高压异常地层局部双层组合套管的设计与应用

中原油田的套管损坏问题，在全国各油田中是较为严重的，影响了中原油田稳定的战略目标。为此，中原石油勘探局与西南石油学院合作，开展了近１ａ多的联合攻关研究，在盐层高压的形成机理，超高压地层套管外挤力计算，局部双层组合套管的设计及套管寿命预测方法研究等方面，理论上获得重大突破。     

流变性地层套管等效外挤力

为给流变性地层套管设计提供理论依据,讨论了3种套管等效外挤力模型,其一是现行标准中的模型,另外两个分别是黏弹性流体模型和黏弹性固体模型。利用具体实例对这3个模型的比较分析结果表明,现行标准和黏弹性流体等效外挤力模型计算结果偏小,而黏弹性固体等效外挤力模型与现场实际情况符合较好。     

高压注水引起的套管及地层应力变化规律研究

高压注水会导致油层温度、地层孔隙压力及套管内压等产生变化,认识这些因素影响下套管、水泥环与地层的应力场、位移场的变化规律,有助于深入理解套管损坏的机理,设计合理的注水压力界限;采用三维有限元方法,建立了高压注水的三维有限元数值模型;对模型进行求解,得到了套管管体强度、射孔段应力强度、水泥环和地层应力强度与注水压力变化的回归方程;分析了套管和应力的变化规律,对于避免和减少注水井生产过程中套管损坏具有重要的指导意义.     

残余应力对套管抗挤强度影响的有限元分析

在套管的生产过程中会产生残余应力,这种残余应力将大大降低套管的拉伸屈服极限及压缩屈服极限,进而降低套管的抗挤强度。长期以来,这个问题一直没有引起人们的充分重视而加以克服。根据弹性力学理论,建立了套管的力学模型,通过有限元分析和计算,得到了存在残余应力情况下套管的抗挤强度。研究表明,残余应力在很大程度上影响着套管的抗挤强度,因此,为了提高套管的抗挤强度,应尽量降低管体的残余应力。     

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.     

蠕变岩层地层刚度和松弛时间对套管外挤力的影响

蠕变岩层套管外挤力计算要考虑蠕变松弛时间和固井水泥环性能的共同作用,目前的计算模型没有同时考虑两者的影响,使得计算结果偏差较大。在考虑水泥环作用条件下,建立了蠕变地层下套管外挤力黏弹性模型,利用该模型研究了松弛时间、地层刚度和水泥环性能对套管外挤力的影响。研究结果显示,不考虑水泥环作用,蠕变岩层套管外挤力与无蠕变作用的套管外挤力最终值相同,考虑水泥环作用时,蠕变岩层套管外挤力取决于水泥环性能;与以往蠕变岩层套管外挤力主要受地应力与蠕变率影响的认识有所不同,影响蠕变岩层套管外挤力的主要因素还包括地层刚度和松弛时间,它们影响套管外挤力大小和峰值、稳定值变化趋势;考虑内压和水泥环作用时,所得到的蠕变岩层套管外挤力远大于SY/T 5724-2008套管设计标准计算得到蠕变岩层套管外挤力,该标准中蠕变岩层套管外挤力计算方法仍然值得商榷。利用所建模型和实验结果,分别对伊拉克Missan油田和中原文中油田蠕变盐膏层段套管外挤力进行比较分析,在相同地应力和蠕变松弛时间作用下,地层刚度不同,套管外挤力相差很大,所得结论与现场情况相吻合。     

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。     

非均匀外挤力作用下套管强度特征分析

通过ANSYS有限元软件分析了套管在非均匀外挤力作用下的大变形特征，定义了套管在非均匀外挤力作用下破坏的临界条件，得到了此时的临界非均匀外挤力。为了表征套管在非均匀外挤力作用下的强度特征，定义了套管的等效破坏载荷，分析了等效破坏载荷与壁厚、载荷不均匀度的关系，并给出了计算实例。     

套管挤毁问题研究现状及发展趋势

在查阅了大量文献基础上,从套管挤毁影响因素、新型抗挤套管的研制与开发及套管挤毁研究采用的方法等方面,综述了套管挤毁研究的国内外动态,指出了套管抗挤毁问题研究的发展趋势。     

