瞬态力-热耦合作用下水泥环形态对套管应力的影响

基于页岩气水平井压裂工程实际,采用解析法与数值法结合的方式,建立了压裂过程中井筒温度场计算模型和套管偏心、水泥环缺失有限元模型,据此研究瞬态力-热耦合作用下的水泥环形态对套管应力的影响。结果显示:1)页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合作用显著提高了套管应力;套管应力呈先升高后降低的动态变化,最大应力值出现在压裂初期。2)水泥环完整或套管偏心时,瞬态力-热耦合作用降低了套管应力周向分布不均匀差异;水泥环缺失时,套管应力随着缺失角、偏心距的增大而提高。研究结果对于精确计算页岩气井压裂过程中的套管应力具有重要意义。     

瞬态力－热耦合作用下水泥环完整性分析

页岩气井工程实践表明,套管压裂易导致水泥环完整性发生破坏出现环空带压。基于套管压裂工程实际,建立井筒温度场模型和套管－水泥环－地层组合体有限元模型,采用解析法和数值法结合方式,计算页岩气井压裂过程中瞬态力－热耦合对水泥环应力大小、分布影响规律。结果表明:压裂过程中水泥环内外壁温差先增大后减小,压裂初近内壁处存在陡峭温度梯度,易导致内壁应力显著提高;瞬态力－热耦合作用导致水泥环内壁应力大幅提升,加剧了水泥环完整性失效的风险,压裂初期为水泥环易发生损坏的“风险段”;水泥环内壁最大应力随着时间变化,易产生“多裂纹”形态,加剧环空带压。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥环完整性设计控制提供参考。     

温-压耦合作用下断层滑移对套管应力的影响

页岩气水平井段在压裂过程中容易诱发天然断层滑移,进而导致套管产生失效变形,影响页岩气生产。为研究断层滑移对水平段套管应力的影响机制,采用数值模拟的方法,借助ANSYS软件,建立了断层滑移有限元模型,研究在温-压耦合作用下的断层夹角、注液温差和水泥环弹性模量对套管应力的影响。研究结果表明：考虑温-压耦合作用会提高断层滑移对套管应力的影响;断层夹角越大,套管应力的增长幅度越小,且断层夹角越大,温-压耦合效应越明显;注液温差提高了断层滑移对套管应力的影响,当注液温差超过100℃时,套管应力会出现较大增幅;套管应力随水泥环弹性模量的增加呈现出先减小后增大的趋势,当滑移距离超过4 mm后,水泥环对套管的保护作用将大幅下降。研究结果可为预防页岩气井水平段套管失效变形提供一定参考。     

高温高压深井磨损套管应力热-结构耦合场分析

建立了含磨损缺陷套管-水泥环-地层有限元计算模型,采用ANSYS软件的间接法实现热应力和外载荷的热-结构耦合场分析,研究了高温高压深井中温度对含磨损缺陷套管强度的影响规律,为高温高压深井井下套管强度计算和安全性分析提供了理论依据。实例分析表明,磨损明显改变了套管应力分布的非均匀性,套管内最大等效应力随着温度的增加而增加;常温下套管可承受40%的磨损而不至损坏;当井下温度超过250℃时,即使套管完整没有含磨损缺陷,此时套管内的最大应力已经超过套管的最小屈服强度;在正常的温度梯度下,位于井下5080 m处的Φ139.7 mm(5(1/2)英寸)套管所能承受的最大磨损程度为10%。     

加压转鼓过滤机结构热—应力耦合分析

加压转鼓过滤机是一种新型的可将过滤、洗涤、干燥卸料集中在一起工作的过滤机,用途广泛。当过滤高温物料时,温度对设备使用性能产生一定影响。本文使用ANSYS有限元软件对加压过滤机整体结构进行了热—应力耦合分析,通过数值模拟分析,得出了在高温工作条件下,设备最大应力和最大位移发生的位置,为该设备的设计和维护提供了一定的依据。     

