[发明专利]一种水平井套管交变压力作用下的套管力学分析计算方法

说明书

本发明公开一种水平井套管交变压力作用下的套管力学分析计算方法，包括以下步骤：将受到交变压力的套管分为塑性区域和弹性区域，套管内交变压力f(p_i)大于套管产生塑性变形的最大应力时，则会在套管内壁处开始产生塑性变形，随着套管内压力的加大，弹塑性边界也会慢慢的向套管外壁移动，用r_ρ1来表示套管弹塑性边界：当r₁≤r≤r_ρ1时，分析得出套管塑性区内的应力分量；当r≥r_ρ1时，给出弹性区域的应力情况和套管弹性区外径的径向位移的计算方法。本发明用于解决现有的水平井压裂过程中，当套管内存在交变压力时套管力学分析不明确、计算方法不确定等问题。为水平井进行交变压力的压裂时套管受力分析提供参考，对保持井筒完整性具有重要意义。

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程技术领域，特别涉及一种水平井套管交变压力作用下的套管力学分析计算方法。

背景技术

随着石油天然气勘探开发工作的不断深入，页岩气、致密油气以及储气库建设工作的开展，油井面临的井下的地质条件也越来越昔刻；井身结构变得越来越复杂，更容易发生水泥环密封失效的问题。而套管内压的变化是导致水泥环与套管脱胶的最主要问题之一。如何能够准确地计算出在进行交变压力施工作业时水泥环与套管第一胶结面压力大小是目前很难攻克的一个问题。针对此方面的研究，研究者们在理论和数值模型方面做了大量的工作，并取得了一定的结果。但是在针对水平井段套管在交变压力问题下，压裂变化导致的第一胶结面受力的研究依然还存在着很多的欠缺，对水平井段第一胶结面受力分析还需要进一步的提高。因此，能够针对不同套管内压，进行套管受力分析计算就具有重要的研究意义。

在开展水平井套管交变压力作用下的套管力学分析的过程中，不仅需要考虑施工作业时的交变压力，还要分析套管的受力状态。为此，本发明内容重点阐述与保护的内容是在进行交变压力作用过程中，设计一种水平井套管力学分析的计算方法。

发明内容

本发明的目的是给出一种水平井套管交变压力作用下的套管力学分析计算方法，并且能通过分析得到套管力学分布和径向位移。它主要用于解决现有的水平井压裂过程中，当套管内存在交变压力时套管力学分析不明确、计算方法不确定等问题。为水平井进行交变压力的压裂时套管受力分析提供参考，对保持井筒完整性具有重要意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水平井套管交变压力作用下的套管力学分析计算方法，包括以下步骤：

将受到交变压力的套管分为塑性区域和弹性区域，套管内交变压力f(p_i)大于套管产生塑性变形的最大应力时，则会在套管内壁处开始产生塑性变形，随着套管内压力的加大，弹塑性边界也会慢慢的向套管外壁移动，用r_ρ1来表示套管弹塑性边界：当r₁≤r≤r_ρ1时，分析得出套管塑性区内的应力分量；当r≥r_ρ1时，给出弹性区域的应力情况和套管弹性区外径的径向位移的计算方法。

作为本发明的进一步改进，塑性区域和弹性区域的应力解由平衡方程与应力方程为依据推出，套管弹性区外径的径向位移需满足边界位置Tresca准则。

作为本发明的进一步改进，套管塑性区域的受力分析为：

当r₁≤r≤r_ρ1时，套管处于塑性状态，平衡方程变为：

利用边界条件来解式(1)的微分方程得到：

式(2)即为套管塑性区应力分量。

作为本发明的进一步改进，套管弹性区域的受力分析如下：