考虑胶结面孔隙影响的套管-水泥环胶结面应力场分析

考虑到套管-水泥环胶结面的力学性质和胶结面孔隙结构形状的影响,基于弹性力学理论,建立了套管-胶结面-水泥环-地层组合体力学模型,同时借助有限元分析方法,建立了套管-水泥环胶结面孔隙数量与孔隙结构形状对应力场的影响系数,得到考虑胶结面孔隙影响的套管-水泥环胶结面应力场的表达式。研究结果表明:当孔隙存在时Mises等效应力增大12.50%,径向应力增大9.30%,环向应力增大8.65%。套管-水泥环胶结面孔隙数量与孔隙结构形状会加剧应力场的非均匀性。孔隙数量对应力场影响更大,影响系数最大为1.1524。研究结果对于井筒系统安全性评价具有一定的工程价值。

深层环境下固井水泥水化放热特性及井周温度场演化规律研究

塔里木盆地已建成我国最大的超深层油气生产基地,深层环境会对水泥水化放热特性产生一定的影响,研究深层环境下水泥水化放热及传热特性对明确井周温度场演化规律至关重要。文章首先根据现场实测资料建立了塔里木油田近井和远井地层温度方程,根据不同地层深度的温度分布情况,开展了不同温度下G级水泥水化放热实验,基于Krstulovic-Dabic(K-D)经典水化动力学模型,结合水泥成核结晶与晶体生长、相边界反应以及扩散三过程反应特征推导了不同温度下水泥水化放热预测曲线,进一步推导了套管-水泥环-地层热传导模型,并将放热曲线作为热源代入到有限元模型中,得到了不同井深的套管与水泥在水化放热与高温地层的共同作用下温度场的变化情况。研究结果可为下一步分析有限局部空间的温度场变化对地层压力和套管变形影响提供技术支持。

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。

套管-水泥环-地层应力分布的理论解

利用弹性力学理论研究地应力场中套管-水泥环-地层系统应力分布的理论解,在求解过程中,将原问题分解为两个相对简单的子问题．考虑到套管井系统是层状结构的特点,且各层受力情况具有相似性。进一步地,基于两个弹性力学平面应变基本问题的解,采用结构力学的求解思想,由位移连续条件分别求得了两个子问题的解,最后由叠加原理得到了原问题的理论解．

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。

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。

热固耦合作用下的套管-水泥环-地层多层组合系统应力分析

考虑非均匀地应力、内压和地层高温对高温高压井套管-水泥环-地层多层组合系统的作用,应用弹性力学理论,结合边界条件、接触条件和连续条件,获得热固耦合作用下套管-水泥环-地层多层组合系统应力分布的解析解。讨论水泥环厚度、弹性模量、泊松比、地层温度、套管-水泥环层数对最内层套管内壁Mises应力分布规律的影响。研究结果表明:上述因素对最内层套管内壁Mises应力的分布均有影响;对比套管-水泥环-地层的单层和多层组合系统,多层组合系统的最内层套管内壁的Mises应力较单层系统明显降低,这说明多层组合系统具有重要的工程价值。

真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型研究

二维力学模型很难真实反映套管的受力状态,三维力学模型没有考虑地质构造形态对套管损坏的影响。为了克服上述力学模型的缺陷,提出了真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型。采用ANSYS软件中自底向上的建模方法建立真三维套损力学模型。根据地质勘探获得的三维地质构造信息,在井眼附近取出一定大小范围内的三维地质构造数据点,以获取不同层位各离散点的高度数据,用这些数据建立井眼周围的三维地质构造曲面,在此基础上生成三维实体的粗糙模型。研究结果表明,真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型能够真实地模拟套管实际变形,可与有限元分析方法相结合用于套损的预测。

振动注水对套管、水泥环及地层影响的计算研究

为了评价振动注水对套管、水泥环及地层的影响,基于所给出的套管及水泥环在地层状态的简化力学模型和弹性力学理论,给出了套管、水泥环、地层的轴对称应力分布公式。根据套管内壁面、套管与水泥环接触壁面、水泥环与地层接触壁面存在的应力关系,推导出弹性体相接触时的应力数学模型,并对该数学模型进行求解。依据材料力学理论和振动注水的注入压力随时间变化的简化曲线进行了工况分析,选取适当参数计算出不同内压作用下套管、水泥环、地层岩石中最大应力,得出了在交变注水压力作用下套管、水泥环、地层岩石中的最大应力随注水压力变化的关系曲线。最后得出结论——振动注水所产生的脉动压力不会对套管、水泥环及地层造成损坏。

套管-水泥环-地层多层组合系统受力特性分析

以弹性力学为基础,对套管-水泥环-地层多层组合系统在理想固井状况下受非均匀地应力和均匀内压时的受载特性进行了分析;并依据接触条件和连续条件建立了相应的线性代数方程组,得到了套管-水泥环-地层多层组合系统应力分布的解析解;研究了水泥环厚度、弹性模量、泊松比、套管层数变化对最内层套管外壁径向应力分布规律的影响,并讨论了上述因素对最内层套管外壁径向应力最大值及应力分布非均匀系数的影响。结果表明:上述因素对最内层套管外壁径向应力的分布均有影响;对于具体问题,应综合考虑组合系统的几何、力学参数确定上述参数的最优值。本文研究可为复杂地层套管柱设计及多层复合材料的抗外挤问题提供参考。

