利用非均匀外载数值模拟法优化盐间油藏套管类型

此文从盐间油藏套管损坏现状出发,分析了套管变形井的力学影响参数。利用现有测井资料、岩石力学参数及水力压裂参数建立与垂向地应力、水平地应力和蠕变外载力相关的非均匀载荷计算模型,然后利用非均匀外载与套管屈服强度、套管等效强度及径厚比的转换关系,计算出套管变形状态下的等效破坏栽荷和应具备的抗挤强度,最后优选出适合盐间油藏不同区块的套管类型。通过非均匀外载数值模拟法研究,定量分析了盐间油藏套管损坏的力学机理,形成了一套适合盐间油藏套管优选的理论计算方法,对国内外相似油田也起到了一定的指导作用。     

套管缺陷及高抗挤套管抗挤强度研究

套管在生产过程中，由于本身制造的缺陷，降低了套管的抗外挤强度。为了更好地描述套管在非均匀栽荷情况下套管强度计算模式，文章建立了套管在非均匀栽荷作用下力学模型。根据弹性力学理论推导出理想圆形套管抗挤强度模式，综合考虑了套管缺陷对套管抗挤强度的影响，结合算例得出若干结论，为研究高抗挤套管在非均匀载荷作用下的抗挤强度提供初步的理论依据。     

非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探

API套管规范确定了套管在均匀流体静压载荷作用下的抗挤强度计算方法,非非均匀载荷对套管抗挤强度的影响几乎没有进行研究或作出规定,实际上,大多数油井套管的损坏是由非均匀载荷引起的。根据弹性力学理论,建立了套管在非均匀载荷作用下的力学模型,并应用逆解法对该力学模型进行求解,得到了在非均匀载荷作用下套管的抗挤强度计算式,研究表明,套管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度,增强壁厚比提高钢级更为有效,该模型在理论研究上和现场应用中都有十分重要 的意义。     

非均匀载荷下厚壁套管抗挤强度分析

非均匀地应力下套管柱强度设计须考虑非均匀载荷对其强度的影响，对此国内外众多学者进行了大量研究，并取得许多有益成果。但这些研究主要以径向的非均匀外载为边界载荷，没有考虑套管外壁受非均匀剪切力的作用；其次，对非均匀载荷下套管磨损、残余应力、不圆度和壁厚不均度等缺陷的影响未作考虑。为此，建立了厚壁套管受径向非均匀挤压和周向受非均匀剪切的力学模型，应用弹性力学逆解法进行了求解，分析了非均匀载荷下厚壁套管的应力分布规律。研究表明，非均匀载荷作用下沿最小水平地应力方向、套管的内壁是承载危险区。由此提出了非均匀载荷等效为均匀外挤载荷的方法，给出了含缺陷套管在非均匀载荷下抗挤强度的分析方法。     

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。     

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。     

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。     

非均匀套管磨损对套管强度的影响

在深井、大位移井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗挤强度和抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患。根据ISO 10400推荐的套管抗挤强度和抗内压强度计算模型,考虑磨损后套管壁厚不均度、内壁不圆度的影响,推导出了非均匀磨损套管抗挤强度和抗内压强度的计算模型,分析了套管磨损厚度对套管抗挤强度和抗内压强度的影响。计算结果表明,非均匀磨损套管的抗挤强度和抗内压强度降低百分比随套管磨损厚度的增加而增加;在相同的磨损厚度情况下,磨损后套管的抗挤强度比抗内压强度降低得更快;与磨损后CS 110T套管抗挤强度试验数据相比较,由理论计算出的非均匀套管磨损抗挤强度与实测值的相对误差在5%以内。该计算模型为深井、大位移井钻井过程中非均匀套管磨损提供了新的评价方法。     

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。     

非均匀载荷下套管强度的计算

在建立了泥岩蠕变非均匀外载模型基础上,提出了一种对泥岩蠕变引起的椭圆形非均匀外载下套管应力和强度的计算方法。在非均匀载荷下,套管所能承受的最大载荷迅速降低。当内压为0.1MPa时,套管的临界载荷平均约为均载情况下的11%.大庆榆树林油田泥岩段的套损分析表明高压注入水沿垂直裂缝进入泥岩层,引起泥岩层吸水蠕变,使得所用J-55套管难以承受较大的非均匀挤压力,导致套管损环。建议在易发生泥岩蠕变井段,应采用P-110型套管以确保井筒安全。     

Borehole casing failure analysis in unconsolidated formations: A case study

A considerable number of oil and gas reservoirs in the world are located in unconsolidated sands, in which casing failure and sand production are the major problems impacting oil production. This paper presents field-observed results of casing damages in unconsolidated sandstones in the Gudao reservoir of the Shengli Oilfield, China. Three-dimensional failure characteristics of borehole well casings were obtained using the ultrasonic wellbore televiewer. The downhole observation results show that casing failures primarily occurred in unconsolidated sandstones, and were caused by sanding-induced cavities. The results also reveal that most failures were caused by the casing buckling and fracturing due to the cavities and non-uniform stress distribution in the unconsolidated formation. Numerical modeling is applied to analyze the mechanism of casing failures in such a formation. The interactions between the casing and surrounding formation are simulated, and effects of sanding-induced cavities on the casing are also considered. The numerical results show that the cavities in the formation due to sanding cause the formation more likely to fail and the casing to suffer much larger deformations. Furthermore, casing buckling, axial compressive yield and load-deformation relationship are analyzed. According to these analyses, the casing damage mitigation methods are presented.     

