页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响

大位移页岩气井的井眼轨迹复杂,且压裂开发过程中经常出现由于水泥环缺陷引发的套变损伤问题。针对页岩气井压裂过程中高泵压大排量的特点,采用有限元分析方法,通过优化模型网格划分,建立了适用于页岩气井复杂井眼轨迹下套管力学完整性计算的套管-水泥环-地层组合体模型,讨论了水泥环缺失角度、缺失厚度、缺失长度及复合缺陷对造斜段及水平段局部屈曲部分套管力学完整性的影响。结果表明,套管的周向应力随水泥环弹性模量的增大而减小,受泊松比影响较小。水泥环角度缺失会使套管出现应力集中现象,当缺失角度超过90°,应力集中现象得到减缓。随着水泥环缺失厚度的增加,套管所受应力增大。无论是造斜段还是水平段,不同缺失角度下,水泥环厚度、套管尺寸及泵压对套管应力的影响类似,趋势均为随着缺失角度的增加,套管应力先增大后减小。水泥环缺失的临界部位会产生应力突变,该位置也是最容易发生套损的部位。同一缺失厚度下,套管应力最大值随着缺失角度的增加而先增加后减小;同一缺失角度下,套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着缺失角度的增加,水泥环缺失部位对应套管沿管长方向的等效应力先增加后减小。水泥环越厚,套管等效应力越小。在相同厚度下,水泥环剩余厚度越薄,套管等效应力越大,全部缺失时应力水平最大。     

水平井固井质量对套管变形影响分析

针对某井区深井X-1h井中出现的套管变形损坏问题，对比分析了压裂段固井质量与套损位置关系，基于现场数据，建立了套管-水泥环-地层力学耦合模型，分析了套管-水泥环界面胶结失效后形成微间隙的大小、水泥环破坏后的缺失角度以及水泥环缺失方位对套管应力和变形失效的影响。研究结果显示：固井质量不佳对套管的应力及变形失效有显著影响；套管-水泥环界面过大的微间隙会由于套管在内压作用下的鼓胀效应而放大内压的作用；当水泥环缺失角度在45°～60°区间时，套管Mises应力最大，超过套管材料最小屈服强度；当水泥环缺失方位与井周最小主应力方向一致时，套管应力集中最明显，略大于套管材料的最小屈服强度，套管局部发生塑性变形失效。研究结果可为现场固井作业施工提供一定的指导。     

水泥环缺失套管安全系数计算及规格优选

长庆马岭油田水力压裂过程中套管变形问题频繁发生。针对该问题，考虑直井段地层力学特性变化、直井段套管内压变化，建立了水泥环环状缺失套管应力计算模型，分析了缺失位置套管应力以及安全系数随井深变化规律，研究了套管内压对于套管安全系数的影响规律，计算了不同钢级、壁厚套管的极限井深。研究结果表明：水泥环环状缺失导致套管应力显著增加，最大应力处出现在水泥环完整和缺失界面位置；随着井口压力的不断增加或井深的不断增加，缺失处套管应力不断增加，安全系数不断降低。提升套管钢级和降低径厚比都有利于套管安全系数的提升，保持合理的内压是防控水泥环缺失段套管变形的有效防范措施，最终形成了一种水泥环环状缺失时套管规格优选方法。研究结果可为马岭油田套管钢级和壁厚的优选提供依据。     

蠕变地层水泥环特性对套管应力的影响

蠕变地层套管应力计算是采取套损预防措施的依据,目前采用非均匀地应力作为套管水泥环力学模型边界条件的套管应力计算方法与实际情况不符。提出了蠕变地层套管应力计算应将均匀地应力作为其边界条件的有限元力学模型,并分析了水泥环椭圆度和弹性模量对套管应力的影响:当水泥环弹性模量小于等于地层弹性模量时,套管最大应力出现在最小水平地应力方向,反之则出现在最大水平地应力方向;套管峰值应力随着水泥环椭圆度的增大而增加,套管由缩颈损坏转变为挤扁损坏;蠕变地层水泥环弹性模量与地层弹性模量和井眼椭圆度之间存在合理的匹配关系,改变水泥环弹性模量是降低蠕变地层套管应力的最有效方法。该规律的得出有助于加深套损机理的认识和套损预防措施的实施。（）     

