高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律

由于高温高压井中,固井工况复杂,套管与水泥环之间会出现缺失现象,导致套管损坏,尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题,以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象,建立了套管水泥环缺失套管水泥环套管地层轴对称有限元模型,模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元,岩石和水泥环采用EDP本构模型,相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明,该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况,解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题;当套管环空出现环状缺失时,水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性,在深井、超深井中,建议优化水泥环返高,使水泥环不返到井口,减小固井段长度,消除水泥环缺失问题。

芯轴悬挂器高强度螺纹结构设计及评价研究

为了防止芯轴下端连接螺纹强度不足而造成失效事故,采用高温高压套管柱设计计算方法、有限元数值模拟和实验手段,对芯轴材料进行了力学性能实验,开发了一种用于芯轴悬挂器高强度螺纹结构,并在极限复合载荷下对该螺纹进行了三维有限元计算。研究结果表明,拉扭压复合载荷对外螺纹强度影响较大,压缩载荷对内螺纹内台肩第一牙应力影响较大,内外螺纹其余部位相对安全。拉伸载荷在一定程度缓解了上扣扭矩对内外螺纹台肩部位的影响。从计算结果得到内外螺纹整体上应力小于材料允许的屈服极限,且螺纹接头接触压力均大于外在流体压力,可以形成有效密封,研究结果为芯轴悬挂器螺纹结构的选型和使用提供理论基础。

超深井套管卡瓦效应的拉伸极限载荷理论计算

针对新疆某油田超深井井口套管悬重过大,造成卡瓦牙对套管外壁齿入损伤,且累计损伤导致卡瓦悬挂器套管断裂失效的事故频繁,提出了“卡瓦效应的拉伸极限载荷”来评价井口卡瓦悬挂器夹持部分套管的强度设计,具体为基于第三强度理论和第四强度理论,分别建立了井口卡瓦悬挂器夹持套管的“卡瓦效应拉伸极限载荷”计算模型。计算结果表明,从安全角度评价套管强度,采用第三强度理论计算卡瓦悬挂器套管的卡瓦效应拉伸极限载荷更合理,但为更充分利用材料的力学性能,应采用第四强度理论进行评价,还得到在四通有限空间内,可以保证有较大的卡瓦效应拉伸极限载荷的最佳卡瓦半锥角为23°~25°,最佳卡瓦有效接触长度为135~145 mm。研究方法和结果将为卡瓦悬挂器井口套管的强度设计、各种安全施工作业等提供理论依据。

超深井射孔冲击动载荷引起封隔器断裂失效分析

中国超深层油气资源丰富,超深井油气开发过程中常采用一体化管柱完成射孔—试油—酸化三联作业,作业过程中超深井射孔冲击动载荷频繁导致封隔器断裂失效。为解决上述问题,基于弹塑性有限元法,结合实际井下测得的射孔管串起爆瞬态冲击动力学载荷边界条件,开展了新疆某地X1井射孔作业RTTS封隔器(全开式挂壁封隔器)—减震器管串瞬态冲击动力学有限元仿真分析,建立了减震器二阶带阻尼的质量—弹簧力学系统模型,从理论上对比分析了双减震器的减震效果与有限元分析结果的可靠性。研究结果表明:(1)在射孔爆轰0.09 s和0.21 s时刻,中心管接头螺纹处分别出现805.4 MPa和925.1 MPa两个应力峰值,超过了管材的屈服强度和抗拉强度,且冲击波引起的交变应力导致局部位置开始发生裂纹失效,裂纹逐渐扩展到整个截面,造成螺纹接头断裂;(2)根据仿真模型计算结果以及中心管结构尺寸分析,发现其螺纹部分结构尺寸偏小,导致峰值应力超过其抗拉强度造成断裂失效;(3)建议采用中心管上部螺纹连接处镦粗2~3 mm的改进方案,其最大应力可降低27%以上,可明显提高结构强度;(4)使用双减震器能有效降低射孔管串上部冲击载荷,理论计算指出双减震器比单减震器的振幅降低约50%,其最大应力降低约42%。结论认为,研究成果可为超深井RTTS封隔器管柱安全射孔作业提供理论和技术支撑,并将有力推动我国超深层油气资源的高效勘探开发。

