超深高温弯曲井眼套管抗挤强度模型研究及应用

在定向井或水平井开发深层盐下油气资源时,套管柱在盐膏层的造斜段中受非均匀外挤载荷、井眼弯曲载荷及高温综合效应影响下易发生失效,严重影响井筒管柱完整性和生产安全。文章基于非均匀载荷下套管抗挤强度计算模型,引入井眼弯曲载荷和高温效应对套管屈服强度折减影响,建立了超深高温弯曲井眼套管抗挤强度评价模型,用以评价超深井中套管柱在盐膏层造斜段的抗挤强度可靠性。结果表明：井下套管剩余抗挤强度系数随套管外挤力非均匀系数增加呈近似抛物线型降低,随井眼曲率和井筒温度升高呈近似线性降低;套管外径和壁厚越大,井眼曲率和井筒温度对其抗挤强度折减越明显,而非均匀外挤载荷对三种规格套管抗挤强度影响相当。该研究成果在某盐膏层斜井中进行了现场应用,很好指导了该井套管的选型,并为同井型的套管实际抗挤强度评价及套管选型提供了技术支撑。     

填充介质对非均匀应力下双层套管所受应力的影响

采用双层套管是防止盐膏层套管变形和损坏的有效手段，而填充介质是影响双层套管整体力学性能的重要因素。以荆丘地区J45断块沙一段盐膏岩层段套管为研究对象，在确定盐膏岩蠕变本构方程的基础上，应用有限元方法建立了地层-水泥环-外层套管-填充介质-内层套管在非均匀地应力条件下的受载模型，得到内外层套管在不同填充介质厚度、不同填充介质类型条件下的等效应力分布，并进行比较分析。结果表明:增加介质厚度能减弱应力传递效果，但对双层套管整体所受等效应力影响较小；介质类型对套管所受等效应力影响较大，采用机油和天然橡胶介质时内层套管等效应力为使用水泥介质的33.55%和5.87%。基于以上规律，推荐采用正常钢级外层套管+液体介质+低钢级内层套管的双层套管，可以有效降低成本和保障油气生产安全。     

考虑弯矩和剪切影响的造斜段套管抗挤强度分析

水平井造斜段套管受弯曲、剪切和挤压等载荷共同作用,受力条件复杂多变,常发生错断或挤毁等安全事故。为此,根据水平井造斜段套管井眼轨迹的几何特性,考虑弯曲、剪切和挤压联合作用,建立造斜段套管力学模型,应用拉梅厚壁筒理论和第四强度理论,导出水平井造斜段套管抗挤强度公式。应用公式计算了不同井眼曲率、不同壁厚2种套管的抗挤强度,并进行了ANSYS有限元验证。分析结果表明:每25 m井眼曲率由3.75°增加到15.00°,P110套管的抗挤强度下降约53%,TP140套管的抗挤强度下降约28%;每25 m井眼曲率为3.75°时,φ139.7mm×12.7 mm P110套管的抗挤强度为89.8 MPa,比φ139.7 mm×10.54 mm P110套管大27%。随着井眼曲率的增加,弯曲套管的抗挤强度降低明显。研究结果可为提高水平井造斜段套管的安全性提供参考。     

水平井内套管柱下入过程的数值模拟

利用有限元软件建立了水平井中弯曲井眼段套管柱下入的力学模型,动态模拟了水平井眼造斜段内套管柱的下入过程,并对套管柱在下入过程中的受力情况进行了分析。结果表明,套管柱进入弯曲段后,最大等效应力首先发生在套管柱的底部,随着套管柱下入深度的增加,套管上的等效应力值不断变化,同时套管柱在下入过程中会发生塑性变形。下入过程中,由于套管的弯曲和阻力作用会促使套管与井壁呈交错接触状态。大曲率井眼中管柱下井所需的下入力比小曲率井中所需的下入力要大,这与实际的管柱下入过程相吻合。井眼的摩阻条件对套管的安全下入有较大影响,光滑的井眼条件产生的摩阻力更小,更加有利于套管柱的下入。     

热采水平井弯曲段套管柱失效载荷分析

热采水平井中套管柱受各种载荷耦合作用会产生应力集中而损坏。为此,采用有限元方法对热采水平井弯曲段套管柱失效载荷进行了分析。在建立套管柱受力等效模型和有限元计算模型之后,分析研究了多种载荷耦合作用下套管柱失效的临界应力和临界应变。研究结果表明,套管柱应力值和应变随着地层深度的增加和注汽温度的升高而增大,对于井眼弯曲段套管柱,井眼曲率越大,管柱应力值和应变越大。建议进行热采水平井套管柱设计时采用高强度管材,以提高材料屈服极限,减小轴向应变。     

