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。     

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。     

套管柱在水平井弯曲段的可下入性

套管柱在水平井弯曲段随井眼弯曲产生较大的弯曲应力和受到较大的摩擦阻力，有可能产生强度破坏、密封失效、稳定性破坏而不能下入。下套管前应对套管柱通过弯曲段的可能性加以判断，其准则是：（１）下套管通过弯曲段时，套管柱在直井段的浮重应大于总摩阻；（２）弯曲应力与拉应力之和小于套管的最小许用应力；（３）在弯曲段套管柱不发生屈曲变形；（４）螺纹密封不应失效。经判断套管柱不能通过弯曲段时，可用不封固井底的完井方式（如裸眼完井及其变种形式）。     

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。     

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。     

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。     

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。     

弯曲套管抗挤强度有限元ANSYS分析方法

针对我国各油田套变井数量上升，工程参数计算复杂的情况，通过建立ANSYS有限元模型，研究了4种常用套管尺寸的抗挤强度与套管弯曲率的关系，提出了使用有限元编程方法，快捷、高效计算在不同套管弯曲率条件下，套管抗挤强度、最大应力的方法，对指导套变井防砂、套管修复及常规油井酸化、压裂等工程作业具有重要的指导意义。弯曲套管最大应力随井眼曲率的增大而增大，最大应力点在弯曲的外侧。同一井眼曲率下，外径越大的套管相应点应力值越大。套管弯曲率增加，抗挤强度下降。弯曲率超过40°·hm^-1以后，抗挤强度下降变缓。     

弯曲井段中套管柱挠曲变形的分析计算

水平井中的造斜段井身轨迹处于弯曲状态，因此位于其中的套管柱具有初弯曲。这样弯曲井段中套管柱不仅要受到自重产生的横向均布载荷和纵向载荷的作用，而且还有初弯曲，受力及变形很复杂。在考虑弯曲的条件下利用力法对弯曲井段中套管柱的挠曲变形进行了分析计算，推导出了相应的计算公式，其结论对工程实际有一定的指导意义。     

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。     

拉弯复合载荷作用下的API短圆套管螺纹力学行为

套管下入水平井弯曲段时,套管螺纹是否已发生屈服对于随后的钻进和油气井生产有至关重要的影响,而目前国内外对于井眼曲率（弯矩）对套管螺纹连接强度和密封性能影响的研究极少。笔者基于虚功原理、接触非线性理论及vonMises屈服准则,建立了API短圆套管螺纹连接的三维计算模型,研究了拉弯复合载荷下连接螺纹的应力分布规律,指出井眼曲率（弯矩）对套管的连接强度和密封性能影响极大,并通过大量计算绘制了给定井眼曲率时的最大许用套管悬重图,综合考虑连接强度和密封能力推荐了API短圆套管螺纹标准所列锥度、螺距、螺纹长度、牙高参数系列中的最优值。     

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。     

水平井套管弯曲力学模型与计算分析

给出了对水平并段套管柱在具有初始曲率时进行弯曲分析的力学模型，介绍了模型中相关载荷参数的确定方法，运用这种方法可精确和方便地计算套管柱的最大挠度和最大弯曲正应力。指出有的文献未考虑端面弯矩的存在，或虽论及端面弯矩的影响却未给出确定端面弯矩的方法。据此，作者运用等截面杆的转角位移方程和静力平衡、变形协调条件确定了端面弯矩，从而正确地分析套管柱的弯曲。     

水平井套管挠曲变形计算

应用能量守恒定律将具有初弯曲的水平井套管柱转化为直管柱，从而简化了套管柱挠曲变形的计算。讨论了相邻两扶正器问套管的力学模型，指出在铰支处应加上弯矩的作用。由此模型可得到水平井套管最大挠度的计算公式。     

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。