油气井斜承载台阶面强度研究——以万米超深井超重送入钻杆45°台阶面为例

为应对钻探深度增加带来的井口设备超重载荷挑战,解决超重载荷承载台阶设计校核缺乏统一标准等问题,开展对承载台阶强度的研究。首先,建立考虑摩擦力的斜面台阶力学模型,提出承载台阶剪切失效模型下的计算公式,并对不同设计准则、安全系数和标准下的结果进行对比分析。然后,以万米超深井超重尾管设计的新型带45°斜坡的送入钻杆为例,结合理论分析与弹塑性非线性有限元,进行多种方法求解极限载荷研究,得到轴向的许用载荷和极限载荷,并对钻杆台阶面进行局部应变等评价。研究结果表明:所提出剪切失效公式可用于斜面台阶承载极限载荷计算,建议采用ASME BPVCⅧ-3规定的弹塑性方法进行精细分析,载荷系数取1.8计算许用极限载荷。研究结果为油气井行业中井口设备承载的斜台阶设计与计算提供理论基础与参考。

适用于塔中区块碳酸盐岩缝洞型异常高温高压储集层的钻井液承压堵漏材料

为了有效地解决塔中区块碳酸盐岩缝洞型异常高温高压储集层在钻完井过程中井漏、溢流频发的问题,在对该区块目标储集层地质特征和漏失情况进行统计分析的基础上,引入抗高温、高承压和研磨性好的刚性堵漏材料GZD,通过静态承压封堵实验对单剂加量及其与木质素纤维、弹性材料SQD-98和碳酸钙的复配加量进行了优化,形成了抗高温、高承压的新型复合堵漏材料SXM-I并通过钻井液配伍性实验、裂缝静态封堵承压实验和岩屑砂床实验对其性能进行了评价。实验结果表明,该新型复合堵漏材料与现场钻井液体系具有较好的配伍性,形成的堵漏钻井液既能封缝又能堵洞,裂缝静态承压9 MPa以上,累计漏失量仅13.4 mL;大孔径岩屑砂床30 min内侵入深度仅为2.5 cm,表现出较好的高温高压封堵性能,为该区块的顺利钻进提供了技术支撑。

一种套管悬挂器金属密封结构设计与研究

针对高温高压下悬挂器橡胶密封件的失效问题,采用316L软金属,设计线型、正弦、椭圆、抛物线4种不同的密封结构,采用ANSYS软件分析套管悬重及不同顶丝压力下的接触压力和接触宽度的变化规律。结果表明:随顶丝压力的增加,线型密封各接触面处的平均接触压力增幅较小,正弦和抛物线型密封各接触面处的平均接触压力起伏式增加,椭圆密封各接触面处的平均接触压力平稳增加,表明采用椭圆型接触面有利于密封的稳定。实验结果表明,该全金属多级等锥椭圆曲面密封结构可靠,能满足油田井口装置140 MPa极限工况的密封要求。

具有腐蚀坑缺陷的套管强度评估

近年来,油田套管腐蚀越来越严重,据统计,大港油田某区块套管腐蚀达到34.4%,造成了严重的套损、套漏等问题。基于上述问题,以弹性力学理论和球形腐蚀坑套管力学模型为基础,分别建立了具有两个腐蚀坑缺陷和一个腐蚀坑缺陷的套管-水泥环-地层三维有限元模型,通过具有两个腐蚀坑缺陷的模型对套管上的应力分布规律的研究,发现腐蚀坑之间的距离大于0.65 mm时,可以用具有单个腐蚀坑缺陷模型来评价套管的强度。基于单个腐蚀坑缺陷的模型,研究了腐蚀坑的半径、深度对套管强度的影响及其应力集中系数的变化规律,且研究了不同钢级在地层水化条件下对具有腐蚀坑的套管的受力影响。结果发现,有腐蚀坑缺陷的套管,其最大应力和应力集中系数随腐蚀坑深的增加而增大,且腐蚀坑半径越小,应力集中系数越大,最大达到2.0以上;其次,地层水化后加快具有腐蚀坑的套管的损坏。

