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。     

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。     

弯曲井眼中套管抗挤强度计算

目前弯曲井眼中套管抗挤强度计算时没有考虑井眼弯曲的影响,无法确保固完井作业及生产过程中套管的安全。为此,根据弹性力学理论建立了井眼曲率和不均匀外挤力综合影响下的套管抗外挤强度公式。直接建立三维的套管模型,模型长度取10倍的套管外径,在套管的一端施加约束,另一端加弯矩来模拟井眼的弯曲。计算结果表明,在井眼曲率较大时,弯曲井眼中大尺寸厚壁套管抗外挤强度下降较为明显;理论计算的抗外挤强度通常小于模拟值,按照理论设计的套管是偏安全的,但不均匀度较大时需考虑模型计算的误差是否满足要求。     

水平井套管磨损规律及防磨优化研究

在水平井钻井过程中,受造斜段井眼曲率大、水平段钻具受重力影响躺在井眼底边等原因,技术套管磨损问题极为突出,井筒完整性存在极大隐患,对水平井套管磨损及剩余强度的分析展开系统性的研究是非常有必要的。文章采用套管磨损实验和套管磨损效率预测模型相结合的方法,对技术套管的磨损厚度、磨损系数、磨损后套管的剩余强度进行了研究分析,得到了在水平井磨损系数为1.52×10^-13 Pa^-1、井眼曲率在(2～6)°/30 m时的套管磨损厚度、磨损后套管的剩余抗内压强度和剩余抗外挤强度,并对磨损后套管剩余强度进行安全评价。随后从井眼轨迹优化、套管内径及钻杆接头耐磨带选择等出发,总结出水平井技术套管防磨优化建议。此项研究结果对水平井技术套管防磨设计及防磨措施具有指导意义。     

考虑磨损的弯曲套管抗挤强度研究及应用

为避免异常高压造斜井段套管挤毁和变形等复杂情况,针对该井段套管抗挤强度开展了研究,建立了弯曲套管抗挤受力模型及套管磨损量化理论模型,研究了套管抗挤强度随井眼曲率、轴向载荷及磨损深度变化的规律。研究结果表明:套管抗挤强度随井眼曲率、轴向载荷的增加逐渐下降,且服从良好的二次函数关系;综合考虑轴向载荷及弯曲作用下,套管抗挤强与磨损深度服从良好的线性下降关系。针对目标井所用的244. 5 mm技术套管,在设计的每100 m井段10°造斜率下校核了不同磅级与不同钢级下的套管抗挤强度,推荐了满足强度要求的套管规格。综合考虑轴向载荷及磨损,在设计的10°造斜率下,计算得到剩余套管抗挤强度最低为54. 106 MPa,较套管API名义抗挤强度降低约7. 194 MPa,降幅11. 74%,剩余抗挤安全系数为1. 312(1. 125),满足标准设计要求,同时计算了推荐套管所能承受的最大曲率范围。指出弯曲载荷下的套管抗挤强度受弯曲率及磨损深度影响较大。研究结果对于造斜井段的套管抗挤强度设计具有一定的借鉴意义。     

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。     

侧钻井弯曲段套管抗挤强度研究及应用

为了确保侧钻井造斜段套管抗挤强度能够满足钻井作业过程中的安全要求,建立了套管在受到弯曲载荷状态下的力学模型,对其进行理论分析,并利用ANSYS有限元软件模拟验证,研究套管抗挤强度与弯曲曲率、径厚比及轴向载荷之间的关系。研究结果表明:套管的抗挤强度随套管弯曲率的增加而降低,且管壁越薄下降速度越快,当套管弯曲率到达套管极限时,套管抗挤强度几乎相等;在一定的曲率条件下,套管抗挤强度随着径厚比的增加而降低;同一套管规格和尺寸条件下,外径小的抗挤强度随径厚比下降速度趋势远大于外径较大的套管;随着曲率的增加,径厚比与套管抗挤强度关系变的越来越平缓,因此,径厚比对抗挤强度的影响不是固定的。在弯曲条件下,同时考虑弯曲载荷和综合轴向载荷时,随着套管弯曲率的增加,轴向载荷对套管抗挤强度的影响在逐渐减少。研究成果可以为侧钻井造斜段套管的抗挤强度的设计提供参考。     

