大排量高泵壓壓裂過程中射孔段套管熱應(yīng)力分析.pdf

1、大規(guī)模體積壓裂具有排量大、泵壓高的特點，壓裂過程中，大量低溫流體注入，引起套管的溫度變化，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，對套管的強度安全造成很大影響。因此，本文以射孔段套管為研究對象，考慮溫度場與應(yīng)力場的耦合作用，分析射孔段套管的力學(xué)性能。
　　對射孔段套管熱應(yīng)力的研究，首先進行了射孔段套管溫度場分析。根據(jù)熱力學(xué)第一定律和熱傳遞基本理論，確立了合理的邊界條件，建立了射孔段套管-水泥石環(huán)-圍巖的三層導(dǎo)熱模型，通過有限元分析軟件對射孔段套管-水泥石

2、環(huán)-圍巖進行了溫度場分析。在溫度場分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元協(xié)同仿真平臺進行了射孔段套管-水泥石環(huán)-圍巖系統(tǒng)溫度場與應(yīng)力場的耦合，得出了熱應(yīng)力分布結(jié)果。最后，進行了射孔段套管熱應(yīng)力影響因素的分析與研究，應(yīng)用控制變量法，建立不同屬性的有限元模型，分析了水泥石環(huán)幾何特性與物理特性對射孔段套管熱應(yīng)力的影響。
　　結(jié)果表明：壓裂施工過程中，射孔段井筒的溫度分布沿徑向及環(huán)向均存在不均勻現(xiàn)象。套管熱應(yīng)力約為套管材料屈服強度的38.3％

3、，水泥石環(huán)熱應(yīng)力約為水泥石環(huán)材料屈服強度的55%。最大熱應(yīng)力點均分布于孔眼水平軸線的兩側(cè)，若孔眼處出現(xiàn)微裂紋，則向橫向擴展。地層的位移變化方向指向井筒中性軸，對套管有擠壓作用。水泥石環(huán)厚度的增大對水泥石環(huán)本身的熱應(yīng)力有降低作用，卻對套管熱應(yīng)力表現(xiàn)為增大趨勢。因此，為了降低套管熱應(yīng)力，保證套管的強度安全性，在水泥石環(huán)強度安全的前提下，優(yōu)選水泥石環(huán)厚度為25~30mm。水泥石環(huán)的材料屬性中，彈性模量對熱應(yīng)力的影響最大，泊松比對熱應(yīng)力的影響最