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。

特超稠油油藏热采中温敏损害机理

为了研究温度变化对特超稠油油藏储层的影响,文中通过对比常温和高温条件下的碱敏和盐敏实验,结合高温黏土转化实验、不同温度下的驱替实验进行分析。结果表明,温度对特超稠油油藏的开采有明显影响。在高温条件下,稠油油藏更容易发生碱敏和盐敏损害,易造成储层渗透率下降;在高温条件下,储层胶结物质容易发生破坏,释放出大量的微小固体颗粒,微小颗粒随着流体的注入运移到狭窄的孔喉处,导致部分孔喉失去流通能力造成严重的储层损害;在高温条件下,黏土矿物易发生转化,生成方沸石和伊利石,方沸石和伊利石随流体的注入运移到狭窄孔喉处,易造成储层损害;在注采过程中提高蒸汽干度,充分利用高温"溶蚀增孔"效应,提高储层的采收率。该研究成果为同类稠油油藏的注蒸汽开采提供了理论指导。

复杂工况下41/2REG涡轮轴连接螺纹断裂分析

为预防和减少涡轮钻具的涡轮轴在解卡过程中连接螺纹发生断裂,需对其断裂原因进行分析。根据长庆油田A井所用涡轮钻具轴连接螺纹的结构,建立了带螺旋升角41/2REG锥形螺纹的三维力学模型,基于连接螺纹弹塑性本构关系和有限元控制方程,分析了涡轮轴连接螺纹在压扭、拉扭、弯扭复合载荷工况下的应力分布。研究发现:涡轮轴连接螺纹部位在扭矩一定的情况下,随着钻压增大,涡轮轴外螺纹所受应力呈增大的趋势,且螺纹牙的应力分布不均匀,整圈螺纹牙上的应力波动较大;当涡轮轴受到的拉力一定,随扭矩增大,外螺纹台肩部位第一牙处应力增幅较大,存在疲劳失效的风险;在扭矩为25kN·m条件下,当井眼曲率为10和20(°)/100m时,外螺纹的最大应力为700.0 MPa,涡轮轴螺纹连接部位比较安全,但当井眼曲率为30°/100m时,螺纹台肩内外螺纹牙最大应力为903.6 MPa,接近材料的屈服极限。研究结果表明,涡轮轴连接螺纹在弯扭载荷作用下易在外螺纹第一牙处出现应力集中现象,导致其失效,因此应避免在井眼曲率较大井段使用涡轮钻具。

气体钻与泥浆钻全井段套管磨损对比研究

套管磨损会降低套管的抗挤强度和抗内压强度,造成套管柱变形、挤毁和泄漏等事故。为了对比气体钻与泥浆钻全井段套管磨损情况,建立了三维井眼中钻柱接触力计算模型;将基于能量损失的线性"磨损—效率"模型与月牙形磨损模型相结合,建立了全井段套管内壁磨损深度的预测模型;通过开展空气和泥浆环境套管磨损实验,获得了套管磨损系数;利用建立的模型和实验获得的参数进行了实例计算和分析,对比了气体钻和泥浆钻后套管的磨损深度。研究结果表明:气体钻井造成的全井段套管磨损量略比泥浆钻井大,但套管磨损严重的位置发生为狗腿度较大的井段。建立的预测模型和计算结果可为气体钻水平井套管磨损分析及套管完整性评价提供理论依据和工程参考。

