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。     

套管缺陷及高抗挤套管抗挤强度研究

套管在生产过程中，由于本身制造的缺陷，降低了套管的抗外挤强度。为了更好地描述套管在非均匀栽荷情况下套管强度计算模式，文章建立了套管在非均匀栽荷作用下力学模型。根据弹性力学理论推导出理想圆形套管抗挤强度模式，综合考虑了套管缺陷对套管抗挤强度的影响，结合算例得出若干结论，为研究高抗挤套管在非均匀载荷作用下的抗挤强度提供初步的理论依据。     

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。     

厚壁套管等效外挤载荷计算

鉴于ISO 10400新标准提出的计算厚壁套管抗挤强度公式是针对均匀外挤载荷的,不适应非均匀外挤载荷下套管抗挤强度计算的状况,根据虚功原理和Mises屈服准则,提出了2种计算等效外挤载荷的方法。将作用在套管上的非均匀载荷转化成与之具有相同破坏能力的均匀载荷。算例分析表明,2种方法计算的等效外挤载荷具有较好的一致性,基于新标准的挤毁理论,套管在非均匀载荷条件下的抗挤强度也有较大的提高。     

严重出砂井中采油套管损坏的力学分析

对于出砂严重的疏松砂岩油藏,非均匀载荷也是引起套管损坏的一个重要因素。针对此类油藏中非均匀载荷的形式特点,根据弹性力学理论,建立了3种适用于严重出砂井的套管承受非均匀外载的力学模型,包括套管承受椭圆形外载力学模型、对径集中载荷力学模型以及正交对径集中载荷的力学模型,并采用逆解法进行了求解,得到了此3种非均匀载荷下套管的抗挤强度计算公式,为研究严重出砂地层中非均匀载荷作用下的套管挤毁问题提供了初步的理论依据。研究表明,套管承受3种非均匀形式载荷的能力远远低于API抗挤强度,约为均载情况下的3%~25%,其中套管在对径集中载荷作用下最易发生破坏;另外,随着套管承受椭圆形外载的非均匀程度逐渐降低,其抗挤强度逐渐升高。     

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.     

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。     

非均匀载荷下套管偏心对套管强度影响研究

通过对复杂地质条件下套管变形趋势分析,发现在相同地层条件下、相同井段处非均匀载荷作用下的等效外挤压力相差很大,致使套管变形程度不一。为了搞清楚出现这种现象的原因,运用相关数值模拟方法对地应力的非均匀程度以及套管偏心度对套管外载的影响规律进行了进一步的研究,结果表明,在90°和270°相对偏心方位套管的最大应力随着偏心距增加而逐渐增加;偏心距越大,套管内壁应力增加幅度越大。这与在非均匀载荷作用下套管内壁最大应力出现方位相同,即套管在非均匀载荷作用下向最小水平主应力方向偏移时,会加剧套管内应力的增加幅度;反之则会减小套管内应力的增加幅度。     

非均匀载荷下厚壁套管塑性挤毁强度研究

针对理想圆管在非均匀载荷下抗挤强度计算公式计算值偏高的问题，提出实际套管在非均匀载荷下塑性挤毁提前因子的概念，并建立了计算修正公式。这个计算公式考虑了实际套管含残余应力、不圆度、壁厚不均度等制造缺陷的影响，与套管的实际承载特征较为符合。计算结果表明，利用修正公式算法的计算值与实际试验值较接近，能满足工程设计需要，为复杂地层的套管柱设计提供了新的理论依据。     

非均匀载荷对TP130TT套管抗挤强度的影响

认识影响新型套管(TP130TT×152.4mm×16.90mm)的抗挤强度的诸种因素,对正确选用这种套管具有重要的指导意义。采用有限元法,计算和分析了套管缺陷(壁厚不均度、椭圆度)及非均匀载荷等因素对套管抗挤强度的影响规律。计算结果表明,在非均匀外挤载荷作用下,这种套管仍具有较高的抗挤能力;在静水压力的作用下,套管抗挤强度随着其壁厚不均度和椭圆度的增加而降低。     