固井质量对页岩气井水平井段套管失效的影响

开采页岩气所使用的套管受力复杂,当固井质量不合格时,容易在套管上产生较大的应力集中,从而导致其变形失效。目前,专门分析固井质量对水平段套管损坏影响的研究还比较少,对压裂工程中造成套管损坏的研究则更少见。鉴于此,应用ANSYS有限元软件,根据实际页岩气井的参数和工况建立模型,对水泥环的缺失和偏心两种固井质量差的形式进行了数值分析计算,得到套管的Mises等效应力分布情况和套管应力受影响的规律。研究结果表明:水泥环缺失会在套管的内表面上产生较大的应力集中,套管应力会随着缺失角的增大而增大;水泥环缺失发生在水泥环变形最大位置时,缺失对套管应力增加的影响更大;水泥环偏心距越大,套管上的应力越大。研究成果可为页岩气的现场开采提供有益指导。     

页岩气井温压耦合下固井质量对套管应力的影响

四川地区部分页岩气井在采用大排量分段压裂工艺施工过程中出现套管变形的现象,严重影响了页岩气井的正常生产。为此,运用ABAQUS软件建立了温压耦合下的套管-水泥环-地层受力有限元模型,模拟压裂过程中套管应力以及组合体温度场分布特征,分析了不同注液温度下,套管偏心及水泥环缺失对套管应力的影响规律。研究结果表明:大排量压裂施工中,套管应力随着偏心距的增加而减小,温降对套管应力的影响较大;不同注液温度下,套管应力随水泥环周向缺失的变化规律基本一致,温降对套管应力的影响呈先降后增趋势;水泥环径向缺失位置以及深度的变化对套管应力的影响较小,温度变化是主控因素;套管偏心下,水泥环缺失以及温降的共同作用均会增加套管应力。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。     

高韧性水泥环降低油气井套损作用机理

油井套管在机械和化学作用会下引起变形、错断、破裂以及腐蚀等损坏,使油气井寿命缩短.水泥环韧性提高与弹性模量降低,有利于阻止地下流体对套管产生化学腐蚀,降低套管受到的最大应力和挤压套损.采用弹性力学和有限元方法分析井下水泥环以及套管的受力情况,明确了高韧性水泥环降低套管挤压套损的作用机制.     

高温高压气井自由套管对水泥环应力和完整性的影响

水泥环的密封完整性对降低环空带压、提高井筒安全性、延长气井开采寿命至关重要。为防止环空气窜,高温高压气井油层套管水泥一般返至井口,这给深井固井带来了巨大挑战。考虑井身结构和作业载荷的复杂性,运用Ansys软件建立了存在自由套管时水泥环受力有限元模型,研究了自由套管长度和井口套压对水泥环应力的影响,结果表明,井口套压作用下自由套管的鼓胀效应在水泥环中产生的径向拉应力和轴向应力是水泥环密封失效的主要原因。自由套管段长度对水泥环受力很不敏感,油层套管水泥可考虑不返至井口,但为保持水泥环长期完整性应避免过高井口套压,同时优选水泥浆体系以提高套管与水泥环胶结强度。     

水泥环缺失对水平井套管强度安全性影响分析

在水平井固井过程中,常常发生水泥环缺失,影响套管的强度安全性。为此,综合考虑水泥环缺失位置、缺失厚度与环向缺失角度,利用有限元分析方法,建立了水平井套管-水泥环-地层力学分析模型,考虑套管内压与非均匀地应力的作用,模拟水平井中水泥环缺失段套管的应力分布情况,着重分析了第一胶结面和第二胶结面水泥环缺失厚度对套管强度安全性的影响。分析结果表明:水泥环第一胶结面缺失对套管的应力分布影响较大,缺失比存在一个临界值,若缺失厚度大于该临界值,套管的应力将发生突变;水泥环第二胶结面缺失时,套管应力随缺失厚度增大而逐渐增大,没有应力突变;套管应力极值点位置随着水泥环环向缺失角度的变化而变化,环向缺失角度为60°时,套管的应力极值最大。所得结论可为水平井固井过程中套管的强度判断提供依据。     

页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响

以弹塑性力学为基础,借助复变函数与应力场分解,对页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为进行分析研究,通过接触面上位移连续条件得到了系统各接触表面的受力表达式;以Drucker-Prager岩土屈服条件为破坏准则,得到了水泥环达到屈服时的最大套管内压力,并讨论了套管及水泥环参数变化对系统受力行为的影响规律。计算结果表明:水泥环内表面比套管更容易达到屈服极限,水泥环厚度对水泥环内壁受力影响较小;增加套管壁厚,有利于保护井筒的完整性;套管内径和水泥环弹性模量对水泥环内壁受力影响较大,套管内径和水泥弹性模量越小,则水泥环越安全。研究结果对于页岩气压裂过程中井筒完整性设计控制具有一定的参考价值。     