油管特殊螺纹接头密封及安全综合性能评价

为研究井下复杂工况对油管特殊螺纹接头的影响,利用Abaqus有限元软件建立螺纹接头有限元模型,在一定径向和轴向过盈量下模拟初始螺纹上扣状态,在不同轴向载荷、内压和温度下分析油管特殊螺纹整体结构完整性以及密封性能,并提出整体密封、局部密封性能指数以及综合安全性能评价方法。结果表明:在不同工况条件下特殊螺纹接头Mises应力和接触压力呈现凹型分布趋势,首尾以及最后一扣退刀槽位置是应力相对集中的薄弱部位;温差增大导致接头结构热胀冷缩变形应力水平有明显提高,内压以及轴向载荷增加使整体密封性能有所提高但台肩局部密封性能存在差异;接头使用螺纹脂提高了螺纹接头整体及局部的密封和安全性能;内压越大温度越高接头安全性越低;螺纹在拉伸载荷工况下整体安全性能有所提高,但局部台肩结合处出现分离致使安全性有所下降;在压缩工况条件下螺纹整体安全性有所上升,但受螺纹结构与抗压缩性能影响,超过一定载荷安全性能反而下降。

C型环环向应力与加载载荷的公式推导与验证

基于任意C型环试样结构尺寸及其力学关系,建立了C型环内任意截面的力学模型,根据材料力学基本理论,推导出了其外壁和内壁任意一点环向应力与C型环试样加载位移、加载载荷之间的理论计算公式。为了验证本文推导的理论公式的正确性,建立了C型环试样的有限元计算的力学模型,当某试验要求C型环试样最大环向拉应力为650 MPa,对油管外径88.9 mm的C型环试样,通过有限元法和本文推导的理论公式对该结构工况进行计算和对比分析,得出有限元法和理论公式计算出需要施加的载荷和位移的误差分别为-1.82%和1.25%,证明推导文中推导的理论公式的正确性,为C型环硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)和应力腐蚀开裂(SCC)实验加载参数的确定提供了简便的计算方法。

钛合金钻杆在短半径水平井中应用技术研究

随着超深井、短半径井和大位移井钻探数量的逐渐增多,钻杆在井下的服役条件越来越苛刻,常规的钢钻杆已经不能满足复杂井的作业需求,钛合金钻杆以其密度小、弹性模量低和耐蚀性好等特点成为油气井领域研究的热点。为了研究钛合金钻杆在短半径水平井中的使用性能,首先对钛合金钻杆管体基本强度准则进行了分析,接着开展了钛合金钻杆的疲劳试验,对其疲劳性能进行了测定,最后以超深水平井为例,对比了钛合金钻杆和钢钻杆在井下的使用性能。分析结果表明:在低应力水平下,钛合金钻杆在空气和钻井液中的疲劳寿命均达到107次以上;当应力水平一定时,钛合金钻杆试样在钻井液中的疲劳寿命略低于空气中,但二者相差不大;在滑动钻进、旋转钻进、上提和下放等不同工况下,钛合金钻杆的侧向力、扭矩和摩阻均小于钢钻杆,其作业摩阻约为钢钻杆的60%。所得结论可以为钛合金钻杆在短半径水平井中的应用提供理论依据。

卡瓦悬挂器密封失效与改进研究

研究卡瓦悬挂器密封结构失效案例,对卡瓦式套管悬挂器悬挂能力和密封结构的工作特性进行有限元计算,分析卡瓦悬挂器密封结构经常发生失效的主要原因。为了克服卡瓦悬挂器结构存在的缺陷,提高井口悬挂器承载能力和密封性能,设计一种新型芯轴式悬挂器,并进行了压力和承载实验测试。经过试验前后拆卸对比,得到悬挂器和四通的变形在安全范围内;球形密封钢圈受压后产生变形为平面状,密封宽度较大,表明密封性能良好;试压过程中,随着载荷的增加,试验台仪表和百分表的位移量变化较小。因此,试压测试表明该新型悬挂器可以承受140 MPa的高压压力作用,最后在现场得到应用,效果良好。

极端条件下气井油管柱振动力学行为的有限元分析

为了系统地、定量地分析极端条件下气井油管柱振动力学行为,根据新疆某油田油管柱结构尺寸,基于有限元法,建立了两种结构带封隔器的极端条件气井油管柱振动有限元力学模型,编写了极端条件下气井油管柱的振动动力学行为分析的APDL有限元程序,对该极端条件下气井管柱振动问题开展了系统分析和研究。研究表明:①对比改进前后管柱结构的前15阶模态和频率,改进后油管柱均有利于减缓振动对油管柱的损伤;②在瞬态动力响应方面,改进后的结构对事故高发(4200~5500 m)油管段内平均应力降低了约104 MPa,同时中和点也下移了231 m,均有利于提高极端条件下气井油管柱安全性及其疲劳寿命。结论表明,建立的模型可分析油管柱的振型,固有频率以及随时间历程变化的应力、速度、位移等,为极端条件下气井油管柱疲劳寿命预测、中和点变化以及油管柱在采气期间的振动力学机理提供定量的数据,同时为新井管柱设计提供了理论依据。

