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.     

基于裂缝诱导应力场的套管应力影响因素分析

水平井分段压裂形成人工裂缝，产生的裂缝诱导应力场影响套管应力分布。为研究在裂缝诱导应力场作用下套管应力影响因素，基于理论公式和有限元分析方法，建立套管应力力学模型和裂缝-地层-水泥环-套管三维有限元模型，借助力学模型验证有限元模型的可行性，模拟岩石弹性模量、套管内壁压力、水泥环弹性模量、地应力变化和施工排量对套管应力的影响，并针对徐深气田实际压裂段进行实例分析。研究结果表明：当岩石弹性模量低于15 GPa时，套管发生塑性形变，套管内壁无压力加剧了套管塑性变形程度；当套管内壁压力为100 MPa时，水泥环软硬程度对套管应力基本无影响；套管应力随着水泥环弹性模量的增大呈现增大的趋势，水泥环泊松比和软硬地层不改变套管应力变化趋势；随着地应力差值的增大，套管应力呈现减小的趋势；施工排量为16 m³/min时，套管存在塑性变形，达到极限施工排量18 m³/min时，套管完全失效。研究成果对压裂段套管的损坏防治具有一定的指导意义。     

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。（）     

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。     

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。     

高压注水下套管蠕变损坏的机理研究

油田注水开发以后,由于泥岩吸水蠕变,使非均匀地应力作用于水泥环和套管而导致水泥环和套管发生径向缩径变形。通过建立套管—水泥环—泥岩围岩蠕变力学模型,定量计算和分析了井壁泥岩蠕变载荷分布和变化规律,水泥环和套管外壁径向和环向载荷分布规律,揭示了套管外壁环向载荷分布规律是引起套管变形损坏的直接原因;套管外壁径向载荷与地应力分布规律、套管变形趋势相反说明水泥环在套管抵抗非均匀载荷时起到改变受力边界的作用。通过对套管损坏机理的研究,提出预防高压注水泥岩层的套管损坏主要从防止注入水窜入软弱的泥岩夹层和提高油层附近泥岩层段套管强度两方面入手,为后续套管损坏防治工作提供借鉴。     

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。     

页岩储层各向异性对套管应力影响敏感性研究

页岩储层各向异性特征明显,基于岩石横向各向同性本构关系理论,建立了套管-水泥环-地层组合体三维有限元模型,对页岩储层各向异性及其与非均匀地应力、水泥石力学特性、水泥环形态的耦合作用对套管应力的影响进行研究。研究结果表明：页岩储层各向异性增大了套管应力,增加了套管损坏的风险;地应力非均匀度越高,储层各向异性对于套管应力的影响越大;水泥石力学特性不变时,考虑储层各向异性时套管应力比不考虑时高;套管偏心时,在套管应力较小的区域,考虑各向异性时比不考虑各向异性时更小,在套管应力较大的区域,考虑各向异性时要比不考虑各向异性时更大。研究结果对于解决多级压裂过程中的套管损坏问题,提高页岩气开发产能具有重要的理论和应用价值。     

固井水泥环对套管承载能力的影响规律

固井质量的好坏直接影响油水井的使用寿命。通过采用计算机辅助工程(CAE)方法,研究了水泥环缺损、水泥环不居中以及水泥环的性质对套管承载能力的影响规律,提出了固井质量差导致套管损坏的基本机理。     

非均匀地应力下套管受力影响因素研究

在非均匀载荷作用下套管易挤毁失效,特别是在软岩层段中该问题尤其突出。为此,文中建立了非均匀地应力下、考虑水泥环界面不同接触状态的软岩层、水泥环和套管组合体力学模型,应用弹性力学半逆解法推导了水泥环和套管的应力、位移表达式,采用数值方法进行了求解。以某地区软岩层为例,研究了水泥环界面接触状态、地层力学参数、水泥环力学参数及几何参数、套管几何参数对套管受力的影响规律。研究表明,当界面完全接触时,套管受力最佳;当界面光滑接触时,套管受力最恶劣;在水泥环界面良好接触的条件下,提高水泥环力学性能、增加套管壁厚能改善套管受力。该模型及其力学分析程序可为非均匀地应力下固井工程设计提供参考。     

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。     

固井缺陷对磨损套管抗内压强度的影响

套管磨损和固井缺陷是钻井过程中必然存在的现象。应用相似准则设计出磨损套管的相似模型,对不同固井质量缺陷和不同磨损情况的套管进行组合实验,将实验结果与有限元分析相结合来研究模型套管在不同固井缺陷和不同磨损量下的抗内压强度。将模型套管推广到原型,利用有限元方法分别计算了水泥环—套管—地层系统在不同水泥环缺失范围、不同套管磨损程度下的抗内压性能。研究结果表明:当水泥环有缺损时,不但不能增强套管的抗内压能力,反而降低了套管的抗内压强度。水泥环的缺失范围越小,应力集中现象越严重。     

体积压裂过程套管力学行为研究

页岩气体积压裂时,关于固井质量对套管应力的影响分析主要基于传统建模方法,计算时无法考虑水泥浆失重及地层性质变化对套管的影响。鉴于此,基于分步有限元方法,考虑井筒组合体的初始应力应变,建立了温度和压力耦合条件下水泥环含多重工程缺陷的井筒组合体开挖扰动力学模型,对压裂过程中极端工况下的套管力学行为进行了分析。研究结果表明:当水泥环存在结构缺陷时,套管偏心和水泥环缺失单独存在时对套管应力的影响较大,而井筒内温度变化则削弱了水泥环结构缺陷对套管应力的影响;压裂过程中储层性质的降低以及水泥环缺失的综合作用极易导致套管发生变形破坏;极端工况下,水泥环弹性模量对套管应力的改善作用较小,而套管壁厚的增加能明显改善该情况下套管的应力状态。研究结果可为页岩气开发提供理论指导。     