弯曲段套管的扁化变形及其对抗挤强度的影响

受井眼构型影响,弯曲段套管会发生塑性弯曲变形,进而其抗外挤强度降低。鉴于此,基于套管变形方程、胡克定律、Lame理论及强度理论,推导出考虑扁化变形后套管抗挤强度。以油气田生产常用的4种规格套管为例,定量考察了井眼曲率对扁化率和套管抗挤强度的影响。研究结果表明:随井眼曲率的增加,4种规格套管的扁化率均非线性增加,开始增长速率快,之后缓慢趋近于1;薄壁套管更易发生扁化变形;随井眼曲率的增加,扁化套管的抗挤强度非线性减小;当井眼曲率由每30 m井段2°增加到每30 m井段4°时,?139. 7 mm×12. 7 mm P110套管的抗挤强度降低14. 68 MPa;当井眼曲率由每30 m井段8°增加到每30 m井段10°时,套管抗挤强度降低7. 30 MPa;扁化套管抗挤强度降低率随井眼曲率非线性增长,初始增速快,之后减慢;相同外径套管,壁厚越大抗挤强度降低率越大。由于考虑了井眼构型约束下套管的塑性扁化变形,与常规方法相比较,研究的套管抗挤强度计算方法更精确。     

中短半径水平井弯曲段套管剩余抗挤强度分析

为得到套管柱剩余抗挤强度与水平井弯曲段造斜率间的定量关系,采用理论推导和三维有限元模拟的方法,分析了3种不同外径尺寸的套管在弯曲荷载和外挤压力作用下的剩余抗挤强度。计算结果表明,弯曲作用产生的套管截面不圆度对套管剩余抗挤强度影响不大;套管柱剩余抗挤强度与水平井弯曲段造斜率问较好地符合二次反比例关系;在造井眼斜率相同时,套管柱剩余抗挤强度与套管柱的径厚比服从指数反比例分布关系。研究结果为中短半径水平井弯曲井段套管柱抗挤强度的设计提供参考依据。     

胜科1井盐膏层段套管安全可靠性分析

胜科1井为东部油田第一口井深超7000m的科学探井。三开井段有两组流变性较强的软泥岩和盐膏层段,邻井郝科1井因盐膏层的蠕变导致φ244.5 mm套管挤毁变形而被迫完钻。从套管柱强度设计、套管磨损与剩余强度和套管安全下入3个方面分析了盐膏层段套管的安全可靠性。分析与现场实践均表明：济阳坳陷东营凹陷深层盐膏层套管抗挤毁强度设计中,计算套管外挤力时管外压力应按上覆岩层压力计算,管内压力应按全漏失面计算;按缺陷套管推导出的磨损后套管剩余强度计算模型是可行的;为保证套管柱下至设计井深,应根据盐膏层的蠕变速度选择钻井液密度,以减少钻井过程中可能出现的各种井下复杂情况。     

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。     

复合磨损对弯曲套管抗挤强度的影响

在大位移井、水平井和三维定向井的弯曲造斜段,由于井眼轨迹复杂,造成套管弯曲变形、扁化、严重磨损或磨穿,井下摩阻扭矩过高导致卡钻和断钻具等井下事故频发,出现了许多新的套管损坏问题。鉴于此,建立了弯曲套管力学模型,发现随着套管弯曲曲率增加,截面扁化程度加剧,套管抗挤强度降低。同时分析了复合磨损对套管抗挤强度的影响;在单尺寸月牙磨损理论假设的基础上,根据参与磨损的钻杆接头尺寸不同,建立了复合锐进型月牙磨损和复合钝进型月牙磨损两种几何模型;采用解析法计算了复合磨损情况下套管的抗挤强度;通过有限元模拟验证,发现在相同磨损深度下,复合月牙磨损与最小磨损半径单月牙磨损的套管抗挤强度十分接近,最大误差控制在5%以内,且误差随磨损深度的增加而减小。研究结果可为复杂井井眼轨迹设计提供参考。     

浅谈弯曲条件下评价套管抗挤毁强度的试验方法

随着油田的开发,地层愈来愈复杂,特别是盐膏层,由于地层蠕动对套管抗挤毁强度要求越来越高,而对在特定的条件下对套管抗挤毁强度的研究多采用有限元分析。本文通过全尺寸试验评价方法,探索一种在弯曲条件下评价套管抗挤毁的试验方法,对大曲率井的开发有着重要的指导意义。     

高抗挤厚壁套管的性能及应用效果评价

中原油田套管损坏的主要原因是现有套管强度不够,无法抵抗盐膏层段的巨大外挤力。开发了TP130TT型高抗挤厚壁套管,其强度能很好地抵抗盐膏层巨大外挤力。实验室试验表明,各项性能指标达到了设计要求,现场使用取得了很好的效果,解决了中原油田盐膏层段套管强度不足的难题。     

