利用套管变形量进行地应力反演

地应力是石油工程设计与施工所需要的重要参数之一。通常获取地应力大小的方式是通过水压致裂法直接测量、室内试验以及测井资料计算得到,但水压致裂法和室内试验法获取地应力的成本较高,根据测井资料计算地应力需要根据经验校正。而油田具有丰富的套管变形资料,因此,可以利用套管变形量进行反演获取地应力。利用已知的套管变形量作为基础条件,构造符合套管在井下的边界椭圆应力模式,选择测点计算最大变形量与测量最大变形量差值的平方为目标优化函数,采用合理的优化技术对位移进行反分析来获取最大和最小地应力。利用该方法对新疆某油田的A井进行了分析,结果表明,采用该方法能快速有效地计算出套管变形条件下的实际非均匀载荷大小,且计算结果与利用测井资料计算出的结果相差不大,可为合理设计套管柱、减少套管损坏提供依据,为油田获取地应力提供一种新的途径。      

套管水泥环组合应力计算边界条件分析

合理的套管应力计算是套管柱强度设计和套管损坏判别的依据。目前常用计算套管应力的方法是将非均匀地应力作用于已经形成的套管水泥环组合体之上,再根据计算结果进行套管应力及变形分析,而实际上非均匀地应力所引起的应力集中效应在固井之前已经在井壁岩石处释放,并不能作用到套管水泥环组合体之上。在非均匀地应力作用下一般形成椭圆形井眼,水泥凝固之前井壁岩石在非均匀地应力和井内液柱压力的作用下已经达到平衡,套管与水泥环组合不需要承担由非均匀地应力所产生的载荷,短期内套管水泥环组合承受均匀的液柱压力;油田长期开发过程中由于地层岩石具有流变性,逐渐将部分甚至全部垂向地应力转嫁到套管水泥环组合体之上,使其承受均匀地应力的作用,从而造成套管被挤扁和缩径。非均匀地应力形成的椭圆形水泥环改变了套管柱周向应力分布,但并不能将非均匀地应力作为套管水泥环应力计算的边界条件。      

非均匀地应力下套管挤压变形的有限元分析

以地层-水泥环-套管组合系统为研究对象,根据弹塑性力学理论,通过建立非线性有限元模型,对套管变形与地应力作用大小及非均匀性之间的关系进行了研究.分析了不同条件下,不同规格套管的外载与变形关系,根据有限元计算结果,绘制出不同的最小水平主应力和最大水平主应力配比下的套管变形范围图,能够直观方便地预测非均匀地应力作用下的套管...     

水平井造斜段盐膏层套管等效应力分析

针对盐膏层蠕变和水平井造斜段耦合作用下套管变形破坏的关键技术难题,采用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分软件建立了弯曲套管－水泥环－盐层三维地质模型,分析了非均匀地应力场条件下井眼曲率、钻井方位以及非均匀地应力对套管等效应力的影响。研究表明,在盐膏层钻水平井时,沿水平最小地应力方位钻进套管更安全;其他条件一定,井眼曲率越大,套管等效应力和位移越大,越容易发生屈服;随着蠕变时间的增加,套管等效应力迅速达到一最大值,最后趋于稳定,１．５年左右达到平衡;当地层受均匀地应力作用时,套管等效应力较小;当套管受非均匀地应力时,套管等效应力增加,且非均匀系数越大,套管所受的等效应力越大。该方法应用于中国西北部某油田盐膏层水平井造斜段弯曲套管损坏分析,完善了盐膏层套管设计理论,为盐膏层井筒安全提供了有力的保障。     

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。     

非均匀地应力下水泥环界面应力分布规律研究

针对水泥环的受力及其失效问题建立了非均匀地应力下地层、水泥环和套管的弹性耦合力学模型，给出了水泥环和套管的应力、位移表达式，编制相关计算程序计算了非均匀地应力作用下水泥环界面的应力分布，结果表明，非均匀地应力作用下水泥环界面应力分布呈现较强的非均匀性，这可能导致水泥环先于套管破坏，从而加速套管损坏。该模型的建立为固井水泥石强度的设计提供了理论参考。     

三维数据域最小二乘逆时偏移技术研究

最小二乘偏移理论上能够消除采集照明不佳的影响,减少成像假象、均衡成像振幅、提高成像分辨率,然而,受实际观测炮集数据与模拟炮集数据不易匹配、迭代反演计算量过大等因素影响,三维数据域最小二乘偏移的规模化应用受到制约。为此,提出了基于双程波傅里叶有限差分反偏移方法、共轭梯度反演步长三点抛物搜索寻优方法和GPU加速偏移/反偏移核函数计算方法的三维数据域最小二乘逆时偏移技术。通过有效压制反偏移正演模拟的数值频散,提高反偏移模拟数据与观测数据匹配的一致性,采用计算量更少的迭代寻优方法和GPU算法,实现了迭代反演效率的大幅提升,在此基础上形成了一套具有实际处理能力的三维数据域最小二乘逆时偏移技术方案。将该技术应用于西部和南方两个工区的实际地震资料处理,提高了地震成像分辨率,改善了同相轴的连续性,整体成像效果优于逆时偏移,验证了该技术方案的有效性。     