超深高温高压井尾管悬挂器安全性评价新方法

尾管固井完井技术已成为深井、超深井、复杂结构井中不可缺少的完井方式之一,其中评价尾管悬挂器的安全可靠性是井筒完整性的重要内容和难点。为了建立一套适用于深层、超深层高温高压井尾管悬挂器安全性评价方法,以新疆南缘超深高温高压地LX1井尾管悬挂器为研究对象,基于非连续介质的非线性接触问题的有限元原理及其方法,建立了LX1井尾管悬挂器安全性评价方法及其液缸外壁压力预测的有限元新模型。研究结果表明:(1)模型中地层—水泥环、水泥环—套管、套管—水泥环以及水泥环—悬挂器液缸等,其相互界面之间全部用的接触力学有限元模型,边界条件包括地应力、井筒内压以及悬挂器双卡瓦内由下部尾管悬重产生的预拉应力,地层岩石及其水泥石的材料模式采用岩石力学中的DP破坏准则;(2)该模型可以直接获得接触界面之间的接触压力,能够准确和定量模拟计算从地层传递到悬挂器液缸外壁的压力,解决了以前的模型无法直接获得各界面的传递压力问题;(3)该模型评价了极端工况下183 MPa内压下,按API 6X规范的材料第三强度理论应力线性化分类评价方法以及采用应力包络线方法,对LX1井尾管悬挂器评价结果安全,已经在该井应用中得到了验证和应用。结论认为,建立的尾管悬挂器液缸外壁压力随井筒内压变化的新方法,已经在该区的超深井得到了应用,该方法为超深高温高压井评价悬挂器的实际承压能力及其安全性评价提供了简便、可行的计算方法,有力保障了深部高压油气的高效、安全开发。

双金属衬里复合管堆焊及对接焊有限元力学分析

为研究双金属衬里复合管堆焊及对接焊焊接后焊接处应力变化,针对Φ89(8+2)mm尺寸衬里复合管,基于热-力耦合理论,建立瞬态热-固耦合管端堆焊与对接焊V型槽环焊缝轴对称力学模型。探讨衬里复合管堆焊及对接焊过程中整个焊肉及热影响区的应力变化并对应力区进行完整、详细分析。结果表明:衬里复合管焊接完成后焊区产生较高的残余应力,最高达463.47 MPa;热处理工艺消除了90%的残余应力,然而投入使用的复合管仍然存在3个高应力区:对接焊焊肉内、过渡区中靠近对接焊焊肉的基管上及2次堆焊起始点,其中应力最大的位置在2次堆焊的起始点,最高达46.63 MPa。建立的模型和计算结果可为实际工况下衬里复合管焊接部位的力学性质研究提供参考。

非等厚度四点弯曲试样环向应力理论研究

针对四点弯曲试样标准为等厚度直梁试样,不能真实模拟管件曲梁结构的真实工况,设计了一种外壁为完整的一段圆弧,内壁为一直线段和两段对称圆弧构成的非标准、非等厚度的四点弯曲试样。根据非等厚度的四点弯曲试样结构及其力学模型,推导出了其外壁任意一点环向拉应力与试样加载载荷之间的理论计算公式,建立了该四点弯曲试样的有限元力学计算模型。计算结果表明,文中推导出的理论公式计算出的最大环向应力与有限元法的计算结果误差的绝对值为0.06%~0.33%,几乎没有误差,充分证明了理论公式的准确性,该理论公式为非等厚度四点弯曲的应力腐蚀开裂试验加载参数提供了简便的计算方法。