清华大学学报(自然科学版)

作者：刘添琪, 武胜男, 张来斌

单位：1. 中国石油大学 北京 海南研究院, 三亚 572000,2. 中国石油大学 北京 安全与海洋工程学院, 北京 102249,3. 应急管理部油气安全生产与应急技术重点实验室, 北京 102249,4. 国家市场监督管理总局重点实验室 油气生产装备质量检测与健康诊断, 北京 102249

关键词：稠油热采,热应力,失效机理,套管损伤

基金：中海石油(中国)有限公司北京研究中心科研项目(CCL2022RCPS0523RSN)

为明确稠油火驱井底高温环境对套管损伤的影响, 基于传热学和材料力学原理, 构建了套管-水泥环-地层三维有限元模型, 系统分析了井底套管在500~650℃燃烧条件下的温度场及等效应力分布特征。对火驱井使用的套管材料进行了高温拉伸试验, 研究了材料在高温环境中的力学性能, 确定了高温下的许用应力范围, 并利用扫描电镜观察了不同温度下的断口形貌, 分析了温度变化对套管材料失效机理的影响。结果表明：当温度超过500℃时, 套管材料的屈服强度与抗拉强度显著下降, 拉伸断口呈现典型的韧性断裂特征, 伴随严重的高温氧化现象。采用Von Mises屈服准则作为套管失效判据, 对比数值模拟获得的等效应力与高温拉伸试验确定的许用应力, 识别了存在变形失效风险的套管段。储油岩层套管段在高温作用下因热膨胀受顶部与底部约束, 导致轴向受压, 发生明显的轴向压缩变形; 而普通岩层套管段受地层应力影响, 发生了明显的颈缩现象。套管的等效应力分布与温度场呈正相关, 井底温度越高, 套管的失效风险区间越大, 但失效位置始终未超越点火井段。套管损伤的主要机制是热应力引起的轴向压缩变形, 特别是在储油岩层段, 套管更易因受限膨胀产生局部变形而发生失效。该研究为火驱井套管设计与风险评估提供了重要参考依据。

来源：2025年第6期

《清华大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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