深井岩盐层套管外载的三维有限元分析

深埋于地下的岩盐在一定地应力和温度作用下发生蠕变,对井中的套管产生随时间而变化的外载,致使套管变形甚至挤毁,为此,针对塔里木油田羊塔地区岩盐层的温度、应力状态及其蠕变特性,建立了岩盐层、水泥环和套管耦合的三维有限元力学模型,研究了地应力状态及其大小、井内液体支撑压力对岩盐层套管受力的影响规律。研究表明,非均匀地应力作用下,盐岩蠕变产生的套管外载是非均匀的,在最小地应力方向的套管外载最大,此时若按上覆地层压力计算套管外挤载荷局限性较大。应用新模型对深井、超深井封固岩盐层的?250.83 mm套管、?177.8 mm套管和?206.38 mm 3种技术套管的强度进行了分析,计算结果与该油田技术套管挤毁的情况吻合,可见新建模型是合理的,可为深井岩盐层套管强度设计提供理论依据。     

非均匀地应力场中套管载荷的理论解

利用弹性力学理论推导出了非均匀地应力条件下套管-地层系统的位移场、应力场和套管载荷的解析表达式.将非均匀地应力分解为均匀地应力和偏差地应力两部分,并用弹性力学方法分别对其进行求解,得出理论解,最后将两部分叠加得到非均匀地应力条件下的套管-地层系统的位移场、应力场和套管载荷.应用实例表明,套管径向压力载荷图形的长轴指向地应力场的最小主压应力方向.     

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。     

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。     

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。     

膏盐层蠕变致套管变形损坏机理及对策——以四川盆地北部X区块为例

四川盆地北部三叠系海相地层已发现20余口井套管存在不同程度的变形损坏,变形井段主要集中在雷口坡组和嘉陵江组,该井段含有大量膏盐,其中嘉四段膏盐含量高达58%。为此,针对该区域的X区块A1井海相地层套管变形检测结果及膏盐层的蠕变特性,采用有限元方法建立了非均匀外挤载荷反演模型,反演得到了海相地层套管所受的非均匀外挤载荷最大、最小值分别为98.93 MPa、92.85 MPa;通过建立海相地层套管受力分析模型,模拟得到了非均匀外挤载荷状态下Φ177.8 mm套管等效应力分布,计算出作用在套管上的等效外挤载荷为119.68 MPa,而被检测的变形套管抗挤强度仅有89.8 MPa,不能满足抗挤要求,定量揭示出了引发该区套管变形损坏的原因是膏盐层蠕变产生的非均匀外挤载荷。结合该区非常规井身结构应用情况,进一步计算了对应Φ190.5 mm和Φ215.9 mm井眼尺寸的Φ168.28 mm、Φ193.68 mm和Φ 177.8 mm套管的等效外挤载荷,推荐了这3种尺寸的套管选型,其抗挤强度分别大于119.24 MPa、124.29 MPa和119.68 MPa,为该区域海相地层套管柱设计提供了参考数据。     

考虑初始椭圆度的套管抗载能力分析

针对套管的不同初始椭圆度建立了套管、水泥环、地层平面应变力学模型。分析认为，在非均匀地应力作用下，套管内壁的径向变形较大，抗载能力明显降低，破坏主要是由地下非均匀地应力引起的；随着初始椭圆度的增加，在地应力作用下套管各部位产生的应力分布不均程度增大，使得套管抗外载能力减弱。建议在生产和使用过程中应严格将套管椭圆度控制在规定的范围内，从而提高套管的抗载能力。     

定向井套管应力随地应力条件的变化规律研究

基于坐标变换方法建立了适用于任意井眼轨迹的定向井套管应力三维有限元计算模型.以室内岩心试验结果和现场常用套管尺寸为基础,研究了三种不同地应力条件下软、硬地层内套管最大有效应力随井斜角、方位角的变化规律.地应力条件包括:上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力均匀、上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力非均匀,上覆岩层压力为中间主应力.计算结果表明,复杂的原地应力场、井眼轨迹及地层性质对定向井套管的受力状态有重要影响,各种组合条件下均存在井眼轨迹优选值.在油井设计时,应充分考虑这些特点,合理确定井眼轨迹.     

膨胀套管中的残余应力问题

为探求套管径向扩张膨胀后的残余应力大小、产生原因及对套管性能的影响,进行了套管的实物膨胀试验,用切环法对膨胀后套管的横向残余应力进行了测量分析,发现套管膨胀后具有高的环向收缩残余应力,这种残余应力削弱了套管的抗挤强度。分析了套管膨胀后残余应力较高的原因,认为套管膨胀过程中的不均匀变形是套管膨胀后残余应力大的主要原因。介绍了衡量套管不均匀变形程度的指标-截面形状变化指数,并用试验数据对该指标的应用进行了检验。最后从制管工艺及膨胀工艺2方面提出了减弱套管膨胀后残余应力的措施。     

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。