海上稠油热采水平井管柱力学分析及井口抬升距离预测研究

At present, a lot of thermal recovery horizontal wells in offshore heavy oilfield are encountered the phenomenon of wellhead movement, tubular transformation and leak. These problems have lagged the exploration of heavy oil in offshore greatly. This project focuses on the thermal recovery horizontal wells in offshore heavy oilfield, studies on the temperature distribution rule,production tubular mechanical behavior, multi-casing stress-strain rule and prediction method of wellhead movement using the laboratory experiments, theoretical analysis and numerical simulation methods. This project will bring scientific basis and technical measures for solving the tubular failure and wellhead movement problems in the exploration of offshore heavy oilfield. Through this project the temperature distribution rules along the wellbore both horizontal and vertical under different working conditions will be explained, the production tubular and casing mechanical models under thermal recovery will be built up, the stress-strain law of the production tubular and casing under the effect of alternating stress produced by thermal - mechanical coupling will be discussed, and the influence factors on it will be investigated. On the basis of the above studies, a series of important parameters like the critical load of casing and cement when stripping, the relative displacements and elongations of the casings in different interfaces and the cumulative elongations after multiple rounds of heat injection will be determined, then the prediction method of wellhead movement will be built up, the optimization theories and methods for the production tubular and casing which are suitable for China’s thermal recovery horizontal well in offshore heavy oilfield will be formed finally.

海上稠油热采水平井面临着井口抬升、管柱变形和泄露等问题，严重制约了我国海上稠油资源的高效开发。本项目拟综合运用室内实验、理论分析和数值模拟的方法，着重研究海上稠油热采水平井井筒温度分布规律、生产管柱整体力学行为、多层套管柱应力应变规律以及热采水平井井口抬升距离预测方法，为解决海上稠油开发中遇到的管柱损坏和井口抬升等难题提供科学依据和技术对策。通过本项研究，阐明不同工况下热采水平井井筒横向、纵向温度分布规律，建立水平井生产管柱和套管柱在热采条件下的受力分析模型，探讨生产管柱和套管柱在热-力耦合交变作用下应力应变规律及其影响因素。在上述研究基础上，确定套管与水泥环剥离的临界载荷、各套管层次界面的相对位移、各层套管的伸长量、多轮次注热条件下套管累积抬升量等关键参数，建立稠油热采水平井井口抬升距离预测方法，最终形成一套适合我国海上稠油热采水平井的生产管柱、套管柱优化设计理论与方法。

海上稠油热采井水平井存在管柱损坏及井口抬升的问题，严重地制约了稠油的开采与生产。本项目紧密围绕海洋稠油热采水平井的井口抬升和管柱力学问题进行深入的研究及分析。取得的主要成果如下：.（1）考虑了海洋海水低温效应、注热作业的高温高压效应，以及海洋稠油热采水平井套管-水泥环-地层（海水）的耦合作用，基于流体力学及传热学基本理论，建立了海上稠油热采水平井井筒温度动态预测模型。.（2）考虑了完整生产管柱的活塞效应、鼓胀效应、温度效应、弯曲效应、管柱屈曲及摩阻等作用，同时对环空圈闭压力升高进行了分析预测，建立了环空圈闭压力升高预测模型。从而进一步建立了生产管柱综合受力分析模型及封隔器安全性校核方法。.（3）基于建立的环空圈闭压力升高实验测试装置，采用现场实际钻井流体，针对四种不同的环空流体组合，开展了环空圈闭压力升高室内实验。实验研究表明：不同环空流体类型的热力学性质不同，对环空温度分布及压力升高的影响规律也不同，其中，B环空采用油基钻井液将更有利于海上稠油热采水平井环空压力的管理。.（4）考虑了海水、水泥环、地层以及套管内压的影响，基于厚壁筒原理及热弹性力学，建立了海上稠油热采水平井套管-水泥环-地层耦合力学模型，对高温高压下套管的应力应变进行了分析。基于建立的力学模型，进一步编制了稠油热采水平井管柱力学分析软件。.（5）考虑海上稠油热采水平井套管全井固井约束条件下套管与水泥环的相互影响，研究了套管与水泥环发生剥离的临界载荷特征，计算分析了各层套管在多轮次注热条件下的累积抬升量，建立了海上稠油热采水平井井口抬升距离预测方法。.该项目的研究成果对于海上稠油热采水平井现场作业具有重要的理论和工程价值，对于加快我国海洋油气资源的勘探与开发，推进我国油气开采技术也具有重要意义。