深部倾斜盐岩地层套管应力及变形研究

针对川东北盐岩地层套管挤毁变形问题,建立了深部倾斜盐岩地层-水泥环-套管组合体三维有限差分模型,研究了非均匀地应力作用下地层倾角、井斜角、盐岩地层厚度及盐岩力学参数对套管等效应力和变形量的影响。研究结果表明:蠕变1 a时,套管内壁最大等效应力和套管内径最大变形量随着地层倾角和井斜角的增大而同时增大,且地层倾角的影响程度明显大于井斜角,随着盐岩地层岩石力学性质的增强而同时降低,即层间岩石力学性质差异越小,套管安全系数越高;当地层倾角和井斜角较大时,套管的最大变形量随着盐岩地层厚度的增大呈线性增加;利用建立的三维数值模型可以对一定地质条件下的深部倾斜盐岩地层套管的变形趋势进行重现和预测。研究结果对于预防和解决川东北油气田盐岩地层套管损坏问题、优化盐岩地层钻井设计及套管强度设计具有较高的理论参考价值。     

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。     

填充介质对非均匀应力下双层套管所受应力的影响

采用双层套管是防止盐膏层套管变形和损坏的有效手段，而填充介质是影响双层套管整体力学性能的重要因素。以荆丘地区J45断块沙一段盐膏岩层段套管为研究对象，在确定盐膏岩蠕变本构方程的基础上，应用有限元方法建立了地层-水泥环-外层套管-填充介质-内层套管在非均匀地应力条件下的受载模型，得到内外层套管在不同填充介质厚度、不同填充介质类型条件下的等效应力分布，并进行比较分析。结果表明:增加介质厚度能减弱应力传递效果，但对双层套管整体所受等效应力影响较小；介质类型对套管所受等效应力影响较大，采用机油和天然橡胶介质时内层套管等效应力为使用水泥介质的33.55%和5.87%。基于以上规律，推荐采用正常钢级外层套管+液体介质+低钢级内层套管的双层套管，可以有效降低成本和保障油气生产安全。     

水平井造斜段盐膏层套管等效应力分析

针对盐膏层蠕变和水平井造斜段耦合作用下套管变形破坏的关键技术难题,采用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分软件建立了弯曲套管－水泥环－盐层三维地质模型,分析了非均匀地应力场条件下井眼曲率、钻井方位以及非均匀地应力对套管等效应力的影响。研究表明,在盐膏层钻水平井时,沿水平最小地应力方位钻进套管更安全;其他条件一定,井眼曲率越大,套管等效应力和位移越大,越容易发生屈服;随着蠕变时间的增加,套管等效应力迅速达到一最大值,最后趋于稳定,１．５年左右达到平衡;当地层受均匀地应力作用时,套管等效应力较小;当套管受非均匀地应力时,套管等效应力增加,且非均匀系数越大,套管所受的等效应力越大。该方法应用于中国西北部某油田盐膏层水平井造斜段弯曲套管损坏分析,完善了盐膏层套管设计理论,为盐膏层井筒安全提供了有力的保障。     

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。     

泥岩浸水对应力应变扰动的数值模拟

以大庆油区杏树岗南部开发区为例,对注采过程中泥岩浸水软化引起的应力应变局部扰动进行了数值模拟研究,探讨了泥岩浸水对应力应变的扰动,以及对地层压力与应力应变关系的影响。结果表明,泥岩浸水对不同层位应力的扰动情况各不相同,造成了层间应力状态的差异。层间应力状态的差异、泥岩层浸水后自身力学性质的弱化、注采引起的层内及层间孔隙流体压差、泥岩层与砂岩层之间渗透率和岩性的差异以及高压注水引起的有效应力降低等因素综合作用,导致萨尔图油层组的萨Ⅰ—萨Ⅱ泥岩夹层附近剪切应变高度集中,进而引起泥岩夹层套管的剪切变形与错断。萨Ⅰ—萨Ⅱ泥岩夹层的剪切应变增量随泥岩含水率的增大而增大,且其随地层压力增大而增大的速率在泥岩浸水后明显增大。因此,在泥岩浸水后,应适当降低泥岩夹层毗邻储层的注水压力和地层压力,从而缓解泥岩夹层的剪切套损。     

奈曼北部义县组烃源岩地球化学特征及研究意义

奈曼凹陷北部发育有一套膏盐岩和厚层泥岩,针对该套层位归属不明确、泥岩地球化学特征认识不清等问题,应用古生物孢粉化石鉴定、地层测井与地震特征对比、饱和烃色谱-质谱分析等方法对膏盐岩和厚层泥岩的地层特征、泥岩的烃源岩特征进行研究.研究结果表明:膏盐岩和泥岩属于义县组火山喷发间歇期的沉积产物,泥岩厚度为50～400 m,分布...     