页岩气井多簇压裂套管应力影响因素分析

页岩气井储层改造多采用多簇压裂技术实现增产目的，同时也引发了套管失效问题。为研究多簇压裂对套管应力的影响，基于理论公式和有限元分析方法，建立套管应力力学计算模型和多簇裂缝-地层-水泥环-套管三维有限元模型，借助力学模型验证有限元模型的可行性，模拟裂缝簇数、岩石弹性模量、水泥环弹性模量、套管内壁压力和地应力变化对套管应力的影响，并针对威荣区块某井压裂段进行实例分析。研究结果表明：套管应力随着裂缝倾角θ的增大而减小，θ=15°为套管应力风险值；套管应力随着压裂簇数的增加整体呈现先小幅增大后减小的趋势；套管应力随着岩石弹性模量的增大而减小，当岩石弹性模量低于45 GPa时，套管应力随着水泥环的硬度增强而增大；套管应力随着水泥环弹性模量的增大而增大，变内压不会改变套管应力变化趋势；套管应力随套管内壁压力的增大而增大，地应力差值的变化不改变套管应力变化趋势；随着地应力差值的增大，套管应力呈现增大的趋势。研究成果对多簇压裂套管的损坏防治具有一定的指导意义。     

膨胀水泥预防压裂井中水泥环的力学破坏研究

针对压裂作业井中水泥环的力学破坏问题,研究利用膨胀水泥来预防该类破坏。利用有限元方法计算了压裂作业时普通水泥环中的最大主应力,并结合水泥环的力学性能分析了其破坏方式,将膨胀应力与最大主应力叠加后得出了膨胀水泥环中的最大主应力,分析了膨胀水泥预防水泥环力学破坏的原理,评价了膨胀应力对套管受力状况的影响。通过室内实验研究了模拟压裂作业时普通水泥环和膨胀水泥环的破坏情况。研究结果表明,压裂作业时普通水泥环的破坏方式为切向拉伸破坏;膨胀水泥产生的膨胀应力可以降低水泥环中的切向拉应力甚至使其转变为压应力,从而可以预防水泥环的力学破坏;膨胀应力会降低压裂作业时套管中的米塞斯应力,不会导致套管的受力情况恶化。实验结果表明,相同模拟压裂条件下,膨胀水泥环未发生破坏,普通水泥环因切向拉伸应力的作用而破坏,验证了使用膨胀水泥预防压裂井水泥环力学破坏的有效性。     

压裂工况下近井筒地应力及套管载荷分布规律研究

为了研究水力压裂工况下套管损坏机理及套管载荷影响因素,开展了储层岩石力学参数测试,建立了套管–水泥环–地层–裂缝的多场耦合有限元分析模型,分析了水力压裂扩展时近井筒地应力及套管载荷的分布规律及影响因素。研究结果表明,储层中天然裂缝的存在引起水力裂缝的非均匀扩展,套管承受非均匀载荷;当储层地应力差增加、弹性模量降低时,近井筒地应力及套管载荷增加;天然裂缝数量及天然裂缝分布形态对近井筒地应力及套管载荷的影响较为复杂。研究结果为页岩储层优化固井设计及压裂设计、减少套管损坏问题提供了理论依据。     

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。     

六中东区泥岩段地层套损影响因素分析

针对新疆油田六中东区的实际情况,建立了非均匀载荷下套管-水泥环-地层的力学模型,应用ANSYS软件模拟套管的变形和破坏过程,重点研究了各因素对套损的影响程度。结果表明:非均匀力是造成套管损坏的主要因素;随着水泥环弹性模量的增大,套管水泥环抗非均匀外载强度增加;随着水泥环径向厚度的增大,套管水泥环抗非均匀外载强度增加。提出了预防和减缓油田套损的方法。     

水泥环力学参数与载荷间的适应性

为选择水泥环力学参数,保障水泥环封固效能,利用套管- 水泥环- 地层组合体结合有限元力学模型,研究了蠕变地层不同井深条件下水泥环屈服强度、弹性模量、载荷对界面应力及破坏形式的影响,分析了强度、弹性模量与载荷的力学适应性关系。结果表明:套管内加载时井口处水泥环易于发生周向拉伸破坏,井下水泥环则易于发生屈服和出现高的压应力。加载中水泥环发生弹性变形时,水泥环屈服强度对界面各应力不产生影响;弹性模量增加,界面各应力增加。水泥环发生屈服变形时,水泥环屈服强度增加,界面各应力均增大;弹性模量增加,界面接触压力增大,内界面周向应力降低;卸载时井口处水泥环易于发生胶结界面撕裂。水泥环具有低弹性模量、适当屈服强度、高抗拉强度、高胶结界面强度时承载能力高。     

套管载荷弹塑性有限元分析

应用弹塑性有限元方法分析了套管-水泥环-地层系统套管载荷的分布规律。在非均匀地应力条件下,当地层进入塑性时,塑性区为椭圆形,椭圆长轴在最小主应力方向,套管载荷径向分量比弹性解大,但载荷的非均匀性降低。当水泥环进入塑性时,套管载荷大于弹性解,通过提高水泥环的内聚力和摩擦系数以及降低水泥环的弹性模量,可以降低套管载荷。