非均匀载荷下套管偏心对套管强度影响研究

通过对复杂地质条件下套管变形趋势分析,发现在相同地层条件下、相同井段处非均匀载荷作用下的等效外挤压力相差很大,致使套管变形程度不一。为了搞清楚出现这种现象的原因,运用相关数值模拟方法对地应力的非均匀程度以及套管偏心度对套管外载的影响规律进行了进一步的研究,结果表明,在90°和270°相对偏心方位套管的最大应力随着偏心距增加而逐渐增加;偏心距越大,套管内壁应力增加幅度越大。这与在非均匀载荷作用下套管内壁最大应力出现方位相同,即套管在非均匀载荷作用下向最小水平主应力方向偏移时,会加剧套管内应力的增加幅度;反之则会减小套管内应力的增加幅度。     

中短半径水平井弯曲井段套管受力分析

套管柱在高井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力和较大的径向变形，有可能导致强度破坏和变形失稳。为了研究套管在弯曲载荷作用下的应力分布及变形情况，采用三维实体单元，运用有限元方法建立了中短半径水平井弯曲井段套管的计算模型，分析了三种不同外径尺寸的套管在一定围压和不同弯曲载荷作用下的最大径向变形量和最大等效应力值，并分析其随井眼曲率的变化规律。计算表明，井眼曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大；同一井眼曲率下，外径较大的套管，径向变形和应力也较大。通过研究，对高井眼曲率下中短半径水平井弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。     

中海油在中东第一口盐下水平井的钻井实践

中海油自2010年进入伊拉克油田后一直未能实现盐下A储层的水平井开发。随着产量压力加大,盐下水平井势在必行。而实施盐下水平井需要克服800m厚的高压盐水层和盐膏层内造斜的技术难题~([1])。若要实施盐膏层内的定向钻井,需要以盐膏层井壁失稳机理和蠕变规律~([2])为基础,确定不同井斜下的安全作业窗口和安全钻井周期,得出适合盐膏层定向钻井的井眼轨迹。同时,优化钻井液性能,保证其良好的抗污染能力和流变性~([3]),以保证窄窗口下的作业安全;优选高抗挤强度的套管~([4]);优化固井水泥浆体系以及固井参数,保证压稳地层以及抑制盐膏层蠕变,从而保证盐膏层的套管安全以及固井质量,从本质安全上保证盐下水平井的成功实施。     

套管磨损与水泥环缺陷位置对套管应力的影响

以APDL为开发工具建立有限元模型,系统研究了非均匀地应力场中套管内壁磨损位置与水泥环缺陷位置对套管应力的影响规律。以塔里木油田迪娜2井5000m井深处为实例进行分析,结果表明,在一定磨损程度下,套管内最大等效应力总是在最大地应力方位取得最小值,在最小地应力方位取得最大值,工程中假设磨损位置在最小地应力方位是偏于安全的;水泥环缺陷明显改变了套管应力的分布规律,当套管磨损位置与水泥环缺陷位置角度相等时,套管内的应力最大,为最危险工况。     

深部倾斜盐岩地层套管应力及变形研究

针对川东北盐岩地层套管挤毁变形问题,建立了深部倾斜盐岩地层-水泥环-套管组合体三维有限差分模型,研究了非均匀地应力作用下地层倾角、井斜角、盐岩地层厚度及盐岩力学参数对套管等效应力和变形量的影响。研究结果表明:蠕变1 a时,套管内壁最大等效应力和套管内径最大变形量随着地层倾角和井斜角的增大而同时增大,且地层倾角的影响程度明显大于井斜角,随着盐岩地层岩石力学性质的增强而同时降低,即层间岩石力学性质差异越小,套管安全系数越高;当地层倾角和井斜角较大时,套管的最大变形量随着盐岩地层厚度的增大呈线性增加;利用建立的三维数值模型可以对一定地质条件下的深部倾斜盐岩地层套管的变形趋势进行重现和预测。研究结果对于预防和解决川东北油气田盐岩地层套管损坏问题、优化盐岩地层钻井设计及套管强度设计具有较高的理论参考价值。     

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。（）     

超深井非均匀地应力场中射孔套管强度分析

针对非均匀地应力、内压、射孔耦合作用下超深油气井试油和生产过程中经常出现的射孔套管损坏问题,采用有限差分软件建立了射孔套管-水泥环-地层三维地质模型,分析了射孔、内压以及非均匀地应力对超深井射孔后套管强度的影响。研究表明,射孔套管的剩余强度低于未射孔套管的剩余强度;射孔改变了套管应力的分布状态,射孔后套管最大应力发生在射孔处,孔眼处局部应力增大;射孔套管等效应力随内压的增加先降低后增加,存在一个临界值;当套管受非均匀地应力作用时,套管等效应力和变形量增大,且随着应力比的增加,套管等效应力和变形量随之增加,套管更容易发生损坏。该研究为套管的设计和应用提供了理论依据。     

盐下油层水平井钻井技术

为了增储上产，决定应用水平井钻井技术开发塔里木油田YM7凝析气田盐下油气层。由于油气层与上面盐膏层之间的垂距仅有30 m左右，所以侧钻造斜和大部分增斜段（0～70°）要在盐膏层中进行，施工难度和风险很大。对施工难点进行了分析，对井身结构、井身剖面、钻井液进行了优化设计，优选了钻头、钻机，采取了井控、安全下入复合技术套管等一系列技术措施，保证了施工的安全顺利进行。截至目前，该区块已先后完成了4口水平井的施工（除YM7-H1井因盐膏层蠕变造成177.8 mm套管变形导致水平段提前约200 m完钻外，其余3口井均成功完钻），YM7-H11井正在施工中。水平井先后投产后，均获得了较理想的油气产量，达到了预期开发效果。     

