高韧性水泥环降低油气井套损作用机理

油井套管在机械和化学作用会下引起变形、错断、破裂以及腐蚀等损坏,使油气井寿命缩短.水泥环韧性提高与弹性模量降低,有利于阻止地下流体对套管产生化学腐蚀,降低套管受到的最大应力和挤压套损.采用弹性力学和有限元方法分析井下水泥环以及套管的受力情况,明确了高韧性水泥环降低套管挤压套损的作用机制.     

水泥环缺失对套管损坏的影响分析

由于水泥环缺失对套管影响的解析求解较为困难,本文采用有限元数值方法,对均匀、非均匀地应力条件下热采和非热采两种情况时水泥环缺失对套管受力的影响进行研究,得出了不同水泥环缺失角度时套管上的应力变化规律.     

水泥胶结指数与水泥环缺失角度关系实验研究

一般认为,声波固井质量检查中套管波幅度与水泥环缺失角度呈指数关系,井而得出了水泥胶结指数与缺失角度为一次线性关系的结论。本文利用固井声幅测井在固井水泥胶结刻度井群进行实验,得到在水泥环周向不同缺失角度情况下的3ft接收距套管波幅度。通过对实验数据的分析发现,套管波幅度与水泥环缺失角度间用三次线性关系拟更为合理,由此得出了不同于以往的水泥缺失角度与水泥胶结指数的关系式,这一规律的发现对完善声波固井质量评价具有一定的指导意义。     

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.     

水泥环缺失对水平井套管强度安全性影响分析

在水平井固井过程中,常常发生水泥环缺失,影响套管的强度安全性。为此,综合考虑水泥环缺失位置、缺失厚度与环向缺失角度,利用有限元分析方法,建立了水平井套管-水泥环-地层力学分析模型,考虑套管内压与非均匀地应力的作用,模拟水平井中水泥环缺失段套管的应力分布情况,着重分析了第一胶结面和第二胶结面水泥环缺失厚度对套管强度安全性的影响。分析结果表明:水泥环第一胶结面缺失对套管的应力分布影响较大,缺失比存在一个临界值,若缺失厚度大于该临界值,套管的应力将发生突变;水泥环第二胶结面缺失时,套管应力随缺失厚度增大而逐渐增大,没有应力突变;套管应力极值点位置随着水泥环环向缺失角度的变化而变化,环向缺失角度为60°时,套管的应力极值最大。所得结论可为水平井固井过程中套管的强度判断提供依据。     

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。     

高韧性水泥环降低油气井套损作用机制分析

由于油气资源紧缺,各大油田复杂地层钻井数量增多,致使套损率急剧上升,严重影响了油气井的生产寿命和采收率.通过对套损井的成因分析发现,提高水泥环的韧性可以防止地层压力对套管的挤压损坏和地层流体对套管的腐蚀.其作用机理为:纤维材料能增加水泥环的韧性,提高水泥环二界面胶结质量,防止水泥环的胶结面被破坏,阻止地层流体对套管产生腐蚀,可降低腐蚀套损率;同时,该材料能降低水泥石的弹性模量,增加水泥石的韧性,保持水泥环的完整性,可降低挤压套损率.     

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。     

水泥环对套管载荷影响的理论研究

用解析方法对非均匀地应力情况下水泥环对套管载荷影响的研究表明,水泥环对套管载荷的影响取决于水泥环厚径比、水泥环与地层材料的差异系数以及地层与套管的刚度比这3个因素,其中刚度比起着重要作用.当刚度比λ≥1-2ν(ν为水泥环泊松比)时,用较高弹性模量的水泥固井可以降低套管载荷;当刚度比λ<1-2ν时,用较低弹性模量的水泥固井可以降低套管载荷.一般情况下,增加水泥环的厚度可以降低套管载荷.水泥环与套管光滑接触情况下,套管载荷非均匀程度降低,基本上呈均布载荷.     