砂泥岩夹层套管损坏的有限元分析及防控措施

据大港油田不完全统计,在沙泥岩夹层的套管损坏占63%。针对在砂泥岩夹层套管损坏严重的问题,基于弹塑性力学和断裂力学理论,建立了沙岩—泥岩—沙岩三岩层剖面的轴对称有限元模型,并借助有限元软件进行求解,分析不同钢材和壁厚条件下三岩层剖面上套管内应力分布情况。结果显示,套管内的Von Mises 应力在砂泥岩界面和泥岩段应力最大,且在砂泥岩界面应力发生突变出现尖角,因此在砂泥岩界面和泥岩段套管容易损坏。针对砂泥岩夹层研究了泥岩段套管损坏的防控措施,研究发现,相同钢级下,增加套管壁厚不能有效防控泥岩段套管损坏,提高套管的钢级才是有效方法。通过以上分析研究对砂泥岩界面防控套管损坏的研究提供技术借鉴。     

岩盐地层中水泥环弹性模量和厚度对套管强度的影响

采用有限元法研究了岩盐地层中水泥环的弹性模量和厚度对套管强度的影响规律.将"套管-水泥环-地层"简化成一个平面系统,以等效的弹性地层代替蠕变的岩盐地层,并将地应力分为均匀和非均匀两种情况,而将水泥环的弹性模量和厚度设为可调参数.研究结果表明:在"套管-水泥环-地层"系统中,最大应力总是发生在套管的内壁;当水泥环的厚度一定时,其弹性模量存在一个中间值,等于该值时套管中的最大应力达到峰值;单纯增加水泥环的厚度不一定能够改善套管的受力状况,有时甚至会恶化,只有当水泥环的弹性模量大于一定数值后,增加其厚度才能改善套管的受力状况.     

水泥环力学参数与载荷间的适应性

为选择水泥环力学参数,保障水泥环封固效能,利用套管- 水泥环- 地层组合体结合有限元力学模型,研究了蠕变地层不同井深条件下水泥环屈服强度、弹性模量、载荷对界面应力及破坏形式的影响,分析了强度、弹性模量与载荷的力学适应性关系。结果表明:套管内加载时井口处水泥环易于发生周向拉伸破坏,井下水泥环则易于发生屈服和出现高的压应力。加载中水泥环发生弹性变形时,水泥环屈服强度对界面各应力不产生影响;弹性模量增加,界面各应力增加。水泥环发生屈服变形时,水泥环屈服强度增加,界面各应力均增大;弹性模量增加,界面接触压力增大,内界面周向应力降低;卸载时井口处水泥环易于发生胶结界面撕裂。水泥环具有低弹性模量、适当屈服强度、高抗拉强度、高胶结界面强度时承载能力高。     

多套复合盐层的地应力确定方法

在库车坳陷古近系多套复合盐层的钻井工程设计当中,通常以上覆岩层压力作为最大水平地应力。现场资料调查表明,以此为依据所设计的套管,常常不能满足该地层套管的抗外挤强度要求。为了解决套管抗外挤强度问题,通过实验测试得到该研究区块多套复合盐层上、下泥岩地层的地应力值及中间每一层复合盐层的岩石力学参数,并以此作为边界条件,建立了多套复合盐层及上、下泥岩层地应力计算的有限元分析模型,运用数值模拟方法,反演得到每一层复合盐层的地应力场。采用该方法对库车坳陷某地区多套复合盐层的地应力场进行分析,结果表明,中间盐层的水平地应力最高,其上、下的膏盐岩含泥岩层、泥岩含膏盐岩层、泥岩层的水平地应力依次降低。所建立的分析模型,为该地区井壁稳定及套管安全设计工作奠定了基础。     

高压注水引起套损的机理研究

高压注水开采，在多孔介质中形成渗流场，使钻井后储层的固体骨架应力重新分布，通过有效应力改变储层岩体的渗流参数，影响渗流场与岩体应力场两者的平衡。高围压下的井眼附近容易产生应力集中和塑性屈服，储层经过上述流固耦合作用后，由于储层多为砂岩、泥岩等不同岩性、不同厚度岩层相互分层夹杂，各层间力学参数对注水干扰和应力重新分布的敏感性都有较大差异，井眼作为唯一较大的储层应力和位移释放的空间，周围储层产生的应力重新分布结果会直接对套管、固井水泥环和周围储层岩体这一组合体系产生弹塑性应力作用，产生新的应力集中，并伴随各部位应变的差异，从而导致套管破坏。     

中原油田盐岩蠕变规律研究及套管损坏预防措施

中原油田是典型的复杂断块油气田,盐层多、厚度大及盐岩层蠕变是导致套管损坏的主要原因。为此,中原油田采用三维数值模拟方法研究盐岩层蠕变规律,并定量计算出作用在套管上的横向推挤力,在此基础上开发应用了抗外挤强度大于167MPa的非API高抗挤套管。现场应用600余口井,尚未发现套管损坏等问题,从根本上预防了套管损坏的发生。     

围岩流变对套管载荷的影响分析

针对由于地层具有流变特性对套管载荷的影响以及由于泥岩浸水等因素造成的地层流变特性改变而对套损产生影响等问题,根据开尔文模型推导了流变地层中套管载荷和地层粘度的关系,从而反映了套管载荷随时间的变化,在此基础上分析了流变地层岩石力学参数对套管载荷的影响.分析认为地层的粘性不同,其流变程度不同,导致套管达到最大载荷的时间不同.由于泥岩浸水导致岩石弹性模量降低,在相同地应力场作用下会明显加大最终作用在套管上的载荷,从而大大增加了套损的危险性.研究结果揭示了围岩流变导致套管损坏的机理.     

