水泥环厚度和弹性模量对套管抗挤强度的影响

建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用有限元法分析了套管在水泥环作用下受到的均匀与非均匀外挤载荷的变形特征。分析表明，套管最大应力在套管内壁产生，均匀载荷下，增大弹性模量，减小水泥环厚度，保持水泥环厚度在10-20mm范围可以有效提高套管抗挤强度。非均匀载荷下，载荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷抗挤强度的5～8倍。非均匀载荷下，增大水泥环弹性模量和提高水泥环厚度可以减小套管内壁最大应力，提高套管抗挤强度。     

水泥环厚度和弹性模量对套管抗挤强度的影响

建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型,利用有限元法分析了套管在水泥环作用下受到的均匀与非均匀外挤载荷的变形特征。分析表明,套管最大应力在套管内壁产生,均匀栽荷下,增大弹性模量,减小水泥环厚度,保持水泥环厚度在10～20mm范围可以有效提高套管抗挤强度。非均匀载荷下,载荷椭圆度越大,套管内壁应力越大。均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷抗挤强度的5～8倍。非均匀载荷下,增大水泥环弹性模量和提高水泥环厚度可以减小套管内壁最大应力,提高套管抗挤强度。     

非均匀地应力场中套管井井周应力分布及影响因素研究

用解析方法对非均匀地应力场中的套管-水泥环-地层应力分布进行了分析,并编制相应计算程序,来分析套管井周围径向、周向应力的分布规律,并依此研究了套管内径、套管壁厚、水泥环壁厚、水泥环弹性模量对套管所受径向、周向应力的影响规律.研究结果表明套管-水泥环-地层系统中各界面上的周向、径向应力均呈椭圆图形分布,且各界面周向应力以及套管与水泥环接触面径向应力的长轴均指向最小主压应力方向;套管外壁周向应力随着水泥环弹性模量的减小、套管内径的增大、套管壁厚的减小、水泥环壁厚的减小而逐渐增大;套管径向应力,随着水泥环弹性模量的减小、水泥环壁厚的减小,套管内径的减小,套管壁厚的增大而逐渐增大;影响套营周向应力的主要因素是水泥环的弹性模量和套管内径,影响套管径向应力的主要困素是水泥环的弹性模量和套管壁厚.分析认为适当提高水泥环的弹性模量、减小套管内径、增加套管壁厚,可减小套管应力,提高套管井抗挤强度.研究成果对优化套管完井设计、避免套营变形损坏、指导套管井的各种井下作业措施均具有重要的指导意义.     

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。     

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。     

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。     

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。     

套管试压对水泥环完整性的影响

目前中国油田套管损坏井日渐增多,研究人员对水泥环长期力学性能的研究主要集中在延缓和减少外挤载荷对套管的作用,改善套管的受力状况,而忽略了这些载荷对水泥环完整性(有效密封性)的影响.从维护水泥环本身的完整性出发,根据套管-水泥环系统受力情况建立平面力学分析模型,以弹性力学厚壁筒理论为基础,建立了水泥环破坏的判定依据,分析了套管内压和水泥环的弹性模量对水泥环完整性的影响.结果表明,提高水泥石的抗拉强度和降低水泥石的弹性模量,均可在保持水泥环完整性的情况下,大幅提高水泥环在套管试压过程中的承压能力.     

非均匀地应力下套管水泥环受力研究

大多数套管损害是由非均匀外载引起的。以非均匀外载为前提,以弹性力学为基础。以套管-水泥环-储层岩体环组合系统为研究对象,对套管及水泥环在理想状况下受非均匀地应力和均匀内外压共同作用时的受力特性进行分析,并依据不同的接触条件推导相应的线性方程组。借助于计算机,计算不同地应力作用下套管、水泥环内部应力及表面受力分布,并可以分析水泥环弹性模量、水泥环厚度与套管接触情况对套管水泥环受力分布的影响。     

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。     

套管外挤力的数值模拟及影响因素分析

目前关于套管外挤力的计算都以有效外挤压力均匀分布在套管圆周上为前提条件,与实际的钻井工况不符,况且套管外挤力的大小还受到地层弹性参数和水泥环弹性参数匹配关系的影响。为此,建立了套管-水泥环-地层受力有限元模型,综合考虑材料的弹性参数匹配情况,由非均匀地应力来计算套管的外挤力。分析结果表明,通常情况下,套管的最大外挤力出现在最小水平地应力方向上;随着地层泊松比的增大,套管外挤力减小;当地层弹性模量较大时,随着地层弹性模量增大,套管外挤力减小;水泥环弹性模量较大时,其值增大有利于减小套管的外挤力;水泥环的重要作用不是减小套管受力,而是封隔地层。     

均匀地应力下水泥环应力计算及影响规律分析

套管试压工况下水泥环受力状态恶劣,容易导致水泥环发生破坏。运用弹性力学理论,对套管试压工况下的套管、水泥环和地层模型计算公式进行了推导,得出均匀地应力条件下水泥环二维应力状态解析解,并对模型进行了有限元数值模拟。分析了套管试压值、地应力、水泥环厚度、水泥石弹性模量、水泥石泊松比等因素对水泥环受力状态的影响规律。分析结果表明,水泥环无论在何种受力情况下,其内径处均易聚集较大应力;水泥环厚度的确定不但要考虑固井顶替效率和固井质量等影响因素,还应考虑水泥环与地层匹配情况以及水泥环可能的受力状况;水泥石弹性模量越小,水泥环受力越小,水泥环也就越安全。该项研究成果对注水泥固井设计及水泥环受力优化具有一定的理论指导意义。     

岩盐地层中水泥环弹性模量和厚度对套管强度的影响

采用有限元法研究了岩盐地层中水泥环的弹性模量和厚度对套管强度的影响规律.将"套管-水泥环-地层"简化成一个平面系统,以等效的弹性地层代替蠕变的岩盐地层,并将地应力分为均匀和非均匀两种情况,而将水泥环的弹性模量和厚度设为可调参数.研究结果表明:在"套管-水泥环-地层"系统中,最大应力总是发生在套管的内壁;当水泥环的厚度一定时,其弹性模量存在一个中间值,等于该值时套管中的最大应力达到峰值;单纯增加水泥环的厚度不一定能够改善套管的受力状况,有时甚至会恶化,只有当水泥环的弹性模量大于一定数值后,增加其厚度才能改善套管的受力状况.     

