变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响

以膨胀水泥作为研究对象,利用弹性力学理论,采用有限元方法研究了变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响。研究表明,合适的水泥膨胀率可以降低套管内的最大米塞斯（Mises）应力;水泥膨胀率越大,水泥环内最大Mises应力越大,最大周向应力越小;有套管内压时,膨胀水泥弹性模量越大,套管内最大Mises应力越小,水泥环内最大Mises应力越大;套管内压较小时,水泥弹性模量越大,水泥环内最大周向应力越小,套管内压较大时则与之相反;膨胀水泥泊松比对套管内最大Mises应力的影响较小,水泥泊松比越大,水泥环内最大Mises应力和最大周向应力越小。对于弹性地层和蠕变地层情况,膨胀水泥性能对井筒完整性的影响规律相似。变内压条件下,膨胀水泥性能对水泥环的挤压破坏和周向拉伸破坏影响较为显著,使用膨胀水泥时应根据实际情况优选膨胀水泥石的各项性能。      

高内压下固井水泥环损坏机理研究

为了研究压裂酸化、高压注水等高内压作业对水泥环的损坏机理,进行了水泥环套管地层组合体的高内压物理模拟实验,研究了高内压条件下复合体的应力应变特征,测定了水泥环在双向应力的作用下的应变值和破坏载荷,确定了水泥环破裂的应力条件;在实验基础上建立套管水泥环地层复合体高内压应力应变模型,模型考虑了套管的偏心、双向不等的地应力、套管水泥环地层轴向应力不一致等因素,分析表明水泥环在高内压下的张性破坏、套管偏心是高内压水泥环套管损坏的关键因素,提出了高内压条件下保护套管水泥环的建议。     

地层空隙对套管抗挤强度的影响

采用有限元软件ABAQUS分析了水泥环外的地层空隙对套管抗挤强度的影响。分析结果表明:(1)地层中空隙的存在会降低套管的抗挤强度,空隙周向角度从20°变化到80°,套管内最大Von Mises应力逐渐增大,空隙周向角度从80°变化到180°,套管内最大Von Mises应力逐渐减小;(2)空隙压力的降低,会使套管内最大Von Mises应力增大,当空隙周向尺寸足够大时,空隙压力pv下降会导致空隙内地层边界与水泥环接触,从而减缓套管内最大Von Mises应力增大的幅度。该分析为更精确的套管抗挤强度设计提供了理论依据.     

页岩地层体积压裂过程中水泥环完整性研究

为了准确了解多级压裂过程中水泥环的应力变化规律,基于分步有限元的思想,构建了考虑页岩各向异性的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型,模拟多级压裂过程中水泥环的应力变化特征。新的模型考虑了注液温度、套管内压、地应力、孔隙压力、水泥环以及地层性质等因素对水泥环受力状态的影响。研究结果表明:高压注液过程中,采用传统模型会低估井下水泥环周向应力的变化程度;大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致水泥环应力发生剧烈变化;储层改造后的地应力以及孔隙压力变化对水泥环周向应力均有较大影响;水泥环周向应力随着地层各向异性程度的增加而有所增加;调节施工内压并适当降低水泥环刚度可明显降低水泥环发生拉伸破坏的概率。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。     

磨损套管抗内压强度试验与有限元分析

当套管受到严重偏磨时,套管抗内压和抗外压能力显著下降。鉴于此,从理论和试验2个方面分别研究了磨损套管的抗内压强度,研究结果表明:(1)在内压作用下,磨损套管的周向应变发生局部变化,最大值主要发生在磨损与未磨损的过渡区,最小值集中在磨损最严重的区域,因此套管截面在磨损区域"内凹";(2)在相同内压力作用下,随着磨损量的增大,磨损最严重处先周向变形减小且内收缩,继而周向变形增大,与磨损区相对的另一侧,从向外鼓胀变形转而向内收缩,套管截面出现椭圆变形;(3)在套管内壁的磨损初期相对磨损量对套管的初始抗内压性能影响相对较大。     

