温压耦合作用下的套管磨损和应力分布

页岩气井压裂过程中,套管变形问题显著。测井成像数据表明,套管磨损是影响套管变形的重要因素。基于页岩气井压裂过程中连续油管对套管磨损的工程实际情况,分析了连续油管行程和磨损深度之间的关系,并且在考虑压裂过程中瞬态温压耦合的基础上,建立了套管磨损三维数值模型,分析了磨损深度、套管压力对套管应力分布的影响。结果表明:随连续油管行程增加,套管磨损深度非线性增大,随注入头载荷增加,套管磨损深度近似线性增大;压裂过程中,完整套管的最大等效应力先增大后减小,呈现显著的动态变化,套管磨损后的应力变化规律与完整套管条件下的变化规律基本一致;套管磨损处存在显著应力集中,随磨损深度、套管压力的增加,最大等效应力近似线性增大。该研究结果对于准确评估页岩气压裂过程中的套管完整性具有重要意义。

预防套管变形的许用压裂注入压力计算方法

注入压力是页岩气储层改造设计中的关键参数之一,较高的注入压力有利于打开地层、顺利注入压裂液和支撑剂、尽快取得较大的储层改造体积,但如果注入压力过大则套管变形的风险也会明显增加。为此,以一个工程项目为实例,提出了在保障套管完整性前提下的注入压力安全窗口上限即最大安全注入压力值的数值计算格式,并以四川盆地威远区块某页岩气井为例进行了验证计算。研究内容包括:(1)建立区块尺度的初始精细地应力场的三维有限元模型;(2)建立引入地层刚度非对称特性的初级子模型,以此来模拟裂缝分布的非对称属性;(3)建立包含套管、水泥环和地层材料属性的二级子模型;(4)利用子模型计算不同的注入载荷压裂引起的套管变形,判断得到满足套管变形安全要求的最大许用压裂注入压力。实例井的计算结果表明,当注入压力为80 MPa时,固井质量差、裂缝分布不对称的时候,得到的套管上最大位移点的水平位移值、垂直位移值明显小于90 MPa时的变形量,依据P110套管钢材的屈服极限判断此时的套管变形为弹性应变,该注入压力是安全的。结论认为,采用该计算方法得到的结果与工程实际吻合度高,具有合理的精度和准确性。

套管外补贴技术及其在惠州油田的应用分析

针对海洋油田长时间开发后出现的套管完整性问题,考虑到传统的修补措施如跨越式封隔器等无法满足后期作业对井眼尺寸的要求的现状,提出了套管外补贴技术。介绍了套管外补贴的原理及在惠州油田HZ19-3-6和HZ26-1-16井的应用情况。结果表明,修复后的套管能保持原有强度且产生永久密封,具有不"牺牲"井眼尺寸等优点。针对作业过程中出现的复杂情况进行了深入分析,对海洋油田套管完整性的修复工作具有实践和理论指导意义,同时也给水井、地热井套管的修复提供借鉴和启示。

页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响

大位移页岩气井的井眼轨迹复杂,且压裂开发过程中经常出现由于水泥环缺陷引发的套变损伤问题。针对页岩气井压裂过程中高泵压大排量的特点,采用有限元分析方法,通过优化模型网格划分,建立了适用于页岩气井复杂井眼轨迹下套管力学完整性计算的套管-水泥环-地层组合体模型,讨论了水泥环缺失角度、缺失厚度、缺失长度及复合缺陷对造斜段及水平段局部屈曲部分套管力学完整性的影响。结果表明,套管的周向应力随水泥环弹性模量的增大而减小,受泊松比影响较小。水泥环角度缺失会使套管出现应力集中现象,当缺失角度超过90°,应力集中现象得到减缓。随着水泥环缺失厚度的增加,套管所受应力增大。无论是造斜段还是水平段,不同缺失角度下,水泥环厚度、套管尺寸及泵压对套管应力的影响类似,趋势均为随着缺失角度的增加,套管应力先增大后减小。水泥环缺失的临界部位会产生应力突变,该位置也是最容易发生套损的部位。同一缺失厚度下,套管应力最大值随着缺失角度的增加而先增加后减小;同一缺失角度下,套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着缺失角度的增加,水泥环缺失部位对应套管沿管长方向的等效应力先增加后减小。水泥环越厚,套管等效应力越小。在相同厚度下,水泥环剩余厚度越薄,套管等效应力越大,全部缺失时应力水平最大。

基于塑性的地层载荷势及其在井孔轨迹优化中的应用

由于地层的应力条件对井孔稳定性、其中的套管的完整性及寿命有直接影响,因此它是影响油井生产效率的主要因素之一。针对可钻性和套管寿命等优化目标,该文提出了井孔轨迹优化计算时需要用到的地层载荷势。地层载荷势表达了地层初始应力状态对井孔稳定性及其中的套管的完整性的力学影响特征:其值越小,越有利于井孔稳定性及其中的套管的完整。此外,当需要对井孔关键井段的套管设计强度进行校核时,也可以用地层载荷势作为参考指数,选取相关井段进行计算校核。算例表明:地层载荷因子这一概念合理、相关计算格式实用,为相关工程实践提供了一个简便实用的理论工具。