如今,工业的发达,带来全球能源消费增多,而常规石油生产受到了限制,所以近年来,非常规油气以及油页岩开采成为能源开发的热点。开采油页岩时,需要通过管道注入大量的高温蒸汽,套管-水泥环-地层体系会产生较大的热应力,进而致使套管产生屈服以及水泥环毁坏等现象。本文在前人研究的基础之上,针对油页岩开采中可能出现的问题,从理论方面对问题进行介绍,以钢材的弹性模量变化以及三维脱粘模型作为创新点,从数值模拟方面对套管-水泥环-地层系统进行分析,主要工作如下:1根据传热学以及弹性力学理论,与Mises屈服强度理论,对套管-水泥环-地层模型做出理论背景介绍。(1)从传热的基本理论出发,做出相关假设,对套管-水泥环-地层系统,进行传热过程涉及到的理论进行介绍。(2)从弹性力学的角度出发,对套管-水泥环-地层系统做出合理假设,对升温过程中变形方程进行介绍。2查找相关的工程资料,确定系统各部分的参数,以求模拟参数贴近实际工程情况。(1)查找钢材标准,对比各类常见类型的钢材,根据弹性模量以及屈服强度与温度的变化关系,选取最适合的钢材类型P110。(2)查找地层温度与深度的变化规律,以及其他参数属性。3二维模型下系统的模拟分析,通过系统的二维模型,分析系统的应力分布以及变形情况。(1)通过模拟结果与实验结果的对照,确定二维条件下,模拟模型的可信性,模拟结果与实验结果的误差在5%左右。(2)不同套管偏心度情况下,偏心度的改变对套管以及水泥最大应力的影响几乎忽略不计,但是对水泥的应力分布区域有影响。(3)不同水泥参数下,水泥环的缺失,对最大最小径向应力的数值影响不大,但是影响最大径向应力的分布区域。水泥弹性模量的增大,会导致水泥环径向应力的增大。(4)不同地层参数下,结果显示,较差的地层的性质,带来的结果,水泥环的径向应力大幅度加大,容易造成径向应力超过抗压强度这类情况。(5)不同综合工况下,工况的恶劣程度的加大,造成套管容易产生破坏。4三维模型下系统的模拟分析:对系统进行三维建模,以相互接触属性为基础,分析在不同温度情况下,套管与水泥脱粘情况。(1)分析在不同热膨胀系数下,套管与水泥脱粘情况,结果显示,钢材较高的热膨胀系数增大,会导致套管水泥的脱粘现象加剧,同时最低温度为150℃时,套管水泥发生100%脱粘。(2)分析在不同胶结强度下,套管与水泥脱粘情况,结果显示,较低的胶结强度会导致套管水泥的脱粘现象更为容易,同时较低的胶结强度也会导致套管水泥之间更容易发生脱粘现象。模拟结果显示,选用高强度钢材,良好的水泥以及注水泥工艺的加强,可以一定程度减小系统的受力情况,实际热采井设计中,也需要考虑地层沿深度的变化情况,较差的地层特性可导致系统容易发生破坏,同时在温度保持在150℃以下,系统较为安全,不容易发生破坏。通过以上模拟研究,为套管-水泥环-地层系统在高温条件下如何保持稳定,提供了一定的建议。