套管水泥环组合抗挤强度模型及其弹性分析

建立了套管水泥环组合抗挤强度模型,导出了管外水泥环对套管屈服抗挤强度的影响系数,提出了套管水泥环组合抗挤强度弹性概念;计算分析了管外水泥环的存在对套管屈服抗挤强度的影响程度,并对套管水泥环组合抗挤强度对套管水泥环参数变化的敏感性,即套管水泥环组合抗挤强度弹性进行了计算分析。

套管水泥环的室内破坏试验及力学分析

套管外水泥环的破坏是导致管外串槽、套管外腐蚀的原因之一。为弄清井下作业是否会损坏管外水泥环 ,进行了一系列室内破坏试验 ,并对试验结果进行了理论分析。试验结果表明 :管外水泥环无围压时 ,套管内施加很小的压力 ,就会导致水泥环上产生裂纹 ;水力锚作业对水泥环的破坏程度比压裂对水泥环的破坏程度更严重 ;没有围压的水泥环抗内压强度极低。提出压裂与酸化设计中 ,应考虑作业压力对套管外水泥环的破坏作用 ;在选用井下工具时 ,应尽量避免选用带有爪牙的局部支撑管柱的井下工具。

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。

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。

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．

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。

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。

多射孔对套管-水泥环结构强度的影响

结合油井试采工程实际问题,研究了圆形和椭圆形两种形状的多个射孔对套管-水泥环结构强度的影响。给出了外压作用下的双层长圆柱壳结构开任意形状的单个贯穿孔问题的理论解,并用有限元软件ANSYS分别对具有圆形及椭圆形两种形状的单个射孔及多个射孔的套管-水泥环结构在受横向均布外压作用下的孔边应力进行了数值计算。计算结果表明,开单孔情况套管的最大应力的数值解与理论解很接近,每米分布40个圆形射孔情况下的套管-水泥环结构强度比每米分布八个椭圆形射孔情况提高20%以上,因而较为合理。

含水泥环的变形套管修复过程实验

油气田现场经常凭经验确定旋压整形器修复变形套管所需的修复力和扭矩,而不合理的整形力或扭矩容易造成变形套管和周围水泥环的二次损伤及卡钻事故。为此,在YAW-200压力试验机上分别制作了无水泥环(水泥环完全损伤)、水泥环部分损伤和水泥环未损伤等3种类型的P110SS变形套管,并采用?126 mm和?133 mm的2种旋压整形器对3种变形套管进行整形测试,得到了变形套管整形所需的整形力和修复扭矩、变形套管回弹量的测试数据。实验结果表明:(1)修复过程中整形力与扭矩整形时间的关系密切——弹性变形阶段,随修复时间增加环向应变呈线性增加,整形力和扭矩早期呈缓慢增加后期保持不变,塑性变形阶段套管开始屈服,随修复时间增加环向应变呈非线性增加,整形力和扭矩急剧降低,直到整形工具通过变形套管,直到整形力和扭矩降低到最低为止;(2)修复后的回弹量不可避免且较大(2.90~3.04 mm),表明水泥环的损伤程度对变形套管的修复具有较大影响;(3)水泥环未损伤的变形套管修复所需机械载荷大于水泥环部分损伤变形套管所需机械载荷,带水泥环变形套管修复所需机械载荷大于无水泥环变形套管所需的机械载荷。

非均匀地应力作用下套管-水泥环组合体抗挤强度模型及优化

针对油田在开发过程中经常遇到流变性地层的流动导致大量的套管被挤坏的情况,推导了套管水泥环组合体在非均匀载荷下的应力计算公式,并建立了套管水泥环组合体强度模型。以套管内壁的有效应力和组合体工程造价为目标提出了流变性地层套管水泥环组合体的优化设计方法,建立了3种类型的优化数学模型。研究了不同组合条件下的套管水泥环组合体承受非均匀载荷的能力及其相对应的工程造价,优化的结果能够较好地指导套管水泥环组合体的设计。

