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油气田地应力可分为均匀和非均匀两类，相应的井眼和水泥环形状分别为圆形和椭圆形。文章应用有限元方法对不同地应力条件下水泥环形状对套管应力的影响进行了研究。得出结论认为：在均匀地应力条件下，圆形水泥环对套管受力是有利的，应在钻井过程中尽量保持井壁稳定;在非均匀地应力条件下，如果固井质量良好，那么椭圆形水泥环可使套管最大应力及受力不均匀程度有所下降，对套管保护有利，应当在设计与钻井作业中予以利用。另外，数值计算结果表明，在非均匀地应力条件下，套管偏心对套管应力载荷的影响并不大，但尽量保持套管居中仍是必要的。     

套管、水泥环及井壁围岩组合体的弹塑性分析

基于多层组合厚壁圆筒理论,建立了套管、水泥环及井壁围岩组合体的力学模型,对均匀地应力作用下的组合体进行了弹塑性分析。推导了弹塑性条件下套管、水泥环及井壁围岩组合体的应力分布表达式,分析了线弹性、完全塑性等不同状态下组合体的受力特点,分别讨论了水泥环弹性模量对不同性质地层内套管外挤载荷的影响规律以及组合体的塑性极限问题。研究结果表明,水泥环的理想性能应为高强度、低刚度。其机理是利用高强度抵御地层载荷,利用低刚度降低载荷传递系数,从而达到保护套管的目的。由此,应加强新型高强低刚塑性水泥的开发。     

非均匀地应力下套管水泥环受力研究

大多数套管损害是由非均匀外载引起的。以非均匀外载为前提,以弹性力学为基础。以套管-水泥环-储层岩体环组合系统为研究对象,对套管及水泥环在理想状况下受非均匀地应力和均匀内外压共同作用时的受力特性进行分析,并依据不同的接触条件推导相应的线性方程组。借助于计算机,计算不同地应力作用下套管、水泥环内部应力及表面受力分布,并可以分析水泥环弹性模量、水泥环厚度与套管接触情况对套管水泥环受力分布的影响。     

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。     

泥岩蠕变导致套管变形损坏机理分析

油田注水开发以后，泥岩吸水蠕变使非均匀地应力作用于水泥环和套管，通过对泥岩吸水蠕变以后，在远场地应力作用下，对水泥环与地层接触的第二界面和水泥环与套管接触的第一界面压力的数值仿真分析，提出了泥岩吸水蠕变诱发地应力在井眼周围产生应力集中，迫使水泥环和套管在最大水平地应力方向产生椭圆形缩径变形，是造成套管变形损坏的直接原因，而且水泥环与套管接触的第一界面的椭圆形外压力分布规律与水平地应力方向、套管变形趋势相反，说明水泥环在套管抵抗非均布外载中起到改变受力边界条件的作用。     

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。（）     

非均匀地应力下套管受力影响因素研究

在非均匀载荷作用下套管易挤毁失效,特别是在软岩层段中该问题尤其突出。为此,文中建立了非均匀地应力下、考虑水泥环界面不同接触状态的软岩层、水泥环和套管组合体力学模型,应用弹性力学半逆解法推导了水泥环和套管的应力、位移表达式,采用数值方法进行了求解。以某地区软岩层为例,研究了水泥环界面接触状态、地层力学参数、水泥环力学参数及几何参数、套管几何参数对套管受力的影响规律。研究表明,当界面完全接触时,套管受力最佳;当界面光滑接触时,套管受力最恶劣;在水泥环界面良好接触的条件下,提高水泥环力学性能、增加套管壁厚能改善套管受力。该模型及其力学分析程序可为非均匀地应力下固井工程设计提供参考。     

复合盐层套管外挤压力动态变化规律研究

盐岩地层套管外挤压力通常按上覆岩层压力进行设计。现场资料表明，以此为依据所设计的套管有时仍然不能满足盐层套管抗外挤强度的要求。利用研究区块复合盐岩地层上、下泥岩的岩石力学参数及地应力值，运用数值模拟方法，反演得到盐层地应力，在试验获得盐岩蠕变特性参数基础上，对套管支护的盐层井壁围岩进行蠕变分析，得到盐岩地层套管外挤压力动态变化规律。在构造应力的作用下，盐层的地应力场是非均匀的，盐岩蠕变导致套管受到的外挤压力是动态变化的。对于复合盐岩地层的套管柱设计，应该充分考虑构造应力场的非均匀性、盐岩的蠕变特性以及套管的设计寿命。     

