ＋ 套管采用 ８ 节点网格进 行划分。划分完的模型如图 １ 所示 ：
上 ， 的高 达 １ ａ超 过 了 Ａ Ｉ ８ 有 ７ＭＰ ， Ｐ ０套管允 许最 大温度值 ２４— ２ Ｎ ０ ２０℃ 。Ｎ ０套 管银 高 温屈 服强 度 降低约 ８
１％， ８ 弹性模量降低约 ３ ％ ， ８ 抗拉强度降低 ７ 以及蒸汽吞吐套管存在残余应力 ， ％， 使套 管处于屈服状态 ， 导 致套管损伤成为一个很严峻的问题 ， 而热应力是注气时热采井套损 的主要影响因素 ， 因此， 如何提高套管抗 破坏能力 ， 以及分析套管强度的有效性也是急待研究的问题 ， 本文采用大型有限元计算软件 Ａ ＩＡ建立水 ＤＮ 泥环 ＋ 套管 ＋ 地层的数值模型为热力耦合作用下的套管的设计提供更多的理论依据 。
０ 引言
在 石油工 业 中 ， 力采油在 稠油开 采 中 占据统 治 地位 ， 中 国稠 油 占其 石 油资 源 总量 的 ３ ％ 以上 。而 热 而 ０
稠油热 采 中热 力耦合 问题也是 导致采 油井套 管损伤 的主要 影响 因素 。大庆 、 国、 中 乃至全世 界 油 田套 损的趋
势还没有完全遏制 ， 特别是套损机理定量研究问题还不成 系统。初步统计 ， 我国 目前有套管损坏井超过 １００口， ５０ 按每 口 井平均综合投资 ２０万元计算 ， ０ 则套损井涉及资产高达 ３０亿元 ， ０ 按照 ３ ５％的井属于错 断破坏 ， 需要 报废或 不得不 进行大修 的资产 超过 １０亿元 ， ０ 这还 不计油 井大修 停产 、 废后 导 致 的油气 产量 报 下降 、 影响增产 措施实施 以及油 井污染 所造成 的经 济损 失 ¨ 引。据 近 年锦 州 采油 厂 对 １７ ９６口油 井 进行 的调
２１ ００年 ５月
文章编号 ：６４０ ６ （０ ０ ０ － ０ － １７ －２ ２ ２ １ ） ２ ０ ４ ３ ０ ０
套 管在 热 力耦 合 作用 下 的有 限元分 析
贾立梅 张立业 ，
（．河北理工大学 建筑工程学院， １ 河北 唐山 ０３０ ；． ６００２ 河北大元建业集团有限公司， 河北 沧州０ ３０ ５００）
查 ， 有套管损 坏井 ５４口， 现 ２ 占总井 数的 百度文库． ％ ， 在锦 ４ ６５ 仅 ５区块就 有 ２８口井 发生套 管破 坏 。随着唐 山冀东 ７ 油 田 ｌ 吨大 油 田的发 现 ， 久的将来 将有数 以万计 的油井 投入 生产 ， 行套 管破坏 过程 分析 和试验研 究 ， ０亿 不 进
图 １ 计算模型
图 ２ 最 大位移时程曲线
２ 结 果 分析
２ １ 最 大 位 移 分 析 ．
从图 ２可见 ， 考虑温度以后 的位移值发生 了很大的变化 。在没有考虑温度的时候 ， 外荷载对套管的位移 影 响不 大 ； 加上 温度荷 载 以后 ， 位移 值 明显增 大 ， 向着 相 反 的方 向增 大 。因此 ， 并 热力 耦合作 用 对套 管 的位移