基于水泥环完整性分析的许用套管内压力解析计算方法

现有的油气井套管—水泥环—地层系统的应力分析模型可用于求解井筒系统应力分布及水泥环破坏条件,虽然对探讨水泥环完整性受套管内压力变化的影响起到了重要作用,但均未能给出许用套管内压力解析计算公式。为此,基于均匀水平地应力条件下的套管—水泥环—地层系统的应力分析解析模型,针对多种水泥环破坏形式,推导出了受其作用下的水泥环径向开裂、剪切破坏、胶结面剥离等破坏条件的许用套管内压力解析计算公式。研究结果表明:(1)按水泥环径向开裂和剪切破坏条件分别求出最大允许套管内压力,推荐采用二者中的较小值作为最大许用套管内压力;(2)按水泥环胶结面剥离条件求出最小允许套管内压力,推荐将其作为许用套管内压力。结论认为,套管内压力升高可能导致水泥环径向开裂和剪切破坏,套管内压力及温度降低可能导致水泥环胶结面剥离,应综合考虑水泥环破坏条件合理确定出最大和最小许用套管内压力。     

振动注水对套管、水泥环及地层影响的计算研究

为了评价振动注水对套管、水泥环及地层的影响,基于所给出的套管及水泥环在地层状态的简化力学模型和弹性力学理论,给出了套管、水泥环、地层的轴对称应力分布公式。根据套管内壁面、套管与水泥环接触壁面、水泥环与地层接触壁面存在的应力关系,推导出弹性体相接触时的应力数学模型,并对该数学模型进行求解。依据材料力学理论和振动注水的注入压力随时间变化的简化曲线进行了工况分析,选取适当参数计算出不同内压作用下套管、水泥环、地层岩石中最大应力,得出了在交变注水压力作用下套管、水泥环、地层岩石中的最大应力随注水压力变化的关系曲线。最后得出结论――振动注水所产生的脉动压力不会对套管、水泥环及地层造成损坏。     

变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响

以膨胀水泥作为研究对象,利用弹性力学理论,采用有限元方法研究了变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响。研究表明,合适的水泥膨胀率可以降低套管内的最大米塞斯（Mises）应力;水泥膨胀率越大,水泥环内最大Mises应力越大,最大周向应力越小;有套管内压时,膨胀水泥弹性模量越大,套管内最大Mises应力越小,水泥环内最大Mises应力越大;套管内压较小时,水泥弹性模量越大,水泥环内最大周向应力越小,套管内压较大时则与之相反;膨胀水泥泊松比对套管内最大Mises应力的影响较小,水泥泊松比越大,水泥环内最大Mises应力和最大周向应力越小。对于弹性地层和蠕变地层情况,膨胀水泥性能对井筒完整性的影响规律相似。变内压条件下,膨胀水泥性能对水泥环的挤压破坏和周向拉伸破坏影响较为显著,使用膨胀水泥时应根据实际情况优选膨胀水泥石的各项性能。      

循环应力作用下水泥环密封性实验研究

利用自主研发的水泥环密封性实验装置研究了套管内加卸压循环作用下水泥环的密封性,根据实验结果得出了循环应力作用下水泥环密封性失效的机理。实验结果显示,在较低套管内压循环作用下,水泥环保持密封性所能承受的应力循环次数较多;在较高循环应力作用下,水泥环密封性失效时循环次数较少。表明在套管内较低压力作用下,水泥环所受的应力较低,应力水平处于弹性状态,在加卸载的循环作用下,水泥环可随之弹性变形和弹性恢复;在较高应力作用下,水泥环内部固有的微裂纹和缺陷逐渐扩展和连通,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;随着应力循环次数的增加,塑性变形也不断地累积。循环压力卸载时,套管弹性回缩而水泥环塑性变形不可完全恢复,2者在界面处的变形不协调而引起拉应力。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,导致水泥环密封性失效,水泥环发生循环应力作用的低周期密封性疲劳破坏。套管内压力越大,水泥环中产生的应力水平越高,产生的塑性变形越大,每次卸载时产生的残余应变和界面处拉应力也越大,因此引起密封性失效的应力循环次数越少。      