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。     

膨胀水泥环空界面径向应力理论解及实验验证

为了确定固井水泥凝固过程中套管和水泥环初始载荷状态,综合考虑水泥凝固过程中体积膨胀和材料参数的变化规律,推导出水泥凝固过程中环空界面的径向应力理论解。在理论解推导过程中,将水泥环的凝固过程分为多个时间步长,在每一个时间步长中,先计算水泥环无载荷状态下的原始半径,然后依据套管、膨胀后的水泥环和地层3者的协调变形条件,计算出变形后的径向应力,并将其和变形后的半径值一起作为下一步计算的初始数据。通过室内实验测量了套管和地层在水泥凝固过程中的环向应变,实验结果证明了理论解的正确性。计算和实验结果表明,水泥环在凝固过程中,内外两个界面的径向应力均为压应力,其绝对值随着井壁岩层弹性模量的增加而增加。水泥环的弹性模量越大,其凝固过程中对井壁产生的径向压应力越大,而对套管外壁产生的径向压应力反而越小。故对不同弹性模量的地层应采用适宜弹性模量的水泥固井,以达到使系统载荷均衡的目的。     

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。（）     

页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响

大位移页岩气井的井眼轨迹复杂,且压裂开发过程中经常出现由于水泥环缺陷引发的套变损伤问题。针对页岩气井压裂过程中高泵压大排量的特点,采用有限元分析方法,通过优化模型网格划分,建立了适用于页岩气井复杂井眼轨迹下套管力学完整性计算的套管-水泥环-地层组合体模型,讨论了水泥环缺失角度、缺失厚度、缺失长度及复合缺陷对造斜段及水平段局部屈曲部分套管力学完整性的影响。结果表明,套管的周向应力随水泥环弹性模量的增大而减小,受泊松比影响较小。水泥环角度缺失会使套管出现应力集中现象,当缺失角度超过90°,应力集中现象得到减缓。随着水泥环缺失厚度的增加,套管所受应力增大。无论是造斜段还是水平段,不同缺失角度下,水泥环厚度、套管尺寸及泵压对套管应力的影响类似,趋势均为随着缺失角度的增加,套管应力先增大后减小。水泥环缺失的临界部位会产生应力突变,该位置也是最容易发生套损的部位。同一缺失厚度下,套管应力最大值随着缺失角度的增加而先增加后减小;同一缺失角度下,套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着缺失角度的增加,水泥环缺失部位对应套管沿管长方向的等效应力先增加后减小。水泥环越厚,套管等效应力越小。在相同厚度下,水泥环剩余厚度越薄,套管等效应力越大,全部缺失时应力水平最大。     

套管、水泥环及井壁围岩组合体的弹塑性分析

基于多层组合厚壁圆筒理论,建立了套管、水泥环及井壁围岩组合体的力学模型,对均匀地应力作用下的组合体进行了弹塑性分析。推导了弹塑性条件下套管、水泥环及井壁围岩组合体的应力分布表达式,分析了线弹性、完全塑性等不同状态下组合体的受力特点,分别讨论了水泥环弹性模量对不同性质地层内套管外挤载荷的影响规律以及组合体的塑性极限问题。研究结果表明,水泥环的理想性能应为高强度、低刚度。其机理是利用高强度抵御地层载荷,利用低刚度降低载荷传递系数,从而达到保护套管的目的。由此,应加强新型高强低刚塑性水泥的开发。     

水泥环弹性模量和泊松比与地层性质匹配关系研究

针对现有文献在固井水泥环对套管载荷影响的研究中存在片面性的现状,以套管和水泥环受力优化为目标,采用有限元方法系统分析了水泥环弹性模量和泊松比与井场周围不同地层的匹配关系。通过实例分析与讨论,分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环性质对套管强度的影响规律,提出了改善套管受力状况不应以牺牲水泥环为代价的原则。通过数据和实例分析表明:如果能根据井场周围不同性质的地层优选水泥环弹性模量和泊松比则可大大改善套管受力状况;而且,不论地层参数如何,理想固井水泥环应该是高强度、低刚度、小泊松比。     

高温高压气井自由套管对水泥环应力和完整性的影响

水泥环的密封完整性对降低环空带压、提高井筒安全性、延长气井开采寿命至关重要。为防止环空气窜,高温高压气井油层套管水泥一般返至井口,这给深井固井带来了巨大挑战。考虑井身结构和作业载荷的复杂性,运用Ansys软件建立了存在自由套管时水泥环受力有限元模型,研究了自由套管长度和井口套压对水泥环应力的影响,结果表明,井口套压作用下自由套管的鼓胀效应在水泥环中产生的径向拉应力和轴向应力是水泥环密封失效的主要原因。自由套管段长度对水泥环受力很不敏感,油层套管水泥可考虑不返至井口,但为保持水泥环长期完整性应避免过高井口套压,同时优选水泥浆体系以提高套管与水泥环胶结强度。