固井水泥环对提高套管抗外挤能力的影响研究

针对固井水泥环对提高套管抗外挤能力的影响问题,本次研究首先对套管抗外挤能力的重要性及固井水泥环的作用进行简单分析,在此基础上,开展固井水泥环对提高套管抗外挤能力的影响研究,并提出提高套管抗外挤能力的措施,为防止在钻井或生产中出现套管损坏问题奠定基础。研究表明:水泥石的抗拉强度、抗压强度以及硬度是直接影响套管抗外挤能力的关键因素,水泥环的厚度在固井过程中对套管抗外挤能力有显著影响,因为水泥环的厚度直接影响其在井内受力的分布和传递,较好的套管居中度能够确保外部挤压力均匀分布在套管周围的水泥环上,这有助于减少局部应力集中,提高整体的抗外挤能力,通过合理选择和配置水泥浆体系,可以大幅提升固井作业质量。

现场工况条件下含点蚀缺陷套管抗外挤强度分析

套管一旦发生点蚀,其表面可能出现孔洞,甚至穿孔现象,这严重削弱了套管的剩余强度,对井场的生产和安全构成了重大威胁。为了评估点蚀后套管的抗外挤强度,提出了一种模拟现场工况对套管抗外挤强度进行分析的方法。首先模拟现场工况下压力和温度条件,严格配比井下腐蚀液体作为介质对套管全尺寸试样和挂片样件进行腐蚀;然后对腐蚀后套管进行抗外挤试验,测量出其被挤毁时的失效压力;接着观察腐蚀后挂片的表面点蚀规律,并计算和测出其平均腐蚀速率、最大点蚀深度和点蚀密度,为有限元分析提供数据支撑;最后使用ABAQUS对不同条件下套管的抗外挤强度进行分析。结果表明:在一定温度和压力范围内,温度和压力越高,套管失效压力越高;平均腐蚀速率、最大点蚀深度和点蚀密度随温度和压力升高而增大,其中平均腐蚀速率增长率为112.5%,增长最为显著;套管的抗外挤强度随腐蚀时间增长而降低;点蚀密度会影响套管的应力分布情况和承载能力。

射孔参数对射孔段套管抗外挤强度影响分析

射孔后管体出现孔眼,破坏了管柱面的连续性,导致孔眼附近应力集中,大大了降低射孔段套管抗外挤强度,进而影响套管的安全性。本文采用ANSYS软件对射孔段套管抗外挤强度进行分析,定义了剩余抗外挤强度系数,并讨论了相位角、孔径和孔密等射孔参数对射孔段套管抗外挤强度的影响。得出如下结论:射孔后套管抗外挤强度显著降低;当射孔相位角为90°时,射孔套管抗外挤强度较其它射孔相位角时大,射孔对套管抗外挤作用削弱最小;射孔弹尺寸越大,射孔段套管剩余抗外挤强度越小;随着孔密的增大,套管抗外挤强度不断降低。

射孔套管抗外挤剩余强度系数计算与拟合

在石油开采过程中,射孔段套管的损坏占套损井的60%以上,其中外挤载荷是引起套损的主要原因。通过有限元方法计算不同相位角、不同射孔间距和不同射孔直径的挤毁压力和相应的射孔套管抗外挤剩余强度系数,并将这些数据按不同相位角拟合成射孔间距和射孔直径的函数。对拟合结果的验证表明,绝大部分有限元计算数据与拟合计算数据之间的差异小于1%,仅个别误差在2%左右。拟合的多项式函数可以方便地用于射孔套管的抗外挤剩余强度计算。