非均匀地应力场中套管井井周应力分布及影响因素研究

用解析方法对非均匀地应力场中的套管-水泥环-地层应力分布进行了分析,并编制相应计算程序,来分析套管井周围径向、周向应力的分布规律,并依此研究了套管内径、套管壁厚、水泥环壁厚、水泥环弹性模量对套管所受径向、周向应力的影响规律.研究结果表明套管-水泥环-地层系统中各界面上的周向、径向应力均呈椭圆图形分布,且各界面周向应力以及套管与水泥环接触面径向应力的长轴均指向最小主压应力方向;套管外壁周向应力随着水泥环弹性模量的减小、套管内径的增大、套管壁厚的减小、水泥环壁厚的减小而逐渐增大;套管径向应力,随着水泥环弹性模量的减小、水泥环壁厚的减小,套管内径的减小,套管壁厚的增大而逐渐增大;影响套营周向应力的主要因素是水泥环的弹性模量和套管内径,影响套管径向应力的主要困素是水泥环的弹性模量和套管壁厚.分析认为适当提高水泥环的弹性模量、减小套管内径、增加套管壁厚,可减小套管应力,提高套管井抗挤强度.研究成果对优化套管完井设计、避免套营变形损坏、指导套管井的各种井下作业措施均具有重要的指导意义.     

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。     

水泥环对套管应力影响的模拟与分析

固井施工以下套管和注水泥来建立油气安全生产通道,该安全通道由套管、水泥环和地层构成,而不同地层和水泥环环境会改变套管应力分布,影响油气安全生产。本文基于直井的地层-水泥环-套管耦合平面弹性应变模型,并借助ABAQUS有限元软件,分析了水泥环弹性模量以及水泥环缺失(包括周向缺失与径向缺失)对套管应力分布的影响,以期得到水泥环弹性模量及水泥环缺失对套管应力分布的影响规律。由于井下实际情况复杂,全实物模拟套管在井眼中所处的状况实属不易,本文借助有限元软件ABAQUS对井下套管应力分布进行了较为全面的模拟和分析。分析结果对固井后套管应力分布优化具有一定的参考价值。     

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。     

循环应力作用下水泥环密封性实验研究

利用自主研发的水泥环密封性实验装置研究了套管内加卸压循环作用下水泥环的密封性,根据实验结果得出了循环应力作用下水泥环密封性失效的机理。实验结果显示,在较低套管内压循环作用下,水泥环保持密封性所能承受的应力循环次数较多;在较高循环应力作用下,水泥环密封性失效时循环次数较少。表明在套管内较低压力作用下,水泥环所受的应力较低,应力水平处于弹性状态,在加卸载的循环作用下,水泥环可随之弹性变形和弹性恢复;在较高应力作用下,水泥环内部固有的微裂纹和缺陷逐渐扩展和连通,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;随着应力循环次数的增加,塑性变形也不断地累积。循环压力卸载时,套管弹性回缩而水泥环塑性变形不可完全恢复,2者在界面处的变形不协调而引起拉应力。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,导致水泥环密封性失效,水泥环发生循环应力作用的低周期密封性疲劳破坏。套管内压力越大,水泥环中产生的应力水平越高,产生的塑性变形越大,每次卸载时产生的残余应变和界面处拉应力也越大,因此引起密封性失效的应力循环次数越少。      

深井套管柱安全可靠性影响因素分析

套管挤毁给油田造成了巨大的经济损失。采用弹性力学解析及有限元方法,给出了考虑磨损时套管剩余抗挤强度、抗内压强度以及非均匀地应力作用下套管外壁等效外挤载荷的计算方法,分析了非均匀地应力作用下不同套管磨损量对套管强度以及不同地层性质对套管地应力外挤力的影响。研究表明,当磨损度为109／6时,套管的剩余抗外挤强度和剩余抗内压强度降低约30％;套管内壁的Mises应力和套管外壁地应力外挤力随地层弹性模量的增大均明显减小,说明地层越硬,套管将偏于安全。     

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。     

月牙形和偏心圆筒形内壁磨损套管应力分析

为了分析偏心圆筒形磨损套管和月牙形磨损套管的等效应力,以177.8 mm×12.65mm的P110钢级套管为例,建立了月牙形磨损套管和偏心圆筒形磨损套管的有限元模型,用有限元法分析了内、外压作用下不同磨损深度套管的偏心圆筒形模型和月牙形磨损模型的等效应力,同时还分析了不同直径钻杆磨损后月牙形磨损套管的等效应力。分析结果表明,受磨损套管内部应力的影响,在内、外压作用下月牙形磨损套管的等效应力大于偏心圆筒形磨损套管的等效应力;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的等效应力是危险的,相同磨损深度和载荷作用下月牙形磨损模型的等效应力更大;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的剩余强度值偏大。     

