盐层套管使用寿命分析

盐层具有流变特性，由于盐层的蠕变会使套管产生一个非常大的非均匀外挤力，使得盐层是套管危险最大的地层。通过取自中原油田盐层的蠕变试验，建立了盐层流变方程，同时分析了套管在非均匀地应力作用下的套管外载及套管在非均匀外载作用下套管的抗外挤强度，并对盐层套管使用寿命进行了分析计算；计算精度可达80％。     

岩石特性与套管损坏关系研究

针对油水井套管损坏问题,通过对油田岩石力学特性进行测试,从岩石含水、泥岩膨胀、泥岩的蠕变等特性进行研究,确定了岩石的弹性模量、泊松比、内摩擦角等参数与含水、套管强度的关系。通过室内模拟试验,进一步弄清了非均匀地应力作用下地层流变对套管产生的外载分布规律及其随时间的变化规律,以及水泥环性质、地应力大小、泥岩含水量等对套管外载的影响规律,为解决套管损坏问题提供了依据。     

泥岩段套管外载的有限元计算法

通过对泥岩蠕变本构方程的分析,利用Ansys有限元计算软件,对非均匀地应力作用下泥岩蠕变产生的套管外载进行了分析计算。举例说明了非均匀地应力作用下泥岩的蠕变将对套管产生一个大于地应力的非均匀外挤力,对套管将产生极大的危害。这一结论对泥岩段的套管设计具有重要的指导意义。     

复合盐层套管外挤压力动态变化规律研究

盐岩地层套管外挤压力通常按上覆岩层压力进行设计。现场资料表明，以此为依据所设计的套管有时仍然不能满足盐层套管抗外挤强度的要求。利用研究区块复合盐岩地层上、下泥岩的岩石力学参数及地应力值，运用数值模拟方法，反演得到盐层地应力，在试验获得盐岩蠕变特性参数基础上，对套管支护的盐层井壁围岩进行蠕变分析，得到盐岩地层套管外挤压力动态变化规律。在构造应力的作用下，盐层的地应力场是非均匀的，盐岩蠕变导致套管受到的外挤压力是动态变化的。对于复合盐岩地层的套管柱设计，应该充分考虑构造应力场的非均匀性、盐岩的蠕变特性以及套管的设计寿命。     

地层流变对套管载荷的影响研究

针对由于地层具有流变特性对套管载荷的影响以及由于泥岩浸水等因素造成的地层流变特性改变而对套损产生影响等问题，根据开尔文模型推导了流变地层中套管载荷和地层粘度的关系，从而反映了套管载荷随时间的变化，在此基础上分析了流变地层岩石力学参数对套管载荷的影响。分析认为地层的粘性不同，其流变程度不同，导致套管达到最大载荷的时间不同。由于泥岩浸水导致岩石弹性模量降低，在相同地应力场作用下会明显加大最终作用在套管上的载荷，从而大大增加了套损的危险性。研究结果揭示了围岩流变导致套管损坏的机理。     

非均匀地应力场中套管载荷的理论解

利用弹性力学理论推导出了非均匀地应力条件下套管-地层系统的位移场、应力场和套管载荷的解析表达式.将非均匀地应力分解为均匀地应力和偏差地应力两部分,并用弹性力学方法分别对其进行求解,得出理论解,最后将两部分叠加得到非均匀地应力条件下的套管-地层系统的位移场、应力场和套管载荷.应用实例表明,套管径向压力载荷图形的长轴指向地应力场的最小主压应力方向.     

套管水泥环组合应力计算边界条件分析

合理的套管应力计算是套管柱强度设计和套管损坏判别的依据。目前常用计算套管应力的方法是将非均匀地应力作用于已经形成的套管水泥环组合体之上,再根据计算结果进行套管应力及变形分析,而实际上非均匀地应力所引起的应力集中效应在固井之前已经在井壁岩石处释放,并不能作用到套管水泥环组合体之上。在非均匀地应力作用下一般形成椭圆形井眼,水泥凝固之前井壁岩石在非均匀地应力和井内液柱压力的作用下已经达到平衡,套管与水泥环组合不需要承担由非均匀地应力所产生的载荷,短期内套管水泥环组合承受均匀的液柱压力;油田长期开发过程中由于地层岩石具有流变性,逐渐将部分甚至全部垂向地应力转嫁到套管水泥环组合体之上,使其承受均匀地应力的作用,从而造成套管被挤扁和缩径。非均匀地应力形成的椭圆形水泥环改变了套管柱周向应力分布,但并不能将非均匀地应力作为套管水泥环应力计算的边界条件。      

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。     

泥岩蠕变导致套管变形损坏机理分析

油田注水开发以后，泥岩吸水蠕变使非均匀地应力作用于水泥环和套管，通过对泥岩吸水蠕变以后，在远场地应力作用下，对水泥环与地层接触的第二界面和水泥环与套管接触的第一界面压力的数值仿真分析，提出了泥岩吸水蠕变诱发地应力在井眼周围产生应力集中，迫使水泥环和套管在最大水平地应力方向产生椭圆形缩径变形，是造成套管变形损坏的直接原因，而且水泥环与套管接触的第一界面的椭圆形外压力分布规律与水平地应力方向、套管变形趋势相反，说明水泥环在套管抵抗非均布外载中起到改变受力边界条件的作用。     

围岩流变对套管载荷的影响分析

针对由于地层具有流变特性对套管载荷的影响以及由于泥岩浸水等因素造成的地层流变特性改变而对套损产生影响等问题,根据开尔文模型推导了流变地层中套管载荷和地层粘度的关系,从而反映了套管载荷随时间的变化,在此基础上分析了流变地层岩石力学参数对套管载荷的影响.分析认为地层的粘性不同,其流变程度不同,导致套管达到最大载荷的时间不同.由于泥岩浸水导致岩石弹性模量降低,在相同地应力场作用下会明显加大最终作用在套管上的载荷,从而大大增加了套损的危险性.研究结果揭示了围岩流变导致套管损坏的机理.     