基于APDL考虑地层弹性的自由套管段强度分析

为快速准确地探究地层弹性对自由套管段受力的影响,利用ANSYS软件及其二次开发语言APDL,开发了一种仿真模拟与数值计算方法。针对自由套管段密闭环空温度变化导致的环空压力变化,考虑地层的弹性约束效应,对套管-水泥环-地层组合体进行热-结构耦合分析,计算了自由套管段的等效应力和径向位移。研究结果表明:在地层高温场和内部流体高温场的联合作用下,生产套管与水泥环接触部位容易出现最大应力,尤其是在与水泥环顶端接触的生产套管内壁处容易出现应力集中现象,建议在该部位增加承力部件以减小应力集中;实际工程中,若套管内部存在压力作用,建议保留一部分环空压力,保留压力范围应结合套管结构参数、环境温度和内部流体压力等参数而确定;在环空泄压情况下,自由套管段的径向位移一直增大,其增大趋势不随套管是否存在内部流体压力而改变,表明泄压过程中自由套管段的直径在内外压差作用下逐渐增加;考虑地层弹性使得仿真模拟更加符合实际,从而提高了数值计算的准确性。所得结论可为套管的强度模拟及防止套管失效提供参考。     

固井水泥环不连续对套管力学性能的影响分析

固井过程中,固井质量不合格的情况经常发生。以青海油田某口井作为研究对象,建立平面应变力学模型,假设研究截面套管与地层之间的环空中有1／4未被水泥充填,采用有限元软件ABAQUS模拟套管的变形过程。计算结果表明：①由于固井水泥环不连续,该侧套管没有水泥的支撑和保护作用,在非均匀地应力作用下,套管极易发生变形损坏。②套管内压P0和水平地应力P1固定,改变水平地应力P2,当P2增大到一定值时,B点附近的套管内壁率先发生塑性变形,如果P2继续增大,套管内壁的塑性区域会逐渐增加,并向套管外壁延伸,直到套管整体发生塑性破坏。④水泥环的不连续改变了套管内壁的应力分布,从而使得等效应力曲线上最大的等效应力值不是在B点,而是发生在B点附近套管内壁处。该分析为改善固井质量采取有效措施提供了可靠的理论依据。     

水泥环性质对套管强度影响的有限元分析

在油层和泥岩部位易出现套管损害严重的问题,主要原因在于注入水窜入泥岩层后,引起泥岩力学性质改变,地应力重新分布造成套管损坏。石油行业常采用提高水泥环的质量以保证套管的安全。以"地层-水泥环-套管"为研究对象,采用有限元分析方法,将"地层-水泥环-套管"简化为平面系统,分别在均匀地应力和非均匀地应力情况下研究了水泥环弹性模量对套管应力载荷的影响;考虑到两个水平地应力不等的实际情况,选择在非均匀地应力情况分析各因素对套管应力的影响,主要包括水泥环不居中和水泥环发生缺陷时其缺陷角度与套管内压等因素,得出套管应力在不同水泥环性质时的变化规律,为解决套管损坏问题提供了参考依据。优选水泥环性质参数是提高套管抗挤强度的保证。     

高内压下固井水泥环损坏机理研究

为了研究压裂酸化、高压注水等高内压作业对水泥环的损坏机理,进行了水泥环套管地层组合体的高内压物理模拟实验,研究了高内压条件下复合体的应力应变特征,测定了水泥环在双向应力的作用下的应变值和破坏载荷,确定了水泥环破裂的应力条件;在实验基础上建立套管水泥环地层复合体高内压应力应变模型,模型考虑了套管的偏心、双向不等的地应力、套管水泥环地层轴向应力不一致等因素,分析表明水泥环在高内压下的张性破坏、套管偏心是高内压水泥环套管损坏的关键因素,提出了高内压条件下保护套管水泥环的建议。     

基于损伤力学变内压条件下水泥环密封完整性模拟

针对变内压条件下水泥环密封完整性失效问题，基于连续损伤力学理论，采用同时考虑水泥石损伤和屈服后应力—应变关系的塑性损伤本构模型来描述实际水泥石的全应力—应变力学性能，研究了水泥石力学性能对密封完整性的影响。研究结果表明，向常规水泥浆中加入弹韧性材料形成弹韧性水泥，降低了水泥环弹性模量，既可以预防微间隙形成和减小微间隙尺寸，又可以预防和减少水泥环拉伸破坏。但并非弹性模量越低，弹韧性水泥密封完整性越好，密封完整性还与水泥环拉压弹性变形性能有关，同等情况下水泥环最大拉压弹性应变越大，其密封完整性越不容易失效。建议根据水泥环的弹性模量和拉压全应力—应变关系来评价水泥环密封完整性。研究结果为水泥环密封完整性评价和水泥石力学性能优化提供了一定依据。