水泥环套管射孔力学的有限元法分析计算

油井开发层段射孔对套管力学性能影响较大,油井开采中后期射孔套管损坏严重。建立水泥环—套管射孔模型并应用Ansys有限元软件计算分析射孔套管应力变化和套管性能,分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因。射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小。水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,可以有效减小套管产生的应力。均匀载荷下射孔套管的应力随外压的增加而增加,不同类型的套管应力变化较大。射孔套管的应力随着孔径的增加而明显增加。非均匀载荷对射孔套管影响较均匀载荷明显,套管的抗挤强度较均匀外压时明显减小。在非均匀外压较大时,应采用P110套管,以提高射孔套管的抗挤强度。     

水泥环对套管射孔后抗挤毁强度的影响

建立了未射孔套管、不带水泥环射孔套管、外裹水泥环套管的有限元分析模型,对这3种情况下套管的抗挤毁强度进行了对比分析。得出如下重要结论(1)射孔使套管抗挤毁强度显著降低,降低幅度为29%;(2)固结良好的水泥环对于加强射孔套管强度有明显作用,使射孔套管的抗挤毁强度提高188%;(3)水泥环不能抵消射孔对套管抗挤毁强度的伤害,外裹固结良好水泥环的套管,射孔后其抗挤毁强度与无孔套管相比下降156%。     

射孔水泥环套管力学性能的分析计算

油田生产中射孔对套管力学性能影响较大,生产层段射孔套管损坏严重.建立水泥环-套管射孔模型,计算分析射孔套管应力变化.由分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因.射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小.水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,随水泥环厚度增加,套管应力减小,抗挤强度增加.油田生产中,为节约成本,对射孔层段应该采用厚壁套管合并提高固井技术,保证水泥环与套管的牢固,可以提高射孔套管抗挤强度.射孔套管的孔密对套管水泥环应力影响较大,射孔套管-水泥环应力随射孔密的增加而增加.射孔相位角对套管应力影响较大,钻井完井应采用螺旋布孔,并保持相位角接近120°,可以提高射孔套管的抗挤强度.     

射孔冲击相变对射孔套管抗挤性能的影响

油气井套管抗挤毁性能与材料屈服强度关系紧密,聚能射流穿孔过程中可能诱发孔眼附近材料相变从而影响射孔套管抗挤强度。首先对射孔后的P110套管取样,通过扫描电镜观察孔眼附近样本组织成分是否发生变化;然后对无孔眼、机加孔眼和射孔孔眼试件进行静力拉伸试验,对比射流冲击影响下试件抗拉性能的变化;最后通过有限元仿真分析了射孔冲击相变区的存在对套管抗挤性能的影响。研究结果表明,聚能射孔会导致材料组织成分变化而影响材料机械性能;当相变对射孔套管抗挤强度起正向增强作用时幅度有限,起负向削弱作时用射孔套管剩余抗挤强度下降显著。     

射孔套管抗挤强度综合因素有限元分析

射孔完井是国内外使用最广泛的完井方法,但是大量的现场实践表明,射孔对套管强度有较严重的影响,所以确定套管射孔后的抗挤强度的变化趋势是合理选择套管的重要依据。利用非线性弹塑性有限元法建立了螺旋布孔的射孔套管强度分析的空间有限元力学模型,该模型可以通过任意改变射孔孔径、孔密、相位角、壁厚、套管尺寸以及不同钢级套管的材料力学特性参数等,对射孔套管抗挤强度进行各种综合因素的有限元力学分析。经分析认为:高钢级或高强度套管能有效提高射孔套管抗挤强度;随着孔径、孔密的增加,套管的抗挤强度降低;相位角在180°时,套管的抗挤强度最低。研究结果为合理地选择套管、延长其使用寿命提供了一定的理论依据。     

套管水泥环刚度与强度对抗挤性能影响分析

油气井固井水泥环的作用就是减小和改善套管的受力状况，延长套管的使用寿命。套管水泥环组合体在一定的外挤压力作用下，均有可能进入屈服状态或发生强度破坏，而水泥环弹性模量、泊松比及其几何参数均表现为组合体刚度对抗挤性能的影响，所以在套管抗挤性能分析中，应该同时考虑组合体刚度以及套管、水泥环的强度对组合体抗挤性能的影响。文章根据厚壁筒弹塑性力学理论，建立了组合体刚度以及套管、水泥环强度对抗挤性能影响的控制方程，揭示了套管、水泥环强度及组合体刚度对抗挤性能的影响规律，得到套管水泥环组合体抗挤性能控制图。在均匀外挤压力作用下，套管、水泥环的强度将确定组合体抗挤性能的刚度控制区，在组合体刚度控制区内，水泥环对套管抗挤强度的提高程度取决于组合体刚度控制线斜率，在套管钢级和壁厚一定条件下，提高水泥环材料弹性模量，增大组合体刚度控制线斜率，可以提高套管水泥环组合体的抗挤性能。     