套管井地层电阻率测量的不规则水泥环影响

以前基于传输线模型分析套管井水泥环影响时,一般假设水泥环是均匀规则分布的,但实际往往是不规则分布。基于传输线数值算法,模拟和分析了不规则水泥环的过套管电阻率测井响应。研究表明:不规则水泥环对地层视电阻率测量结果会有较大的影响;高阻水泥环会引起明显的测量误差;水泥环厚度变化对地层视电阻率也有明显影响,特别是对低阻地层的影响,且理论上对高阻地层视电阻率的影响也不可忽略。

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。

水泥环对套管强度影响的理论和试验研究

针对有关水泥封固质量是否对套管柱强度有帮助作用的讨论 ,采用弹性力学分析方法推导了平面应力和平面应变状态下水泥环与套管接触处的接触压力表达式 ,对水泥环分担内、外压的能力进行了计算。采用全尺寸实物试验方法对套管有无水泥环情况下的抗挤毁能力做了对比试验。分析和试验指出 ,水泥环对提高套管柱整体抗挤毁能力较之提高抗破裂能力作用更大一些 ,但封固良好的水泥环对提高套管抗挤毁能力的作用有限。如果水泥封固质量不高 ,高压介质经过短时间渗透直接作用在套管外表面 ,水泥环的卸载作用被短路 ,对提高套管抗挤强度无任何帮助 ,所以在管柱设计时不应考虑水泥环对套管强度的增强作用。

套管试压对水泥环完整性的影响

目前中国油田套管损坏井日渐增多,研究人员对水泥环长期力学性能的研究主要集中在延缓和减少外挤载荷对套管的作用,改善套管的受力状况,而忽略了这些载荷对水泥环完整性(有效密封性)的影响。从维护水泥环本身的完整性出发,根据套管-水泥环系统受力情况建立平面力学分析模型,以弹性力学厚壁筒理论为基础,建立了水泥环破坏的判定依据,分析了套管内压和水泥环的弹性模量对水泥环完整性的影响。结果表明,提高水泥石的抗拉强度和降低水泥石的弹性模量,均可在保持水泥环完整性的情况下,大幅提高水泥环在套管试压过程中的承压能力。

基于水泥环完整性分析的许用套管内压力解析计算方法

现有的油气井套管—水泥环—地层系统的应力分析模型可用于求解井筒系统应力分布及水泥环破坏条件,虽然对探讨水泥环完整性受套管内压力变化的影响起到了重要作用,但均未能给出许用套管内压力解析计算公式。为此,基于均匀水平地应力条件下的套管—水泥环—地层系统的应力分析解析模型,针对多种水泥环破坏形式,推导出了受其作用下的水泥环径向开裂、剪切破坏、胶结面剥离等破坏条件的许用套管内压力解析计算公式。研究结果表明:(1)按水泥环径向开裂和剪切破坏条件分别求出最大允许套管内压力,推荐采用二者中的较小值作为最大许用套管内压力;(2)按水泥环胶结面剥离条件求出最小允许套管内压力,推荐将其作为许用套管内压力。结论认为,套管内压力升高可能导致水泥环径向开裂和剪切破坏,套管内压力及温度降低可能导致水泥环胶结面剥离,应综合考虑水泥环破坏条件合理确定出最大和最小许用套管内压力。

射孔对水泥环与套管性能影响的分析计算

在建立水泥环．套管射孔数学模型和有限元分析模型后，计算分析了射孔对水泥环‘套管性能的影响，得出如下结论：（1）射孔是造成套管损坏的主要原因，无水泥环固结，完好套管产生的应力是射孔套管的％；（2）射孔套管壁厚和水泥环固结状态对射孔套管性能影响较大，壁厚12．395mm射孔套管是壁厚7．720mm射孔套管抗挤强度的1．5倍以上，水泥环与套管固结良好且上下固定，可以提高套管抗挤强度；（3）生产中保持内压和外载相近，可以明显减小射孔套管应力；（4）增大水泥环弹性模量，保持水泥环弹性模量在30～35GPa之间，可以提高射孔水泥环．套管抗挤强度。

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。

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。

套管井水泥环空间介质波阻抗与厚度反演方法

针对实际反射式超声波测井 ,把套管与地层环空间单层介质的波阻抗和厚度作为两个待反演参数 ,分别将相移正切函数及反正切函数形式下的方程作为目标函数 ,提出了对波阻抗和厚度反演的线性化最小二乘法 .通过对两种反演方程误差函数的数值考察和对合成数据反演结果的分析 ,发现相移反正切函数形式下方程的线性化最小二乘法是较为稳定有效的方法 ,能够完全消除多极值的缺点 。

套管损坏井冲击整形时水泥环的损伤

针对套管损坏井冲击整形过程中水泥环发生损伤破坏这一情况 ,以冲击动力学和应力波传播理论为基础 ,建立了冲击整形的力学模型 ,较为准确地描述了水泥环中的应力分布情况 ,计算了冲击整形过程中水泥环及第一胶结面的损伤破坏长度。