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。（）     

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。     

套管-水泥环-地层系统应力分布规律研究

在推导非均匀地应力下套管抗挤强度的解析解时,国内外许多学者采用将其分解为均匀地应力和偏差地应力两个子问题求解的方法,使问题复杂化;又因为在推导套管载荷的解析解过程中省略了小量值,还影响到求解的精度。为此,以弹性力学为基础,推导出了计算套管-水泥环-地层系统应力的线性方程组,并利用matlab7.0编制了相应的计算机程序求解。该方法推导过程简单、求解精度高,所得结果与有限元结果相比,相对误差小于0.3%。实例分析结果表明:在非均匀地应力下套管径向压力的最大值方向指向原地应力场中最小主应力,而水泥环径向压力的最大值方向指向原地应力场中最大主应力。     

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。     

固井水泥环缺陷对套管强度影响仿真分析

固井水泥环质量对套管的强度影响很大。建立了水泥环缺少1／12的井筒平面应变有限元模型，通过对固井水泥环缺陷引起的套管应力变化进行仿真模拟分析，得出无内压下套管的最大径向位移是水泥环完整时的3．9倍，水泥环的缺少导致Mises应力集中系数为2．0，套管外壁的最大塑性应变达到0．0152，定量分析固井质量对套管强度的影响，为热采井套管损坏提供一些定量数据。     

套管水泥环组合应力计算边界条件分析

合理的套管应力计算是套管柱强度设计和套管损坏判别的依据。目前常用计算套管应力的方法是将非均匀地应力作用于已经形成的套管水泥环组合体之上,再根据计算结果进行套管应力及变形分析,而实际上非均匀地应力所引起的应力集中效应在固井之前已经在井壁岩石处释放,并不能作用到套管水泥环组合体之上。在非均匀地应力作用下一般形成椭圆形井眼,水泥凝固之前井壁岩石在非均匀地应力和井内液柱压力的作用下已经达到平衡,套管与水泥环组合不需要承担由非均匀地应力所产生的载荷,短期内套管水泥环组合承受均匀的液柱压力;油田长期开发过程中由于地层岩石具有流变性,逐渐将部分甚至全部垂向地应力转嫁到套管水泥环组合体之上,使其承受均匀地应力的作用,从而造成套管被挤扁和缩径。非均匀地应力形成的椭圆形水泥环改变了套管柱周向应力分布,但并不能将非均匀地应力作为套管水泥环应力计算的边界条件。      

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。     

高温高压气井自由套管对水泥环应力和完整性的影响

水泥环的密封完整性对降低环空带压、提高井筒安全性、延长气井开采寿命至关重要。为防止环空气窜,高温高压气井油层套管水泥一般返至井口,这给深井固井带来了巨大挑战。考虑井身结构和作业载荷的复杂性,运用Ansys软件建立了存在自由套管时水泥环受力有限元模型,研究了自由套管长度和井口套压对水泥环应力的影响,结果表明,井口套压作用下自由套管的鼓胀效应在水泥环中产生的径向拉应力和轴向应力是水泥环密封失效的主要原因。自由套管段长度对水泥环受力很不敏感,油层套管水泥可考虑不返至井口,但为保持水泥环长期完整性应避免过高井口套压,同时优选水泥浆体系以提高套管与水泥环胶结强度。     

套管磨损与水泥环缺陷位置对套管应力的影响

以APDL为开发工具建立有限元模型,系统研究了非均匀地应力场中套管内壁磨损位置与水泥环缺陷位置对套管应力的影响规律。以塔里木油田迪娜2井5000m井深处为实例进行分析,结果表明,在一定磨损程度下,套管内最大等效应力总是在最大地应力方位取得最小值,在最小地应力方位取得最大值,工程中假设磨损位置在最小地应力方位是偏于安全的;水泥环缺陷明显改变了套管应力的分布规律,当套管磨损位置与水泥环缺陷位置角度相等时,套管内的应力最大,为最危险工况。     

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.     

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。     

水泥环套管射孔力学的有限元法分析计算

油井开发层段射孔对套管力学性能影响较大,油井开采中后期射孔套管损坏严重。建立水泥环—套管射孔模型并应用Ansys有限元软件计算分析射孔套管应力变化和套管性能,分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因。射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小。水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,可以有效减小套管产生的应力。均匀载荷下射孔套管的应力随外压的增加而增加,不同类型的套管应力变化较大。射孔套管的应力随着孔径的增加而明显增加。非均匀载荷对射孔套管影响较均匀载荷明显,套管的抗挤强度较均匀外压时明显减小。在非均匀外压较大时,应采用P110套管,以提高射孔套管的抗挤强度。     

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。     

多工况作用下井口套管头仿真计算及安全性分析

为分析在钻井、完井过程中套管头的损坏原因,了解套管头在工作过程中的受力状态和危险部位,判断其安全性,对套管头在多工况作用下应力分布状态进行了仿真计算和安全性分析。根据API标准和行业规范制定了套管头计算校核准则,针对现场套管头实际工作过程,分析了试压、钻井等6种典型的作业工况;对套管头在6种作业工况下的受力状态进行了分析,得到了套管头的变形和应力分布状态,确定了套管头的危险部位,对不满足校核准则的工况给出了合理化的建议。仿真计算分析结果与现场套管头破坏的形态特征一致,为现场套管头安全可靠作业提供了参考。     

套管钻井中套管柱动应力研究及计算方法

在套管钻井过程中,套管柱在旋转情况下同时受到轴向荷载及旋转带来的扭矩荷载的作用,其受力状况与套管柱在非旋转情况下的受力状况有较大的差异。在分析套管钻井过程中套管柱实际受力状况的基础上,应用双向应力状态分析方法和能量守恒原理,分析和研究了套管柱在静态轴向力和剪切力作用下的许用扭矩,并针对套管钻井过程中套管柱旋转的工况,提出了套管柱在旋转状态下的许用扭矩及安全转速的计算方法,为合理地选择套管钻井作业参数提供了依据和方法。     

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。