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。（）     

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。     

蠕变地层与油井套管相互作用力学模型

在油井生产过程中,地层的蠕变使套管承受的外部挤压载荷逐渐接近于上覆岩层压力。当套管的外部挤压载荷大于套管的抗挤强度时,套管将产生屈服、变形甚至破裂。目前采用的蠕变地层与套管相互作用的力学模型存在理论上的错误,无法正确计算套管的外部挤压载荷。根据实际建井过程和力学原理,建立了正确的蠕变地层与套管相互作用的力学模型。如果地层不具有蠕变性,地应力不会作用在套管上;如果地层具有蠕变性,且持续时间比较长时,套管所受的外挤载荷为地层的上覆岩层压力。现场检测到的套管非轴对称形变主要是由套管壁厚不均匀、材质不均匀、套管受到刮伤及套管一侧黏土膨胀等因素所致,而不是地层的非均匀地应力造成的。     

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地层蠕变效应是引起套管大量损坏的主要原因之一，而解决此问题的有效途径之一是采用组合套管。文章通过引入柔度系数的概念，给出了任意多层组合套管压力传递系数的规准表达形式，同时，假设地层为粘弹性的，导出了多层组合套管的地层蠕变附加载荷计算公式。分析了双层组合套管的各尺寸对套管抗挤能力的影响，研究了套管层数与套管抗挤能力的关系。数值计算结果表明，尽管随着套管的层数增加地层的蠕变载荷增大，但是内管所承担的最大蠕变载荷仍将单调下降，不论是单层套管还是多层套管，地层进水后都将增大其危险性。文中所提供压力传递系数和粘弹性地层蠕变附加荷载计算公式可供多层套管设计参考。     

中原油田盐岩蠕变规律研究及套管损坏预防措施

中原油田是典型的复杂断块油气田,盐层多、厚度大及盐岩层蠕变是导致套管损坏的主要原因。为此,中原油田采用三维数值模拟方法研究盐岩层蠕变规律,并定量计算出作用在套管上的横向推挤力,在此基础上开发应用了抗外挤强度大于167MPa的非API高抗挤套管。现场应用600余口井,尚未发现套管损坏等问题,从根本上预防了套管损坏的发生。     

蠕变地层中套管的附加载荷

研究了地层的蠕变特性对油水井套管载荷的影响。首先将套管看作纯弹性,套管的蠕变载荷从零开始,随时间增长而增大,在经过充分时间后,它趋于一个稳定的即最大的载荷分布,这个载荷分布在数值上不超过原场最大水平主应力值的2倍。对蠕变地层中套管的选用有重要的参考价值。     

Numerical Simulation of Sensitivity to Loads and Strength of Casing Under Complicated Conditions

abstract

Engineering and geological factors such as casing defects and creep formation are the most sensitive factors among all of the factors that affect casing strength and loads. Based on the basic mechanical characteristics of the creep formation and casing materials, the viscoelastic and elastoplastic constitution equations were taken respectively to simulate their mechanical behaviors. The effect of casing wear on its burst strength and the external creep pressure load distribution of the casing with defects under complex conditions are illustrated. Further, the sensitivity to casing strength damage was analyzed. The numerical simulation results can provide theoretical guidance in investigations of casing behavior under complex engineering and geological conditions and are also very useful for casing design and its applications in oil fields.     

四川地区膏盐层对套管的影响分析

四川地区膏盐层广泛分布，膏盐层蠕变挤毁套管的客观条件是存在的。但是实钻资料表明，四川地区膏盐层套管挤毁现象需要满足一定条件才会发生。根据实钻资料和盐岩蠕变实验数据，利用相关分析方法，就四川地区膏盐层对套管的影响问题进行研究，指出大厚度、高纯度盐岩和非均布地应力以及不当的工程措施是蠕变挤毁套管的基本条件。分析结果为解决套管挤毁问题提供了良好的基础。     

套管变形预防措施的计算机仿真分析

建立了岩石粘弹塑性蠕变应变率的数学模型及套管内壁变形位移总体数学模型，应用初应变法求解粘弹塑性岩石与套管相互作用的力学关系，再结合套管变形的计算机仿真软件，用加厚套管、加强筋套管及双层组合套管仿真模拟了预防粘弹塑性流动地层引起套管变形的３种措施。仿真模拟出抵抗华北油田荆丘地区盐岩塑性流动地层套管变形的最终方案，即采用双层组合套管，对这类油田新并套管设计和老井套管修复，具有重要的理论指导意义。