页岩气井温压耦合下固井质量对套管应力的影响

四川地区部分页岩气井在采用大排量分段压裂工艺施工过程中出现套管变形的现象,严重影响了页岩气井的正常生产。为此,运用ABAQUS软件建立了温压耦合下的套管-水泥环-地层受力有限元模型,模拟压裂过程中套管应力以及组合体温度场分布特征,分析了不同注液温度下,套管偏心及水泥环缺失对套管应力的影响规律。研究结果表明:大排量压裂施工中,套管应力随着偏心距的增加而减小,温降对套管应力的影响较大;不同注液温度下,套管应力随水泥环周向缺失的变化规律基本一致,温降对套管应力的影响呈先降后增趋势;水泥环径向缺失位置以及深度的变化对套管应力的影响较小,温度变化是主控因素;套管偏心下,水泥环缺失以及温降的共同作用均会增加套管应力。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。     

考虑地应力耦合的热采井套管损坏分析

考虑到热采过程会引起井筒附近地层局部温度场的改变,文中将注汽前地应力、热采过程中局部地应力改变以及套管热应力的作用三种因素进行耦合求解,计算得到套管的最大Von Mises等效应力。计算结果表明,热采注汽初始阶段套管温度迅速上升,使套管柱处于高温场中,在套管内部产生热应力。热采过程引起的局部地应力场改变对套管最大Von Mises等效应力有较大影响,仅仅考虑温度改变对套管Von Mises等效应力的影响是不够的,建议在计算套管Von Mises等效应力时,应尽量考虑地应力的作用。     

不同工况下套管偏梯形螺纹连接的温度-应力耦合

偏梯形螺纹相比圆形螺纹不易产生滑扣,在许多苛刻的井深结构中被广泛采用。结合弹塑性力学以及有限元理论,利用ANSYS软件建立了偏梯形螺纹接头的有限元模型,对模型进行了不同工况下的温度-应力耦合分析,分析了温度载荷对套管螺纹接头应力、接触压力及接头附近位移的影响。分析结果表明,在螺纹接头两端轴向位移受约束的情况下,温度载荷对接触面的Mises应力和接触压力影响显著,两者均随温度载荷的升高而增大,且在达到较高温度后增大趋势变缓;偏梯形螺纹扣牙过盈接触时,比较不同扣牙的Mises应力和接触压力,呈现两端大、中间小的趋势,且在轴向受拉和受压工况下,接头附近的位移变化十分明显。     

热采井井筒热应力耦合的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立了热采井井筒热应力耦合的瞬态分析模型。分析结果表明,注汽初始阶段套管内会产生较大的热应力;由于套管材料的膨胀系数大于水泥环的膨胀系数,在注汽过程中水泥环限制了套管的热膨胀,从而在套管外壁产生较大的热应力;经过几轮蒸汽吞吐,套管上会积累较高的残余应力。该分析为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供可靠的依据。     

套管钻井中套管柱的瞬态动力学分析与研究

套管钻井中套管柱力学性能分析是进行钻井工程设计的一项重要研究工作。文章以ANSYS软件为基础,对套管柱组合在不同钻压、转速下的动力学问题进行了有限元建模及分析,获得了在不同钻井参数下的套管柱应力、应变以及接触应力等参数的变化规律,为在套管钻井作业中合理地选择钻井参数提供了理论依据。     

温-压作用下水泥环缺陷对套管应力的影响

在页岩气水平井多级分段压裂施工中,由于压裂段固井质量较差,当井筒温度和压力急剧变化时,套管失效风险会大大增加。在现场完井和压裂施工数据基础之上,综合考虑压裂压力和井底温度变化,建立了不同水泥环形态的套管-水泥-地层组合体模型,研究压裂过程中水泥环缺失、压裂压力和温度变化对套管应力的影响。计算结果表明:压裂施工中,当以大排量向井筒内泵入压裂液时,井底温度显著降低;如果施工压力较大、水泥环出现窜槽缺失,则套管会产生应力集中,这将急剧增加套管应力,大大增加套管失效风险。固井质量对井筒完整性至关重要,同时必须将压裂液温度、排量和施工压力控制在合理范围,从而保证压裂过程中套管的安全。     