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文中建立了套管、水泥环和地层互作用的弹塑性的有限元力学模型，用MSC.Marc软件的高度非线性功能对本文的复杂力学系统进行了一系列的计算机仿真模拟研究，为复杂地层套管破坏机理研究提供了简便，可行的方法。本方法可以反推地层载荷，为复杂地层套管破坏的预防措施提供了理论依据。     

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用弹塑性有限元方法 ,建立了套管的有限元力学模型。给出了磨损量、抗内压强度系数的确切定义。对套管内壁不同磨损量的抗内压强度系数进行了分析计算 ,得出了套管的抗内压强度与内壁磨损量成抛物线关系。并分析了不同磨损量时 ,在内压作用下 ,套管管体达到屈服时 ,磨损量与抗内压系数、套管内VonMises应力以及套管内的位移变化关系。并得出了P110× 2 4 4 .4 8mm× 11.99mm套管结构尺寸下 ,磨损套管抗内压系数与其磨损量的经验公式 ,为磨损套管柱设计提供理论数据。     

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将盐膏层作为线性Maxwell固体，建立了平面应变问题的粘弹性力学模型，通过实测江汉油田王78—1井不同时段内的井径变化，借助模型辨识理论，运用有限元方法，研究了盐膏层蠕变与时间的关系，套营在均匀、非均匀载荷作用下的应力分布，套管制造缺陷(不圆、不匀度)对套营应力的影响。所得结果为工程实际提供了定量的参考依据。     

复合盐膏层双层组合套管设计

通过统计,分析中原油田复合盐膏层的套损现状和损坏机理,根据双层组合套管在盐膏层段的受力特点,推导出双层组合套的设计方法。     

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文章根据高温高压油气井测试过程中存在的安全隐患，探讨了高温、高压对套管安全性的影响，提出了高温高压井井身结构设计需要特别考虑的事项。通过分析与计算发现，测试期间套管受到的威胁最大，开井流动期间高温油气引起井筒温度全面上升，密闭的套管环空流体受热膨胀，对套管内外表面施加附加压力，这种压力可以达到套管的抗内压或外挤强度极限；井筒温度升高将大幅度增加套管向压力，甚至出现上顶井口现象；高压油气泄漏会使油层套管乃至整个井筒的安全性受到威胁。在对高温高压井进行井身结构设计时必须考虑测试期间存在的隐患，和能保证套管安全。     

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。     

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文章针对目前普遍存在的API圆螺纹套管易于发生滑脱失效的现象，分析了这种套管在拉伸载荷作用下滑脱失效的特点，并通过弹塑性有限元方法研究了各牙螺纹的受力。在此基础上，系统地研究了上扣扭矩对这种套管连接强度的影响，并利用全尺寸试验验证了有限元计算结果的可靠性。研究结果表明，上扣扭矩对圆螺纹套管的连接强度有较大影响，在API推荐扭矩的基础上，适当增大上扣扭矩，将上扣扭矩从API最佳值提高到最佳值的1.5倍，可明显提高圆螺纹套管的连接强度。     

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文章系统讲座了套管有限元计算中容易被忽视的一些问题,如加载步长、单元划分和载荷的非均匀性等因素对计算结果的影响。分析结果表明①加载步长对计算结果有重要影响,尤其是进入塑性阶段后,不够精细的长步会导致错误的结果。②由于套管的形状比较简单,使人们容易忽视单元划分对计算结果的影响,事上实上,即使是最简单的平面问题的应力计算,单元数量也不能太少,尤其是计算套管的变形,沿壁厚方向只划分一层单元是不够的。③载荷的非均匀性对套管损坏影响极大,体现在两个方面,一是载荷的非均匀性增大时,套管能承受的最大载荷急剧减小,二是在非均匀载荷作用下,套管出现一定程度的局部屈服后,即使载荷不再增大,套管的变形量仍会不断增加。这些分析和结论不但澄清了套管有限元计算中长期存在的一些问题,还使我们对套管变形损坏的机理有了新的认识。     

电缆地层测试器压力响应的数值模拟研究

本文利用有限元素法模拟电缆地层测试器的压力响应，指出地层厚度，地层倾斜等对压力响应的影响关系，并定量地评价地层的纵，横向渗透率。这项模拟为组合式地层动态测试器压力响应解释的国内应用提供了一种新方法。