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。

连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算

固井后井筒内压力的变化可能导致水泥环破坏或使水泥环产生塑性变形,从而在第一界面或第二界面处产生微环隙。基于Mohr-Coulomb准则,建立了套管-水泥环-围岩组合体弹塑性分析模型,对套管内压力加载和卸载过程进行分析,以界面拉力大小判定是否产生微环隙,并给出了微环隙大小的计算公式。使用该模型对前人的气窜实验进行模拟,理论结果与实验结果相符。分析结果表明,微环隙的产生由加载和卸载过程共同决定。加载过程可能会使水泥环进入塑性,而卸载时内压降低将导致界面受拉,从而产生微环隙。第一界面、第二界面均可能产生微环隙,取决于界面胶结强度与界面拉力的关系。卸载时,第一界面拉力大于第二界面拉力,当两个界面胶结强度接近时,第一界面更容易产生微环隙。该模型可用于评价水力压裂等过程中水泥环密封失效的风险,为现场施工提供依据,从而降低井筒密封完整性失效的风险。

斜直井段套管-水泥环组合系统受力特性分析

为分析斜直井条件下套管-水泥环-地层组合系统的受力特性,将地层主应力通过坐标变换转换到井眼轴线与垂直于井眼轴线平面所确定的坐标系上,将变换后的应力张量进行分解,得到3个新的应力张量,以3个新应力张量为边界条件建立相应的线性方程组,并计算地层主应力3种条件下斜直井中系统各接触表面的应力分布,对比不同井斜角条件下的应力分布规律。结果表明:地层3个主应力大小关系不同时得到的斜直井下套管-水泥环界面的径向接触应力随井斜角的变化规律不同,在某些地层下水平井的套管抗外挤能力大于同等条件下直井的套管抗外挤能力,而在另一些地层下直井的套管抗外挤能力大于同等条件下水平井的套管抗外挤能力。

超高温热循环作用下水泥环完整性及界面力学性能衰退规律

稠油热采井因周期性蒸汽吞吐,造成井筒内的温度波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性,导致井口抬升等安全问题频发。为了弄清超高温热循环作用下水泥环完整性失效机理、界面胶结衰退规律,避免蒸汽吞吐过程中套管-水泥环界面胶结失效,提出了超高温热循环环境下水泥环胶结强度评价方法,自主研发了集浇筑、养护、加热及测试一体化的水泥环胶结强度特色测试装置,并对“生产套管-水泥环-技术套管”组合体在超高温热循环作用下的界面完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了水泥环在3种不同温度(常温↗150℃↘常温,常温↗200℃↘常温,常温↗250℃↘常温)热循环作用下的完整性及界面力学性能实验结果。研究结果表明:高温热循环作用对水泥环力学及界面力学完整性具有显著的负面影响;随着温度和热循环次数的增大,水泥环界面力学性能显著降低。150℃热循环7次、200℃热循环5次以及250℃热循环1次后,套管与水泥环界面脱离;150℃热循环13次、200℃热循环9次以及250℃热循环7次后,水泥环界面剪切力、化学胶结力、摩擦力以及剪切胶结强度均降低为0,水泥环界面力学性能丧失。水泥环本体失效均以拉伸破坏为主,包括径向裂纹和周向裂纹;径向开裂,周向裂纹以及界面脱离使得水泥环完整性(本位完整性、密封完整性以及力学完整性)失效,水泥环产生连通的微裂缝、微环隙,造成水泥环变形、损伤、泄露,套管成为自由段,引发严重的环空带压、井口抬升等安全问题。

强交变热载荷下页岩气井水泥环完整性测试

页岩气井大规模水力压裂过程中,因井筒内的温度、压力波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性。为了弄清强交变热载荷下水泥环完整性失效机理、避免页岩气水平井大规模压裂过程中水泥环屏障失效,基于自主研发的实验装置对全尺寸实物“生产套管—水泥环—技术套管”组合体在强交变热载荷作用下的密封完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了2种全尺寸水泥环(普通水泥环和高强度水泥环)在3种强交变热载荷作用下(出现间断CO2气泡的循环次数分别为4次和14次,出现连续气泡的循环次数分别为5次和15次,交变热载荷分别为30~120℃和30~150℃)的完整性实验结果。研究结果表明:①交变热载荷对水泥环完整性具有显著的负面影响,并且随着交变温度及温差的增大,表征水泥环密封完整性的热循环次数急剧减少;②表征水泥环与套管间的剪切力、轴向与径向结合强度等界面力学性能指标均随交变温度增加而下降;③水泥环微环隙主要是由套管与水泥环材料之间的不协调变形所致,而交变热载荷诱导的水泥石自身力学性能衰退及损伤在一定程度上加剧了水泥环密封完整性失效。结论认为,该研究成果可以为深部页岩气水平井大规模压裂施工设计提供参考。

