本文是由国家教育部科学技术研究重点项目(编号:205135):“基于耦合问题的复杂地层地应力与套管损坏机理研究”资助完成的,是该项目的部分内容之一,同时也是四川省杰出青年基金项目(编号:03ZQ026-044)“特殊类型井套管损坏机理研究”部分内容之一。 本文对国内外有关套管损坏机理研究进行了大量的文献调研、收集和阅读,综合分析了前人研究的成果,并详细分析、研究了复杂地层套管损坏机理,提出了本文研究内容和研究思路,在常规套管柱设计的基础上开发了复杂地层套管柱设计软件,针对某油田特殊地层井段、异常高压井段、盐岩层井段等复杂地层地应力变化的井段按本文研究成果进行了特殊套管柱设计。 本文的主要研究内容和贡献如下: 1.详细分析和研究了套管损坏的地质因素和工程因素; 2.分析了目前国内外套管柱设计的现状和缺陷,提出了在复杂地层井段按实际可能的最大地应力、非均匀地应力确定油层套管的外挤压力,进行特殊井段考虑非均匀地应力的套管柱设计; 3.针对西部某具体油田套管柱服役条件和环境,地层、断层结构走向,注水和采油历史情况与套管损坏的整个区块、井段分布,套管损坏位置与断层位置的关系等详细研究,得出了该油田套管损坏的原因和方式,并提出了相应的预防措施,为该油田注水和采油参数的合理调整、预防套管损坏提供了依据; 4.本文详细推导了水平地应力与构造应力系数的关系,根据某油田小型压裂曲线反演了射孔段水平地应力,为复杂地层井段套管柱设计提供了实际地应力数据; 5.从理论上详细分析和研究了影响套管强度的主要因素,即:水泥环对套管强度的影响,根据地层、水泥环和套管界面之间的位移协调变形关系推导了地层载荷经过水泥环传送到套管外壁上的外挤力传递系数的具体表达式,根据这些力学、数学关系式可方便和简捷地分析水泥环对套管的力学影响关系; 6.建立了非均地应力作用下套管受力与变形的力学模型,根据数学、力学关系以及边界条件,在前人的基础上推导出了非均匀地应力作用下,套管强度分析的数学模型,可以直接用于复杂地层特殊井段套管柱设计; 7.根据前人的研究成果,并结合西部某油田套管的实际参数,详细研究了射孔对套管强度的影响,并推导出了射孔抗挤强度系数的理论公式,为射孔套管强度设计提供了简便的计算方法; 8.根据复杂地层井段套管柱的受力环境,推导出了三轴应力作用下套管柱强度设计的数学关系式,同时推导出了非均匀地应力外载作用下,套管柱当量抗挤强度的数学关系式,为开发复杂地层套管柱的专用软件提供了正确、合理的可编程数学模型。该模型和软件已应用于某油田复杂地层井段套管柱设计,并获得了满意的结果。