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。     

水泥环性质对套管强度影响的有限元分析

在油层和泥岩部位易出现套管损害严重的问题,主要原因在于注入水窜入泥岩层后,引起泥岩力学性质改变,地应力重新分布造成套管损坏。石油行业常采用提高水泥环的质量以保证套管的安全。以"地层-水泥环-套管"为研究对象,采用有限元分析方法,将"地层-水泥环-套管"简化为平面系统,分别在均匀地应力和非均匀地应力情况下研究了水泥环弹性模量对套管应力载荷的影响;考虑到两个水平地应力不等的实际情况,选择在非均匀地应力情况分析各因素对套管应力的影响,主要包括水泥环不居中和水泥环发生缺陷时其缺陷角度与套管内压等因素,得出套管应力在不同水泥环性质时的变化规律,为解决套管损坏问题提供了参考依据。优选水泥环性质参数是提高套管抗挤强度的保证。     

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。     

利用套管变形量进行地应力反演

地应力是石油工程设计与施工所需要的重要参数之一。通常获取地应力大小的方式是通过水压致裂法直接测量、室内试验以及测井资料计算得到,但水压致裂法和室内试验法获取地应力的成本较高,根据测井资料计算地应力需要根据经验校正。而油田具有丰富的套管变形资料,因此,可以利用套管变形量进行反演获取地应力。利用已知的套管变形量作为基础条件,构造符合套管在井下的边界椭圆应力模式,选择测点计算最大变形量与测量最大变形量差值的平方为目标优化函数,采用合理的优化技术对位移进行反分析来获取最大和最小地应力。利用该方法对新疆某油田的A井进行了分析,结果表明,采用该方法能快速有效地计算出套管变形条件下的实际非均匀载荷大小,且计算结果与利用测井资料计算出的结果相差不大,可为合理设计套管柱、减少套管损坏提供依据,为油田获取地应力提供一种新的途径。      

超深井非均匀地应力场中射孔套管强度分析

针对非均匀地应力、内压、射孔耦合作用下超深油气井试油和生产过程中经常出现的射孔套管损坏问题,采用有限差分软件建立了射孔套管-水泥环-地层三维地质模型,分析了射孔、内压以及非均匀地应力对超深井射孔后套管强度的影响。研究表明,射孔套管的剩余强度低于未射孔套管的剩余强度;射孔改变了套管应力的分布状态,射孔后套管最大应力发生在射孔处,孔眼处局部应力增大;射孔套管等效应力随内压的增加先降低后增加,存在一个临界值;当套管受非均匀地应力作用时,套管等效应力和变形量增大,且随着应力比的增加,套管等效应力和变形量随之增加,套管更容易发生损坏。该研究为套管的设计和应用提供了理论依据。     

页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响

以弹塑性力学为基础,借助复变函数与应力场分解,对页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为进行分析研究,通过接触面上位移连续条件得到了系统各接触表面的受力表达式;以Drucker-Prager岩土屈服条件为破坏准则,得到了水泥环达到屈服时的最大套管内压力,并讨论了套管及水泥环参数变化对系统受力行为的影响规律。计算结果表明:水泥环内表面比套管更容易达到屈服极限,水泥环厚度对水泥环内壁受力影响较小;增加套管壁厚,有利于保护井筒的完整性;套管内径和水泥环弹性模量对水泥环内壁受力影响较大,套管内径和水泥弹性模量越小,则水泥环越安全。研究结果对于页岩气压裂过程中井筒完整性设计控制具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

定向井套管应力随地应力条件的变化规律研究

基于坐标变换方法建立了适用于任意井眼轨迹的定向井套管应力三维有限元计算模型.以室内岩心试验结果和现场常用套管尺寸为基础,研究了三种不同地应力条件下软、硬地层内套管最大有效应力随井斜角、方位角的变化规律.地应力条件包括:上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力均匀、上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力非均匀,上覆岩层压力为中间主应力.计算结果表明,复杂的原地应力场、井眼轨迹及地层性质对定向井套管的受力状态有重要影响,各种组合条件下均存在井眼轨迹优选值.在油井设计时,应充分考虑这些特点,合理确定井眼轨迹.