非均匀地应力下水泥环完整性规律研究

套管-水泥环-地层系统界面的密封失效,将导致高压气体上窜至井口而引起环空带压,给油气田的勘探开发带来安全、环保隐患。通过研究直井水泥环在各种应力状态下的变形破坏特征,揭示了水泥环力学特性对其水力胶结失效的影响规律,发现较高的内压下,在水平最小地应力方位水泥环内壁有进入塑性的可能性;在45°方位上水泥环内壁有发生剪切滑移破坏,造成水力胶结失效的可能性;但是水泥环产生拉伸破坏的可能性较小;所以水泥环内壁是危险面,为了防止水泥环失效,水泥环应该具有低模量,高强度和高泊松比的特性。

页岩气水平井压裂过程水泥环力学特性评价研究

针对页岩气水平井大规模体积压裂过程中,套管-水泥环组合系统在外部载荷作用下产生破坏而引发的井筒完整性问题,采用弹性力学和复变函数方法,建立了该组合系统的力学特性分析模型,分别以Von-Mises屈服准则和Drucker-Prager岩土屈服条件作为套管和水泥环的屈服判据,对页岩气井压裂过程组合系统的薄弱环节进行了分析;在此基础上,对井筒完整性进行了参数评价和敏感性讨论。计算结果表明:页岩气井压裂过程中,水泥环比套管更易屈服,从而引发井筒完整性问题;套管壁厚和水泥环泊松比越大,井筒越安全;低弹性模量的水泥环,对井筒完整性有利;水泥环厚度存在最优值使井筒最安全;需要根据井筒完整性和压裂施工效果,综合确定压裂施工压力。

多随机因素作用下储气库套管运行期安全性分析

套管是地下储气库运行过程中的薄弱环节,各随机因素的变化会对套管系统安全性产生较大的影响。以三维套管-水泥环-围岩系统为研究对象,考虑几何尺寸、荷载、材料特性等多因素的随机特性,基于蒙特卡罗法对储气库运行期套管系统的失效概率及敏感性因素进行分析,通过与地质模型试验结果进行对比,验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明,各随机因素对套管系统可靠性的影响程度不同,其中套管厚度、套管内径、工作内压、水泥环厚度为高敏感性因素,且各因素的影响效果不同,在工程中可采取不同措施提高系统可靠性;采气阶段,根据储气库腔体应力状态和体积变形规律确定的最大采气降压速率不会影响套管系统的安全性。

非均匀地应力场中套管井井周应力分布及影响因素研究

用解析方法对非均匀地应力场中的套管-水泥环-地层应力分布进行了分析,并编制相应计算程序,来分析套管井周围径向、周向应力的分布规律,并依此研究了套管内径、套管壁厚、水泥环壁厚、水泥环弹性模量对套管所受径向、周向应力的影响规律。研究结果表明套管-水泥环-地层系统中各界面上的周向、径向应力均呈椭圆图形分布,且各界面周向应力以及套管与水泥环接触面径向应力的长轴均指向最小主压应力方向;套管外壁周向应力随着水泥环弹性模量的减小、套管内径的增大、套管壁厚的减小、水泥环壁厚的减小而逐渐增大;套管径向应力,随着水泥环弹性模量的减小、水泥环壁厚的减小、套管内径的减小、套管壁厚的增大而逐渐增大;影响套管周向应力的主要因素是水泥环的弹性模量和套管内径,影响套管径向应力的主要因素是水泥环的弹性模量和套管壁厚。分析认为适当提高水泥环的弹性模量、减小套管内径、增加套管壁厚,可减小套管应力,提高套管井抗挤强度。研究成果对优化套管完井设计、避免套管变形损坏、指导套管井的各种井下作业措施均具有重要的指导意义。