非均匀载荷对高密射孔管抗挤强度的影响

在建立非均匀外载模型的基础上， 对N80射孔管进行了研究。依建立的三维有限元模型及弹塑性理论为基础，借助有限元软件，对射孔管体抗非均匀载荷能力进行了数值模拟。并依其非均匀载荷下的大位移特征和强度特征，分别定义了临界载荷和等效抗挤强度。同时分析了不同模型在相同不均匀系数、同一模型在不同的不均匀系数的情况下对等效抗挤强度的影响。结果表明，射孔管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度，其中不均匀系数起着关键作用。有利于指导在非均匀载荷作用下射孔管的抗挤强度的设计，对分析套管变形损坏的机理提供了依据，有利于对套管损坏预防提出有效的方案。     

基于套变数据的盐岩地层非均匀地应力反演

非均匀地应力是直接造成套管承受非均匀载荷和间接造成套管挤毁损坏的主要原因之一,而套管变形数据与地应力变化密切相关。基于套管变形数据,利用最小二乘法建立非均匀地应力优化反演模型。将套管内壁观测点实际变形量与计算变形量差值的平方作为目标优化函数,非均匀地应力作为设计变量,采用零阶函数最小二乘逼进优化方法,对满足套管内径变形量条件下的非均匀地应力进行有限元数值优化反演分析。并基于全井段测井资料的岩石力学参数解释,对川东北某气田HY1井不同套损段的非均匀地应力进行反演计算。计算结果为该区块后续钻井设计、套管强度设计及修井作业等提供依据,该方法为盐岩地层非均匀地应力的获取提供了新途径。     

非均布载荷下石油套管抗挤强度问题研究

对石油套管承受非均匀挤压应力作用时的抗挤强度问题进行了理论分析和有限元数值模拟,理论解与有限元结果一致,弥补了目前工程中仅能依靠有限元方法进行仿真和API标准只能给出均布载荷下套管强度的不足,为实际工程提供理论指导。     

非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探

API套管规范确定了套管在均匀流体静压载荷作用下的抗挤强度计算方法,非非均匀载荷对套管抗挤强度的影响几乎没有进行研究或作出规定,实际上,大多数油井套管的损坏是由非均匀载荷引起的。根据弹性力学理论,建立了套管在非均匀载荷作用下的力学模型,并应用逆解法对该力学模型进行求解,得到了在非均匀载荷作用下套管的抗挤强度计算式,研究表明,套管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度,增强壁厚比提高钢级更为有效,该模型在理论研究上和现场应用中都有十分重要 的意义。     

页岩气井分段压裂套损影响因素分析

四川盆地长宁—威远页岩气示范区分段压裂过程中出现的套管变形、挤毁问题已经严重影响到页岩气井的井筒完整性以及勘探开发效果。考虑非均匀地应力、套管偏心、页岩各向异性、地层岩性非均质性等多因素的逐级耦合作用,利用有限元数值方法建立了偏心套管-水泥环-地层耦合的全尺寸数值模型,对页岩气水平井分段压裂过程中套管损坏机理进行研究分析。研究发现:套管偏心不是套管先期损坏的主控因素;随着非均匀地应力比增大,套管内壁应力极值及周向应力不均匀程度明显增大;页岩各向异性比越大,偏心角径向位置对应的套管内壁应力越大,此处承载风险也越高;套管内壁应力最大值出现在岩性交替变化界面,非均质性差异对套管内壁应力极值有较大的影响。研究结果可为页岩气井分段压裂过程中套损预测提供理论依据。     

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。     

非均匀载荷下套管强度的计算

将非均匀地应力场中套管载荷和套管内应力分布的理论公式推广到包含内压的情况,并采用Tresca屈服准则和Mises屈服准则,分别推导了在忽略套管轴向载荷和考虑套管轴向载荷两种情况下套管强度破坏时挤毁压力的计算公式。引入等效外挤压力概念,使该公式与标准API公式在形式上完全一致。计算结果表明,在非均匀载荷情况下,套管强度破坏的危险性会增加。     

套管钻井扭转残余应力对套管抗挤强度的影响

套管钻井中套管管柱的旋转动力来自井口所施加的扭矩。讨论了在套管钻井中不同扭矩下扭转状态的确定方法，对应不同的扭矩，套管具有弹性、弹塑性和塑性三种不同的扭转状态；讨论了不同扭转状态下残余应力的分布情况，计算了在弹塑性扭转和塑性扭转情况下的平均残余应力，推导了考虑残余应力影响下的套管抗挤强度修正公式。算例分析结果显示，在发生弹塑性扭转的情况下残余应力使套管抗挤强度下降了0．033％，在保证管体不发生几何形状改变的条件下，可忽略残余应力对套管抗挤强度的影响。