水泥环弹性参数对套管—水泥环—地层固结体结构完整性的影响

油气井套管试压、压裂等施工作业过程中,套管—水泥环—地层固结体将产生应力与变形响应。过高的载荷作用下,可能会造成水泥环本体破坏、胶结界面撕开等结构破坏形式,危及水泥环的封固效果。应用力学原理及有限元理论,建立了套管—水泥环—地层固结体力学模型,分析了水泥环弹性常数对固结体结构完整性的影响。研究结果表明,水泥环弹性模量较小时,变形能力强,载荷作用下不易于产生结构破坏,卸载后抗撕裂能力较好;高地应力地层条件下,泊松比越小水泥环抗破坏能力越强;低地应力地层,泊松比越大胶结界面抗撕开能力越好。工程中应根据封固井深等具体情况综合考虑加载、卸载两种载荷作用方式对水泥环弹性参数进行优选。     

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。     

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。     

地层和水泥环弹性模量对套管强度的影响分析

以地层-水泥环-套管组合系统为研究对象,根据弹性力学理论,推导了热应力和非均匀地应力作用下套管壁上的三轴应力计算公式,并研究了热采井和常规非热采井中不同地层、水泥环弹性模量对套管强度的影响规律。研究结果表明,随着水泥环弹性模量的增加,套管内壁Mises应力先急剧增加,后呈缓慢下降趋势;在套管Mises应力达到最大值之前,降低水泥环的弹性模量,可以对套管起到明显的保护作用,这一点对于热采井注汽期间的套管保护效果更加显著;地层弹性模量越大,常规井中套管内壁的Mises应力值越小,而热采井注汽过程中套管内壁的Mi-ses应力值则越大。     

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。     

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.     

水泥环对套管应力影响的模拟与分析

固井施工以下套管和注水泥来建立油气安全生产通道,该安全通道由套管、水泥环和地层构成,而不同地层和水泥环环境会改变套管应力分布,影响油气安全生产。本文基于直井的地层-水泥环-套管耦合平面弹性应变模型,并借助ABAQUS有限元软件,分析了水泥环弹性模量以及水泥环缺失(包括周向缺失与径向缺失)对套管应力分布的影响,以期得到水泥环弹性模量及水泥环缺失对套管应力分布的影响规律。由于井下实际情况复杂,全实物模拟套管在井眼中所处的状况实属不易,本文借助有限元软件ABAQUS对井下套管应力分布进行了较为全面的模拟和分析。分析结果对固井后套管应力分布优化具有一定的参考价值。     

热采抗高温水泥石力学完整性研究

热采井固井水泥浆要在低温下实现迅速凝结,防止环空窜流,形成封闭完整性的水泥环,同时要具有抗高温强度衰减性能。为了研究热采抗高温水泥石的力学完整性,以水泥环完全固结之后的套管-水泥环-地层系统为研究对象,建立了组合体力学分析模型,推导了考虑温度效应的总应力分布解析解,提出了水泥环失效的判别准则,对热采井水泥环进行了评价试验,分析了地应力非均匀系数、水泥环弹性模量及热膨胀系数对组合体周向应力的影响。分析结果表明:以硅粉、低密惰性材料P69等构建的水泥石体系C可有效防止水泥石高温下的强度过度下降;组合体周向应力在径向上呈现"Z"形跳跃特性,第1界面处周向应力随地应力非均匀程度和水泥环弹性模量的升高、水泥环热膨胀系数的减小而降低,产生拉伸破坏的风险增大。所得结论可为稠油热采井的固井工艺设计提供指导。     

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.     

套管偏心对压裂井水泥环力学完整性的影响研究

在石油与天然气井的压裂开采过程中,水泥环力学完整性问题是制约油气高效开发的重要因素,而套管偏心又是影响水泥环力学完整性的关键因素之一。本文使用数值模拟方法针对套管居中及偏心条件下的压裂井水泥环进行了应力分析,并基于自主研制的固井水泥环完整性失效评价装置,模拟压裂工况针对套管居中及偏心条件下的水泥环力学完整性进行了测试,随后结合数值模拟方法进行了对比分析。研究结果表明：(1)套管偏心容易导致水泥环窄边应力集中,在同等水泥石强度条件下,套管偏心工况下水泥环完整性更容易失效,水泥石拉伸破坏裂纹集中在水泥环窄边处;(2)随着套管偏心度增大,固井一界面的最大径向应力随之增大,套管偏心度从0%升高至33%,固井一界面的最大径向应力增大4.7%,水泥环完整性失效风险相应增加。本文研究成果可为准确评价压裂井水泥环力学完整性、套管居中优化设计提供参考。     