基于损伤力学变内压条件下水泥环密封完整性模拟

针对变内压条件下水泥环密封完整性失效问题,基于连续损伤力学理论,采用同时考虑水泥石损伤和屈服后应力—应变关系的塑性损伤本构模型来描述实际水泥石的全应力—应变力学性能,研究了水泥石力学性能对密封完整性的影响。研究结果表明,向常规水泥浆中加入弹韧性材料形成弹韧性水泥,降低了水泥环弹性模量,既可以预防微间隙形成和减小微间隙尺寸,又可以预防和减少水泥环拉伸破坏。但并非弹性模量越低,弹韧性水泥密封完整性越好,密封完整性还与水泥环拉压弹性变形性能有关,同等情况下水泥环最大拉压弹性应变越大,其密封完整性越不容易失效。建议根据水泥环的弹性模量和拉压全应力—应变关系来评价水泥环密封完整性。研究结果为水泥环密封完整性评价和水泥石力学性能优化提供了一定依据。     

基于损伤力学变内压条件下水泥环密封完整性模拟

针对变内压条件下水泥环密封完整性失效问题,基于连续损伤力学理论,采用同时考虑水泥石损伤和屈服后应力—应变关系的塑性损伤本构模型来描述实际水泥石的全应力—应变力学性能,研究了水泥石力学性能对密封完整性的影响。研究结果表明,向常规水泥浆中加入弹韧性材料形成弹韧性水泥,降低了水泥环弹性模量,既可以预防微间隙形成和减小微间隙尺寸,又可以预防和减少水泥环拉伸破坏。但并非弹性模量越低,弹韧性水泥密封完整性越好,密封完整性还与水泥环拉压弹性变形性能有关,同等情况下水泥环最大拉压弹性应变越大,其密封完整性越不容易失效。建议根据水泥环的弹性模量和拉压全应力—应变关系来评价水泥环密封完整性。研究结果为水泥环密封完整性评价和水泥石力学性能优化提供了一定依据。     

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%。     

套管水泥环的室内破坏试验及力学分析

套管外水泥环的破坏是导致管外串槽、套管外腐蚀的原因之一。为弄清井下作业是否会损坏管外水泥环 ,进行了一系列室内破坏试验 ,并对试验结果进行了理论分析。试验结果表明 :管外水泥环无围压时 ,套管内施加很小的压力 ,就会导致水泥环上产生裂纹 ;水力锚作业对水泥环的破坏程度比压裂对水泥环的破坏程度更严重 ;没有围压的水泥环抗内压强度极低。提出压裂与酸化设计中 ,应考虑作业压力对套管外水泥环的破坏作用 ;在选用井下工具时 ,应尽量避免选用带有爪牙的局部支撑管柱的井下工具。     

深井超深井地层水泥环特性对套管载荷的影响

由于软岩层在深井高温高压环境下具有一定的流变性,为了更加真实地反应不同地层岩性情况下水泥环特性对套管外载的影响,采用有限元方法建立了套管-水泥环-地层组合体三维空间有限元模型,研究了不同地层岩性情况下套管载荷的差异,同时结合实例分析水泥环弹性模量和泊松比对套管载荷的影响。研究认为,在岩性较软的地层,应优选刚度较大的水泥环,可帮助套管抵御一部分外载;在地层岩性较硬时,应该降低水泥环刚度,有助于吸收一部分外挤压力,达到保护套管的目的;在深井超深井固井过程中应根据不同地层情况适时调整水泥浆特性,以降低套管外载,保证油气井安全。     

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。     

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。（）     

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。     

射孔对水泥环与套管性能影响的分析计算

在建立水泥环-套管射孔数学模型和有限元分析模型后,计算分析了射孔对水泥环-套管性能的影响,得出如下结论:(1)射孔是造成套管损坏的主要原因,无水泥环固结,完好套管产生的应力是射孔套管的13;(2)射孔套管壁厚和水泥环固结状态对射孔套管性能影响较大,壁厚12.395mm射孔套管是壁厚7.720mm射孔套管抗挤强度的1.5倍以上,水泥环与套管固结良好且上下固定,可以提高套管抗挤强度;(3)生产中保持内压和外载相近,可以明显减小射孔套管应力;(4)增大水泥环弹性模量,保持水泥环弹性模量在30~35GPa之间,可以提高射孔水泥环-套管抗挤强度。