不均匀磨损深度对套管应力的影响研究

为研究套管内壁不均匀磨损深度对套管抗挤强度和套管应力的影响,建立了磨损套管-水泥环-围岩组合体力学模型,应用有限元分析软件和ISO 10400推荐的套管抗挤强度计算模型对不同磨损深度下的套管应力和抗挤强度进行计算。计算结果表明:套管最大外挤力和套管抗挤强度与不均匀磨损深度之间均呈线性关系,随着不均匀磨损深度的增加,套管最大外挤力缓慢增大,而套管抗挤强度显著降低;随着不均匀磨损深度的增加,最大磨损深度处套管内壁应力显著增加,而未磨损处套管内壁应力几乎不受影响;随着不均匀磨损深度的增加,最大磨损深度处套管外挤力逐渐减小,而磨损边缘处套管外挤力显著增大;当套管内壁不均匀磨损深度达2.4 mm时,套管抗挤强度降幅达26%,此时套管存在挤毁风险。研究结果可为页岩气藏开发中磨损套管应力分析提供参考。     

非均匀地应力下的套管损坏机理

通过建立非线性有限元模型,分析了不同条件下不同套管内壁临界应力的变化规律,得到了不同生产内压下的临界地应力方程.套管内壁临界应力的分布随着最小地应力的增大及临界地应力非均匀系数的减小,其变化规律由不规则形状最终趋于一缩腰椭圆形.套管岩压外载随着地应力非均匀系数的减小,其形状趋于椭圆,与最大、最小地应力的方向相反.根据中原油田的地应力资料,普通套管无法承受异常高的非均匀地应力,应开发专用于岩膏层油水井的特种套管.     

套管钻井中变应力幅载荷下管柱疲劳强度的评估

套管钻井中，套管柱会承受各种载荷的作用。分对称循环变应力幅载荷和不对称循环变应力幅载荷两种情形，推导了不同钻进参数下考虑变应力幅载荷的套管疲劳强度计算公式，阐明了变应力幅载荷的变化对套管疲劳强度的影响；结合套管钻井的实际给出了算例分析，计算结果显示，在相同条件下采用不对称循环变应力幅栽荷模型，计算出的疲劳强度值要比对称循环变应力幅载荷模型的大，表明在实际评估中采用对称循环变应力幅模型计算所得的结果趋于保守，因而具有更高的安全系数。     

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。     

渗氮套管应力环试验研究

用应力腐蚀试验方法研究了J55钢渗氮套管在不同试验条件下的行为,并和未渗氮套管的抗腐蚀性进行了比较。结果显示在现有技术条件下,渗氮套管在低应力作用下,表面抗腐蚀能力较强;在高应力作用下,渗氮层容易破坏,抗腐蚀能力降低。     

非均匀外挤压力作用下内径偏磨套管的应力分析

油气井套管损坏中的很大一部分发生在泥岩段,泥岩浸水膨胀是造成泥岩段套管损坏的主要原因.钻井及修井过程中的泥岩段套管磨损会降低套管的强度,从而加剧套管损坏.采用有限元法分析了不同磨损程度下套管抗挤强度的变化,探讨了套管磨损处于泥岩段时套管磨损程度与套管损坏间的关系.结果表明:当偏心距和其中一个水平主地应力固定不变,在另一水平主应力线性增加的情况下,含磨损缺陷的套管抗挤强度显著下降;在地应力不变的情况下,磨损位置处于最小水平地应力方向时,随着偏心距的增加磨损位置应力迅速增大,套管抗挤强度和抗挤强度系数均逐渐减小.这为钻井、修井及采油过程中防治套管损坏提供了重要依据.     

爆炸耦合载荷作用的射孔套管强度模拟分析

为了研究爆炸和压力耦合载荷对射孔套管强度的影响,进行套管静水压挤毁理论分析。建立仿真模型,分析准静态载荷作用下非约束套管的力学特性,得到全尺寸套管和射孔套管的固有频率,以及套管的挤毁强度数据,拟合得到套管挤毁强度公式。验证数值仿真结果的可靠性。进一步对完整套管和射孔套管施加约束,进行仿真研究。比较分析结果,施加约束套管的抗挤能力比非约束套管的高; 在约束条件下,射孔套管的强度比完整套管的强度降低约10%; 在射孔布置方面,60°相位优于90°相位。     

油井套管应力检测仪器研制与应用

利用逆磁致伸缩效应的铁磁材料应力无损检测技术在无损检测领域中已经发展成熟.在此基础上,开发了一种可以在套管发生塑性形变之初就可能给出套管损坏预报的油井套管应力检测仪.它在大庆油田5口套损井的检测试验表明:该仪器对套管微变形反映明显,此方法在套管检测方面具有其优势.