压力容器中应力集中与峰值应力关系的讨论

关于峰值应力的自限性和是否为平衡外载荷所必须的问题已发表了不少文章,有人认为在容器开孔附近,有一部分峰值应力沿壁厚均匀分布,并且不具有自限性,有人认为峰值应力是二次应力的一种,比二次应力具有更高的局部性和自限性。通过应用有限元方法验证了开孔边缘的应力集中具有一次的性质,并根据开孔的大小,将应力集中区分为峰值应力和局部薄膜应力。     

水力裂缝周围应力场解析模型及应力扰动分析

运用势理论建立了无限大地层Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝周围应力场解析模型,得到地应力和流体压力双重作用下Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝应力场函数和复合裂缝应力场解析表达式。计算并分析了裂缝倾角为0°、30°、45°和60°等4种倾斜裂缝周围的有效应力分布。研究中发现:当垂直于裂纹面方向距离超过4倍半缝长时,诱导应力几乎可以忽略不计;垂直于裂纹面方向的应力扰动范围比平行于裂纹面方向的扰动范围大57.7%~61.5%;平行于最大水平主应力的裂缝在垂直于裂纹面方向中心区域的应力诱导范围比端部高7.9%~10.8%,不平行于最大水平主应力的裂缝垂直于裂纹面方向中心区域应力诱导范围比端部低23.8%~26.4%;在裂缝周围存在应力增强区和应力屏蔽区,且范围和形态与射孔方向和最大水平主应力夹角存在关系。研究结果可为水平井射孔角优选以及分段压裂的裂缝优化布置提供一定的理论指导。     

套管-水泥环-地层系统应力分布规律研究

在推导非均匀地应力下套管抗挤强度的解析解时,国内外许多学者采用将其分解为均匀地应力和偏差地应力两个子问题求解的方法,使问题复杂化;又因为在推导套管载荷的解析解过程中省略了小量值,还影响到求解的精度。为此,以弹性力学为基础,推导出了计算套管-水泥环-地层系统应力的线性方程组,并利用matlab7.0编制了相应的计算机程序求解。该方法推导过程简单、求解精度高,所得结果与有限元结果相比,相对误差小于0.3%。实例分析结果表明:在非均匀地应力下套管径向压力的最大值方向指向原地应力场中最小主应力,而水泥环径向压力的最大值方向指向原地应力场中最大主应力。     

圆筒形异种钢焊接连接元件边缘应力分析计算

圆筒形异种钢焊接连接件在高温操作状态下,往往由于两种材料刚性和线膨胀系数的不同而导致破坏.该文提供了一种简化的应力分析方法,便于工程设计人员对此类结构的应力进行分析.     

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。     

焦炭塔温度场及热应力场的有限元计算

应用Ansys有限元分析软件,以焦炭塔原始数据为边界条件建立有限元模型,分析了焦炭塔塔壁各主要操作阶段的温度场和热应力场,结果表明:①各阶段存在一定温差,在蒸汽试压及油气预热时其最大温差点出现在上封头接管和封头的相贯线上很小的局部范围内,其它部位最大温差不超过105℃。②以升温过程和降温过程中的最大壁温差2种工况计算的应变变化最大值点位于焊缝下熔合线上,在一个循环周期中沿塔高度方向的最大总应变为1 857×10-6,最小总应变为-983×10-6。     

均匀地应力下套管壁厚对储气井井筒受力的影响

基于储气井结构满足弹塑性力学中厚壁圆筒理论,建立了套管-水泥环-地层耦合模型,并用ANSYS软件分析不同壁厚套管对井筒径向应力和环向应力的影响,对储气井套管的正确选择以及防止储气井失效有指导意义。     

压应力处理修复加氢反应器应力腐蚀裂纹的工程应用

文章详细介绍了在国内外首次采用逆焊接温差处理制造压应力新工艺,以及成功修复加氢反应器产生的应力腐蚀裂纹的过程.通过这个典型事例,为国内各类化工容器或管道的防止应力腐蚀开裂提供了一条新途径.     

缩放换热管应力分析

用有限元方法和实验应力分析的方法对缩放换热管在内压作用下的应力分布规律进行研究。结果表明,光滑管加工成缩放换热管后,在波峰和波谷处有较严重的应力集中现象,且在管壁厚度方向存在应力梯度,最大应力出现在波谷内表面处。通过分析指出了影响最大应力的因素,并给出了优化结构尺寸。