深井套管柱安全可靠性影响因素分析

套管挤毁给油田造成了巨大的经济损失。采用弹性力学解析及有限元方法,给出了考虑磨损时套管剩余抗挤强度、抗内压强度以及非均匀地应力作用下套管外壁等效外挤载荷的计算方法,分析了非均匀地应力作用下不同套管磨损量对套管强度以及不同地层性质对套管地应力外挤力的影响。研究表明,当磨损度为109／6时,套管的剩余抗外挤强度和剩余抗内压强度降低约30％;套管内壁的Mises应力和套管外壁地应力外挤力随地层弹性模量的增大均明显减小,说明地层越硬,套管将偏于安全。     

盐膏层蠕变粘弹性流体模型及有限元分析

将盐膏层作为线性Maxwell流体，建立了平面应变问题的粘弹性力学模型，通过实例江汉油田王80-3井不同时段内的井径变化，借助模型辩识理论，运用有限元方法，研究了盐膏层蠕变与时间的关系，套管在均匀、非均匀载荷作用下的应力分布，套管制造缺陷（不圆、不均度）对套管应力的影响，水泥环对套管的保护作用等，所得结果为工程实际提供了定量的参考依据，具有很好的推广应用价值。     

复合盐层套管外挤压力动态变化规律研究

盐岩地层套管外挤压力通常按上覆岩层压力进行设计。现场资料表明，以此为依据所设计的套管有时仍然不能满足盐层套管抗外挤强度的要求。利用研究区块复合盐岩地层上、下泥岩的岩石力学参数及地应力值，运用数值模拟方法，反演得到盐层地应力，在试验获得盐岩蠕变特性参数基础上，对套管支护的盐层井壁围岩进行蠕变分析，得到盐岩地层套管外挤压力动态变化规律。在构造应力的作用下，盐层的地应力场是非均匀的，盐岩蠕变导致套管受到的外挤压力是动态变化的。对于复合盐岩地层的套管柱设计，应该充分考虑构造应力场的非均匀性、盐岩的蠕变特性以及套管的设计寿命。     

水平井弯曲段套管下入可行性分析

根据弹塑性理论,应用数值仿真技术建立了套管下入水平井弯曲段的有限元模型;分析了套管在不同曲率、不同井眼扩眼率以及不同载荷情况下的变形、应力及下入位移的变化情况;揭示了φ177.8 mm套管在φ216 mm水平井弯曲段的下入规律及井眼参数对套管下入性的影响。对在水平井内安全下入套管具有指导意义。     

J45断块盐下水平井钻井关键技术

冀中坳陷束鹿凹陷J45断块地质条件复杂,沙河街组一段地层底部发育大段盐膏岩,该盐膏岩蠕变速率快、蠕变非均匀应力大,且对井筒工作液污染严重,其下部紧邻沙河街二段储层产状变化较快,内部单个砂组厚度较薄。针对以上情况,从井眼轨道设计、储层轨迹控制、套损套变预防和固井质量保证等方面着手,分析、整理出该断块水平井开发时存在的难点,并针对性采用了双增六段制剖面设计、地质工程一体化导向、双层组合套管注机油及抗盐水泥浆体系等系列技术对策。通过4口水平井的现场应用及不断改进,逐步形成了J45断块独有的盐下水平井钻井配套技术。     

页岩气井分段压裂套损影响因素分析

四川盆地长宁—威远页岩气示范区分段压裂过程中出现的套管变形、挤毁问题已经严重影响到页岩气井的井筒完整性以及勘探开发效果。考虑非均匀地应力、套管偏心、页岩各向异性、地层岩性非均质性等多因素的逐级耦合作用,利用有限元数值方法建立了偏心套管-水泥环-地层耦合的全尺寸数值模型,对页岩气水平井分段压裂过程中套管损坏机理进行研究分析。研究发现:套管偏心不是套管先期损坏的主控因素;随着非均匀地应力比增大,套管内壁应力极值及周向应力不均匀程度明显增大;页岩各向异性比越大,偏心角径向位置对应的套管内壁应力越大,此处承载风险也越高;套管内壁应力最大值出现在岩性交替变化界面,非均质性差异对套管内壁应力极值有较大的影响。研究结果可为页岩气井分段压裂过程中套损预测提供理论依据。     

泥岩段套管外载的有限元计算法

通过对泥岩蠕变本构方程的分析,利用Ansys有限元计算软件,对非均匀地应力作用下泥岩蠕变产生的套管外载进行了分析计算。举例说明了非均匀地应力作用下泥岩的蠕变将对套管产生一个大于地应力的非均匀外挤力,对套管将产生极大的危害。这一结论对泥岩段的套管设计具有重要的指导意义。