厚壁套管等效外挤载荷计算

鉴于ISO 10400新标准提出的计算厚壁套管抗挤强度公式是针对均匀外挤载荷的,不适应非均匀外挤载荷下套管抗挤强度计算的状况,根据虚功原理和Mises屈服准则,提出了2种计算等效外挤载荷的方法。将作用在套管上的非均匀载荷转化成与之具有相同破坏能力的均匀载荷。算例分析表明,2种方法计算的等效外挤载荷具有较好的一致性,基于新标准的挤毁理论,套管在非均匀载荷条件下的抗挤强度也有较大的提高。     

盐膏层TP140特厚壁套管抗挤特性研究

针对塔里木地区深层的盐膏层塑性流动性强，一般API套管难以满足要求的难题，以塔里木地区应用的TP140V特厚壁盐膏层套管为分析对象，建立了套管、水泥环、地层力学模型，运用有限元方法分析了特厚壁套管在非均匀载荷作用下的抗挤特性。研究表明，在相同非均匀载荷作用下，Φ273.1 mmTP140特厚壁套管较普通套管最大应力降低了36%，特厚壁套管具有更强的抵抗非均匀载荷的能力。但是随着载荷的非均匀程度升高，仍然可能导致套管损坏。因此，应该在有盐膏层的区域准确预测两向水平载荷的大小，为正确选用厚壁套管提供依据；水泥环厚度对套管抗挤性能的影响不大，故盐膏层井段的环空间隙大小均能满足固井质量要求即可。     

TP130TT盐膏层套管性能及应用效果分析

中原油田套管损坏的主要原因是现有套管强度不够,无法抵抗盐膏层段的巨大外挤力.针对这一问题,开发了一种特殊套管--TP130TT高抗挤厚壁套管.其强度高,能很好地抵抗盐膏层的巨大外挤力,各项性能指标达到了设计要求,经现场应用达到了预期的目的,取得了很好的效果,解决了中原油田盐膏层段套管强度不足的难题.     

TPl30TT盐膏层套管性能及应用效果分析

中原油田套管损坏的主要原因是现有套管强度不够，无法抵抗盐膏层段的巨大外挤力。针对这一问题，开发了一种特殊套管——TPl30TT高抗挤厚壁套管。其强度高，能很好地抵抗盐膏层的巨大外挤力，各项性能指标达到了设计要求，经现场应用达到了预期的目的，取得了很好的效果，解决了中原油田盐膏层段套管强度不足的难题。     

深井盐层套管非均匀载荷计算与套管设计方法研究

深入分析复杂盐层奈件下套管承受的载荷是盐层套管安全设计的关键。结合中原油田第三系盐膏层地质条件，利用FLAC软件建立了高倾斜韵律盐层的套管载荷分析三维模型，改变套管外的水泥封固奈件，探讨了盐层套管承受的非均匀载荷和套管内的应力分布，提出了盐层套管的设计方法。研究表明：环空水泥胶结不良时盐层容易对套管产生非均匀的挤压载荷；在高倾斜韵律盐层中，套管受到的非均匀载荷更高；盐层的非均匀载荷使套管内切向应力和轴向应力的集中比均匀外挤载荷下高得多；非均匀载荷下套管抗挤安全系数可以依据von Mises屈服准则来确定。     

弯曲井段套管抗挤强度理论及试验研究

为保证弯曲井段的套管抗挤强度满足作业要求,建立了弯曲载荷状态下的套管受力理论模型,结合ANSYS有限元模拟,研究了同规格套管的抗挤强度与井眼曲率之间的关系;同时建立了室内弯曲套管抗挤试验平台,进行了不同曲率下的套管抗挤试验。研究结果表明:抗挤强度与曲率服从良好的二次函数下降关系,在现场常用曲率范围内呈现线性下降趋势,当曲率继续增加,抗挤强度下降趋势越来越快,二次下降趋势明显;在钢级和尺寸相同条件下,套管壁厚越薄,抗挤强度受弯曲率影响越小,下降趋势越平缓;在每30 m井段曲率0°~7°范围内,有限元模拟、试验测试结果与理论计算结果相近,有限元模拟的最大误差为5. 57%,试验测试的误差最大为2. 91%。研究成果可为套管在弯曲井段的抗挤强度设计提供理论及试验参考。