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近年來(lái)，水平井采油技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。所謂的水平井，是與直井相區(qū)別的。鉆井時(shí)鉆機(jī)先從地面開(kāi)始打出直井或斜直井段，然后經(jīng)過(guò)造斜逐步過(guò)渡至水平段。鉆機(jī)在鉆好井筒以后接著下鋼套管，并用水泥漿將套管固定。
目前，有相當(dāng)數(shù)量的水平井采用注汽熱采的方式進(jìn)行稠油開(kāi)采。把蒸汽通過(guò)水平井注入地層，在復(fù)雜的地層環(huán)境和蒸汽溫度作用下，注汽水平井套管上會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，它可能導(dǎo)致套管失效，造成水平井的破壞，帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)水平井套管進(jìn)行有限元分析，找出結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域，改進(jìn)鉆井和熱采方案，以保證套管的工作壽命。
水平井套管的應(yīng)力分析是一個(gè)復(fù)雜的三維問(wèn)題，如果用通用程序計(jì)算要耗費(fèi)很多機(jī)時(shí)。針對(duì)水平井的幾何與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了采用攝動(dòng)有限元方法，把三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維問(wèn)題，使問(wèn)題的求解得到很大簡(jiǎn)化。
水平井一般由(斜)直井段、造斜井段、水平井段組成(見(jiàn)圖，AB為斜直井段、BC為造斜段、CD為水平段)。
假設(shè)本文所研究的水平井具有以下的幾何、結(jié)構(gòu)及受載特點(diǎn)：
1)水平井的(斜)直井段、造斜井段、水平段共處于垂直面內(nèi)；
2)造斜井段視為圓弧段；
3)水平井的內(nèi)壓、溫度載荷、所受約束條件在套管橫截面上以管中心為對(duì)稱(chēng)軸。
首先把問(wèn)題的描述從直角座標(biāo)系轉(zhuǎn)換到廣義座標(biāo)系下。所采用的廣義座標(biāo)實(shí)際上就是水平井造斜井段的自然座標(biāo)。
在水平井套管的應(yīng)力分析中主要關(guān)心套管及其附近地層的應(yīng)力分布，即在Y不大的范圍內(nèi)的應(yīng)力問(wèn)題。因此，可以將式中的變量(即位移分量、應(yīng)力分量等)展開(kāi)成小參數(shù)T的級(jí)數(shù)。
前兩個(gè)方程是平面問(wèn)題的平衡方程式在極座標(biāo)系中的表達(dá)形式。因此，水平井套管的力學(xué)問(wèn)題是一個(gè)具有類(lèi)軸對(duì)稱(chēng)形式的問(wèn)題。為方便起見(jiàn)，在以后的討論中將方程中量綱為1的坐標(biāo)Y換回半徑r。由于水平井套管所受的內(nèi)壓和溫度場(chǎng)是軸對(duì)稱(chēng)的，所受的約束也是軸對(duì)稱(chēng)的，因此，套管的應(yīng)力分布也是軸對(duì)稱(chēng)的，不難得出軸對(duì)稱(chēng)平面問(wèn)題的位移解。
由以上公式可以看出，uh，eYh隨Y增大衰減很快，分別與lnY，Y-1成正比。軸向位移和剪力在水平井套管的分析中是十分重要的。在熱采水平井中經(jīng)�？梢钥吹骄诟浇孛媛∑�，在個(gè)別井中還可以看到井管伸出地面的現(xiàn)象，這些都與剪應(yīng)力和軸向位移有關(guān)。
本研究利用水平井的幾何特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從普適的彈性力學(xué)方程出發(fā)，聯(lián)合利用攝動(dòng)和有限元方法，建立了水平井套管在固井完備條件下的力學(xué)模型，進(jìn)行了應(yīng)力求解方法的研究。這一方法把三維的大尺度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為類(lèi)軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，并揭示了剪應(yīng)力、軸向位移的性質(zhì)及其影響效應(yīng)。直井段可以視為造斜井段的特殊情況，因此對(duì)造斜井段得出的公式和結(jié)論同樣適用于直井段。根據(jù)本研究提出的理論和方法，用于實(shí)際的水平井應(yīng)力分析之中，應(yīng)用結(jié)果良好。
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