水泥环性质对套管抗挤强度影响的有限元分析

套管常在油层和泥岩部位严重损坏，分析认为这是生产过程中地应力发生了变化，导致油层孔隙压力或泥岩力学性质改变，造成地应力重新分布的结果。因此，水泥环的质量对套管的影响较大。建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用Ansys有限元软件分析了套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明，最大应力在套管内壁产生，均匀我荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的5～7倍，而且栽荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力，因此，均匀我荷下应适当提高水泥环弹性模量，以达到提高套管抗挤强度的目的。     

水泥环对油气井套管力学性能影响的分析计算

油田生产中岩层在油井开采中应力变化较大,生产层段的岩层产生的应力作用于套管,挤压套管造成套管损坏,影响了油井的正常生产。通过建立二维平面轴对称和平面应变模型,利用Ansys有限元软件分析套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明,油井开采中地应力作用于水泥环,套管最大应力在套管内壁产生,均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的7倍以上。载荷椭圆度越大,套管内壁应力越大且分布不均。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力,生产中应保持水泥环弹性模量在20-35GPa范围,可以提高套管的抗挤强度。均匀载荷下,应采用J55套管,非均匀载荷下,应采用P110套管,可以有效地减小套管产生的应力,提高套管的抗挤强度。     

非均匀载荷对割缝管抗挤强度的影响

文章在建立非均匀外载模型的基础上，对结构为N80钢级割缝管的抗挤强度进行了研究。采用有限元法建立了三维有限元模型，根据弹塑性力学理论，借助有限元软件，分析计算了非均匀外挤载荷作用下割缝管的抗挤强度。分析了不同模型在相同不均匀系数、同一模型在不同的不均匀系数的情况下对等效抗挤强度的影响。研究表明，管体抗非均匀载荷的能力远远低于抗均匀载荷的能力，非均匀载荷作用下不均匀系数是影响强度的关键因素。其结果有利于指导在非均匀载荷作用下割缝的设计，对分析套管变形损坏的机理提供了依据，有利于对套损预防提出有效的建议。     

冀东油田出砂井射孔套管变形分析

以冀东油田高尚堡浅层出砂井套变统计资料为基础,分析了冀东油田疏松砂岩油藏套变部位,发现高尚堡浅层代表区块套管变形深度主要集中发生在1 850~2 000 m,与生产层位置一致。分析认为出砂造成套管失去支撑,是套管变形的原因之一,上覆岩层的压力是套变直接原因。对由于出砂、地层压力下降造成的上覆地层压力变化使套管发生变形的机理进行了分析,采用ABAQUS软件对射孔套管变形情况进行模拟对射孔套管在上覆地层压力作用下变形的形态规律进行了研究分析,为指导出砂井预防套变提供了依据。     

机械防砂与分层采油一体化管柱研究与应用

针对胜利油田疏松砂岩油藏机械防砂后井筒内径变小,现有分采工艺均无法实施的问题,研制了适合小直径套管的机械分层防砂与分层采油一体化管柱。该管柱采用1套换层工具控制2层采油,打破了以往的每个油层都需要1个换层工具进行分采的做法,简化了管柱结构,并可与多种机械分层防砂工艺管柱配套。该项工艺技术现场实施30井次,成功率100%。该技术可使疏松砂岩油藏各油层均衡生产,能较大限度地发挥中、低渗透层产能,并延长油井工作寿命。     

疏松砂岩油藏出砂应力敏感实验研究

为研究疏松砂岩储层应力敏感特征,模拟出砂对储层渗透性的影响,制作了全直径人造疏松砂岩油藏岩心,利用研制的疏松砂岩油藏应力敏感测试实验装置,采用不同驱替压差和驱动流速,模拟研究储层不出砂及出砂情况下储层渗透率和相对渗透率的变化规律。实验结果表明,疏松砂岩储层具有较大的压实空间,当轴向压缩率超过2%以后,渗透率的下降幅度均超过50%;在轴向压缩率范围内,两相共流区均从55%降低到20%,但在同样的轴向压缩率下,出砂会降低两相共流区的缩减速度。研究表明,疏松砂岩储层渗透率具有较强的应力敏感特征,适度出砂可以减小渗透率的降幅,降低油水两相共渗区的缩减速度,在一定程度上有助于保持油井产能。