射孔套管抗外挤剩余强度系数计算与拟合

在石油开采过程中,射孔段套管的损坏占套损井的60%以上,其中外挤载荷是引起套损的主要原因。通过有限元方法计算不同相位角、不同射孔间距和不同射孔直径的挤毁压力和相应的射孔套管抗外挤剩余强度系数,并将这些数据按不同相位角拟合成射孔间距和射孔直径的函数。对拟合结果的验证表明,绝大部分有限元计算数据与拟合计算数据之间的差异小于1%,仅个别误差在2%左右。拟合的多项式函数可以方便地用于射孔套管的抗外挤剩余强度计算。     

射孔套管抗挤强度理论分析

为了深入研究射孔对套管抗外挤强度的影响程度 ,将射孔套管三维力学模型简化为平面孔板力学模型 ,在外挤压力作用下 ,根据弹性力学理论 ,推导出射孔套管抗挤强度系数的理论公式 ,其理论计算结果与国外文献的实验结果吻合。利用推导的抗挤强度系数理论公式分析孔径、孔密及相位角的变化对其抗挤强度系数的影响 ,其结果为优化射孔设计提供了简便的方法。     

射孔对套管抗挤强度的影响分析与试验

由于射孔孔眼改变了套管结构,当套管受外力后,孔眼周围出现应力集中而使套管的强度降低,套管
发生损坏。射孔对套管的影响非常大,为明确射孔参数对套管抗挤强度的影响,利用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立了三
维射孔套管有限元力学模型,并分别建立了不同射孔参数的有限元模型进行有限元分析。研究结果表明,孔眼附
近的应力集中明显降低了射孔套管的抗挤强度,并且射孔套管的孔眼应力沿着布孔螺旋线发散,因此套管损坏最
易沿螺旋线发展。基于有限元计算结果进一步进行了射孔套管的正交数值试验,明确了射孔参数中相位角对套管
强度的影响最大,其次是孔密和孔径。通过回归拟合,结合正交数值试验,建立了射孔套管抗挤强度与射孔参数的
关系,为套管综合强度校核提供了理论依据。     

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。     

水泥环对套管强度影响的理论和试验研究

针对有关水泥封固质量是否对套管柱强度有帮助作用的讨论 ,采用弹性力学分析方法推导了平面应力和平面应变状态下水泥环与套管接触处的接触压力表达式 ,对水泥环分担内、外压的能力进行了计算。采用全尺寸实物试验方法对套管有无水泥环情况下的抗挤毁能力做了对比试验。分析和试验指出 ,水泥环对提高套管柱整体抗挤毁能力较之提高抗破裂能力作用更大一些 ,但封固良好的水泥环对提高套管抗挤毁能力的作用有限。如果水泥封固质量不高 ,高压介质经过短时间渗透直接作用在套管外表面 ,水泥环的卸载作用被短路 ,对提高套管抗挤强度无任何帮助 ,所以在管柱设计时不应考虑水泥环对套管强度的增强作用。     

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。     

射孔对套管强度的影响

射孔是造成套管损坏的重要原因之一 ,它的影响特点和程度取决于多种因素。利用有限元ANSYS分析软件 ,对 139 7和 177 8mm套管在压裂、注水和常规开采情况下 ,不同的射孔孔径、射孔密度和射孔相位给套管强度造成的影响作了分析。结果表明 ,射孔后套管内的应力随射孔孔径、射孔密度和射孔相位的增加而增大 ,并使套管的抗拉、抗压强度降低 ;但在一定射孔孔径、射孔密度和射孔相位下 ,射孔产生的最大应力和应变不超过允许的范围。分析研究结果为套管柱的合理设计提供了一定的理论依据     

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。     

螺旋布孔射孔对套管强度的影响

射孔是造成套管损坏的重要原因之一,建立了射孔套管的有限元力学模型,采用弹塑性有限元法,分别对螺旋布孔射孔套管采用不同的射孔孔径、射孔密度和射孔相位给套管强度造成的影响进行了模拟和分析.分析了不同孔径、孔密及相位角的射孔套管在外挤压力作用下的孔眼应力集中系数的变化规律.结果表明,射孔后套管的极限承载能力均有不同程度的下降,下降幅度与射孔密度有关,射孔后套管内的应力随射孔孔径、射孔密度和射孔相位的增加而增大,并使套管的抗拉、抗压强度降低.因此,在套管柱设计时应该考虑射孔的影响.最后,通过对几种布孔方案进行对比分析,找出了射孔套管的优选布孔方案.为射孔完井优选设计提供了合理的模型,为射孔段套管柱的合理设计提供了承载能力计算的可靠依据.     

套管磨损与水泥环缺陷位置对套管应力的影响

以APDL为开发工具建立有限元模型,系统研究了非均匀地应力场中套管内壁磨损位置与水泥环缺陷位置对套管应力的影响规律。以塔里木油田迪娜2井5000m井深处为实例进行分析,结果表明,在一定磨损程度下,套管内最大等效应力总是在最大地应力方位取得最小值,在最小地应力方位取得最大值,工程中假设磨损位置在最小地应力方位是偏于安全的;水泥环缺陷明显改变了套管应力的分布规律,当套管磨损位置与水泥环缺陷位置角度相等时,套管内的应力最大,为最危险工况。