非均匀载荷下厚壁套管抗挤强度分析

非均匀地应力下套管柱强度设计须考虑非均匀载荷对其强度的影响，对此国内外众多学者进行了大量研究，并取得许多有益成果。但这些研究主要以径向的非均匀外载为边界载荷，没有考虑套管外壁受非均匀剪切力的作用；其次，对非均匀载荷下套管磨损、残余应力、不圆度和壁厚不均度等缺陷的影响未作考虑。为此，建立了厚壁套管受径向非均匀挤压和周向受非均匀剪切的力学模型，应用弹性力学逆解法进行了求解，分析了非均匀载荷下厚壁套管的应力分布规律。研究表明，非均匀载荷作用下沿最小水平地应力方向、套管的内壁是承载危险区。由此提出了非均匀载荷等效为均匀外挤载荷的方法，给出了含缺陷套管在非均匀载荷下抗挤强度的分析方法。     

子结构法在套管强度数值计算中的应用

为了研究套管抗外挤强度大小,采用空间20结点有限元模型,并结合子结构法,从理论上进行套管柱抗外挤强度结构有限元分析;采用约束与放松边界交互方式,根据子结构集成特性对轴向大尺寸套管有限元模型进行计算分析;运用高精度三角形单元法,分析磨损几何缺陷对套管抗外挤强度影响规律;采用SOR逐步超松弛迭代方法求解出套管在外压作用下位移场分布规律。分析表明,子结构法能够准确模拟轴向大尺寸套管柱抗外挤强度问题,随磨痕深度增加,套管抗外挤强度迅速降低。     

非均匀套管磨损对套管强度的影响

在深井、大位移井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗挤强度和抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患。根据ISO 10400推荐的套管抗挤强度和抗内压强度计算模型,考虑磨损后套管壁厚不均度、内壁不圆度的影响,推导出了非均匀磨损套管抗挤强度和抗内压强度的计算模型,分析了套管磨损厚度对套管抗挤强度和抗内压强度的影响。计算结果表明,非均匀磨损套管的抗挤强度和抗内压强度降低百分比随套管磨损厚度的增加而增加;在相同的磨损厚度情况下,磨损后套管的抗挤强度比抗内压强度降低得更快;与磨损后CS 110T套管抗挤强度试验数据相比较,由理论计算出的非均匀套管磨损抗挤强度与实测值的相对误差在5%以内。该计算模型为深井、大位移井钻井过程中非均匀套管磨损提供了新的评价方法。     

固井水泥环不连续对套管力学性能的影响分析

固井过程中,固井质量不合格的情况经常发生。以青海油田某口井作为研究对象,建立平面应变力学模型,假设研究截面套管与地层之间的环空中有1／4未被水泥充填,采用有限元软件ABAQUS模拟套管的变形过程。计算结果表明：①由于固井水泥环不连续,该侧套管没有水泥的支撑和保护作用,在非均匀地应力作用下,套管极易发生变形损坏。②套管内压P0和水平地应力P1固定,改变水平地应力P2,当P2增大到一定值时,B点附近的套管内壁率先发生塑性变形,如果P2继续增大,套管内壁的塑性区域会逐渐增加,并向套管外壁延伸,直到套管整体发生塑性破坏。④水泥环的不连续改变了套管内壁的应力分布,从而使得等效应力曲线上最大的等效应力值不是在B点,而是发生在B点附近套管内壁处。该分析为改善固井质量采取有效措施提供了可靠的理论依据。     

磨损对套管接头拉伸与内压强度的影响

采用弹塑性有限元方法 ,建立了套管接头磨损拉伸与抗内压的有限元力学模型。对套管接头处内壁不同磨损量时的抗内压强度和抗拉强度进行了计算分析 ,得出了磨损量与套管接头抗内压系数的定量数据和磨损量与套管接头抗拉系数的定量数据。同时 ,在不同磨损量下 ,分析了套管接头内VonMises应力和套管接头内的变形 ,所得出的抗内压强度系数kp和抗拉强度系数kt为磨损套管柱的强度设计和校核提供了定量的理论数据。