风城油田超稠油油藏非均质储集层地应力场特征

风城油田浅层超稠油油藏非均质储集层具有埋藏浅、非均质性强、隔夹层发育等特点,阻碍SAGD蒸汽腔的发育,需要利用水力压裂建立渗流通道。为指导储集层压裂,分析了非均质储集层沉积特征、地应力场分布,以及隔夹层对地应力场的影响,结合岩石力学室内实验、测井资料解释和地应力测试结果,建立埋藏深度为282~332 m储集层三维应力场模型。模拟结果与小型压裂测试比较显示,建立的三维应力场模型贴合实际地层侧向压力系数和最大水平主应力与垂向主应力的比值,能较好地反映储集层岩性交界面和应力特征。超稠油储集层以垂向主应力为主,利于引导垂向裂缝;岩性交界面地应力突变,储集层砂岩最小水平主应力小于泥岩隔夹层最小水平主应力。泥岩隔夹层具有较高的破裂压力、杨氏模量和最小水平主应力,裂缝扩展能力弱于油砂段。压裂设计应选择隔夹层内或下方射孔,控制缝高,避免砂堵,以达到较好改善渗流能力的目的。     

玛湖地区致密砾岩人工裂缝垂向延伸机理应力模拟

针对新疆油田玛湖砾岩油藏储集层特低孔特低渗特征,开展水平井体积压裂改造储集层试验,但由于泥岩夹层多,压裂缝穿层难,压裂缝如何最大程度连通储集层是一大难点。以流固耦合和岩石弹塑性断裂力学理论为基础,以有限元数值模拟为手段,探讨水平井体积压裂过程中泥岩层的应力演化规律和破裂机理,对泥岩夹层厚度、岩石力学参数、地层倾角、有效应力等影响因素进行分析。结果表明,在一定压裂液注入速度（压裂液施工排量3.5 m ³/min）条件下,压裂缝穿越泥岩夹层有效厚度小于5.0 m;砾岩和泥岩力学参数差异越大、泥岩层地层倾角越大,压裂缝穿透泥岩的能力越差;最小水平有效主应力对裂缝垂向上的延展具有主导作用。此外,水平井距泥岩层距离以及井口注入压力对裂缝的延伸都有重要影响。施工作业时,应避免距泥岩隔夹层近距离射孔,以提升压裂效果。     

注水开发引起泥岩层套管损坏机理研究

油田注水开发以后,由于泥岩层吸水软化,改变了作用在套管上的非对称外挤蠕变载荷分布而导致套管出现径向缩径变形的损坏现象。通过建立套管—水泥环—围岩的三维有限元数学模型,定量分析了注水开发引起泥岩蠕变对套管的影响,给出了注水开发引起泥岩层套管受蠕变载荷作用而损坏的机理。研究表明:蠕变载荷从0上升到最大的稳定值时间与泥岩的蠕变特性有关,一般约需400 d;当弹性系数由10 GPa降低到6 GPa时,套管所受径向载荷由61.95 MPa增大到68.36 MPa;泥岩吸水软化后,随着泥岩弹性模量的降低,套管外壁的附加载荷会明显增大,即泥岩在较高的注水压力下吸水软化,加剧蠕变载荷分布的非均匀性并加大蠕变载荷值,超过套管的抗外挤能力使套管柱发生径向缩径变形而损坏。     

四川地区膏盐层对套管的影响分析

四川地区膏盐层广泛分布，膏盐层蠕变挤毁套管的客观条件是存在的。但是实钻资料表明，四川地区膏盐层套管挤毁现象需要满足一定条件才会发生。根据实钻资料和盐岩蠕变实验数据，利用相关分析方法，就四川地区膏盐层对套管的影响问题进行研究，指出大厚度、高纯度盐岩和非均布地应力以及不当的工程措施是蠕变挤毁套管的基本条件。分析结果为解决套管挤毁问题提供了良好的基础。     

流变地层中套管外载的计算方法

介绍了流变地层中地层为非线性流变体时套管外载的计算方法及步骤。举例说明，非均匀地应力作用下的地层流变将对套管产生一个大于地应力的非均匀径向外挤力和一个非均匀的切向外载，对套管将产生极大的危害。通过改变套管、水泥环的弹性参数和几何参数可以改善套管的受力状态，这一结论对于流变地层中的套管设计具有重要指导意义。