重复射孔套管抗外挤强度分析

随着射孔技术和射孔工艺的进步,射孔穿深不断增加,应用原射孔技术无法获得工业油气流的储层可通过重复射孔获得再生。为了解重复射孔套管抗外挤强度安全性,为生产过程中套管安全控制提供关键参数,以常用51/2in×9.17mm的P110套管为例,采用16孔/m、90°相位角、10mm孔径射孔,应用ANSYS分析软件建立重复射孔套管有限元模型,用强化的Mises屈服准则为套管模型分配材料属性,应用映射法划分网格,在射孔边缘10倍细化网格,并进行了网格无关性测试。考虑重复射孔孔眼和原射孔孔眼沿轴向、沿螺旋线、沿周向相切3种不利分布,分析外压作用下重复射孔套管的抗外挤剩余强度。结果表明,3种不利分布重复射孔套管强度平均降低约11.43%,重复射孔孔眼和原射孔孔眼环向相切为最不利分布,强度降低16.35%;孔眼轴向两端应力明显大于孔眼环向两端应力。

非均匀载荷套管抗外挤能力分析

目前非均匀载荷引起的套管损坏现象越来越严重,在套管强度设计中就有必要考虑这些因素的影响。针对套管在非均匀载荷时的受力特点,建立了理想圆管非均布载荷作用下的内力计算模型,利用能量法原理,推导出了套管屈曲时抗挤强度计算的新公式,并对影响套管承载能力的两个敏感性参数进行了讨论分析。结果分析表明,外载荷的非均匀度是影响套管抗外挤能力的主要因素,套管的径厚比在外载荷非均匀度较小时对套管承载能力有较大的影响,当外载荷的非均匀度较大时,径厚比对套管承载能力的影响很小。

射孔枪抗外挤强度的影响因素分析

射孔枪抗外挤强度是射孔器材设计厂家及用户关心的关键问题之一,应用SolidWorks软件建立射孔枪三维模型,再将其导入ANSYS有限元分析软件,建立了射孔枪三维有限元分析模型,考察了射孔枪抗外挤强度的影响因素及其影响规律。研究结果表明:抗外挤强度随孔密和孔眼直径的增加而减小,在其他条件相同的情况下,孔密为24孔/m射孔枪抗外挤强度比8孔/m时减小约8. 71%;30°、45°、60°、90°、120°及180°等常用螺旋布孔相位角中,相位角为60°时射孔枪的抗外挤强度最高;盲孔深度对抗外挤强度的影响最大,随盲孔深度的增加,射孔枪抗外挤强度急剧减小;若同轴度和圆柱度公差大于1 mm,射孔枪抗外挤强度降低较多;随着入井温度的升高和轴向拉力的增大,射孔枪的抗外挤强度也会有所降低。研究结果可为研制新型射孔枪提供理论依据。

膨胀管抗外挤强度试验研究

膨胀管膨胀后其抗外挤能力降低是制约膨胀管技术发展的重要因素。通过试验模拟实体膨胀管膨胀时的力学环境,分析了管材壁厚及残余应力在塑性膨胀过程中的变化规律。结果表明:膨胀管大塑性变形会导致壁厚减少,壁厚不均匀程度放大,并产生残余应力;膨胀管内表面产生拉应力,外表面产生压应力,应力差值在薄壁端最大,薄壁端也是膨胀管在外压作用下的屈服点;在膨胀管变形过程中薄壁端的变形速率高于厚壁端的变形速率,产生的残余应力与实测值基本相符,说明膨胀管原始壁厚的不均匀变形是残余应力增加、抗外挤能力降低的主要因素。

非均匀椭圆载荷下套管抗外挤能力分析

目前大多数油井套管的损坏很大程度上是由非均匀载荷引起的,外载荷的非均匀性等因素大大降低了套管的承载能力,为此,揭示这些因素对套管抗挤能力的影响具有重要的实际意义。根据非均匀椭圆载荷作用下套管的受力特点,利用材料力学理论建立了理想套管的环向应力计算模型,分析了套管的应力分布规律,结果表明:套管承载的危险点为圆周方向与最大水平地应力成90°夹角的内壁上,与有限元数值模拟结果有着很好的一致性。并以危险点应力状态为依据,得到了套管在不同的非均匀载荷下的等效外挤压力计算的新公式。计算结果表明,椭圆载荷中的非均匀部分对套管等效外挤压力影响极大;外载荷非均匀度越大,径厚比越大,套管承受外挤载荷能力越差,越容易发生挤毁失效。

膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素分析

为了找出影响膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素,通过ABAQUS有限元软件对波纹管的抗外挤强度进行模拟,研究了波纹管的不圆度、波纹管的壁厚、井筒直径等对波纹管抗外挤强度的影响。结果表明,不圆度和壁厚对膨胀后波纹管抗外挤强度的影响较大,随着波纹管不圆度的减小,波纹管的抗外挤强度迅速的增大,壁厚越大波纹管的抗外挤强度也越大;另外,增大波纹管应用的井筒直径可以有效的提高波纹管的膨胀性能,降低波纹管膨胀后的不圆度,但是大尺寸的井筒直径降低了波纹管膨胀后的抗外挤强度。

双层组合套管抗外挤强度影响因素研究

以外层套管为φ339.72 mm×13.06 mm P110和内层套管φ244.48 mm×11.99 mm TLM140、中间环空为水泥环的双层组合套管为研究对象,通过有限元模拟方法研究了水泥弹性模量及不同固井工况因素如水泥环偏心、水泥环缺失、混浆流动和水泥环破碎分布对双层组合套管的抗外挤强度性影响规律。模拟计算结果表明,双层组合套管的抗外挤强度比单内层套管的抗外挤强度提高了167.3%,为单内层套管抗外挤强度的2.673倍;双层组合套管的抗外挤强度与水泥环的弹性模量为非线性关系,双层组合套管的抗外挤强度在水泥环的弹性模量在0~2GPa时增加迅速,水泥环的弹性模量为2~36 GPa时增加较缓慢;双层组合套管抗外挤强度影响最大的固井工况因素为水泥环缺失,最大下降率为71.55%;其次为混浆流动、水泥环破碎工况因素,下降率为33.72%;水泥环偏心因素影响最小,下降率为5.26%。

地质管材抗外挤问题的探讨

系统地探讨了地质管材的抗外挤问题及抗挤强度的计算，并列出了一系列计算表格，供野外队参考使用。

API套管抗外挤强度在弯曲井眼中适用情况的ANSYS分析

套管柱在井眼曲率较大的情况下讲产生较大的弯曲应力,弯曲应力在套管外侧产生较大的附加拉应力,API套管抗外挤强度计算没有考虑弯曲的工况,本文利用ANSYS计算出弯曲对套管抗外挤强度的影响,得出API套管抗外挤强度计算的适应情况。对于指导套管在弯曲井眼中的抗外挤强度设计具有重要指导意义。弯曲套管的最大应力随着井眼曲率的增加而增加。弯曲率超过45°/hm时,AP套管抗外挤强度已经不合适用,在井眼曲率较小的情况下,API套管抗外挤强度基本能满足应用需求。

用ANSYS计算弯曲井眼情况下套管的抗外挤强度

现代钻井技术中,大位移井和水平井的数量逐年增加,因此在钻井技术中不可避免地出现弯曲井段。弯曲井眼中将产生较大的弯曲应力,此弯曲应力在套管壁的外侧产生较大的拉应力,降低套管的抗外挤强度。为了研究套管在弯曲条件下的受力模型,本文采用ANSYS建立了套管在不同井眼曲率下的计算模型,采用ANSYS软件在不同曲率条件下进行试算,可以方便的得出在不同曲率下的套管抗外挤强度。计算表明,随着弯曲率的增加,套管的抗外挤强度逐渐下降,并且在不同曲率条件下变化率不同,在30°/100m以前变化较为缓慢,在30°-45°/100m以后变化开始增大,并且套管越大,曲率变化对套管的抗外挤强度影响越大。

石油现场射孔枪抗外挤强度的影响因素分析及试验

利用ANSYS有限元软件分析了射孔参数、盲孔结构、盲孔深度、温度、轴向载荷等因素对抗外挤强度的影响。结果表明:射孔枪抗外挤强度随着孔密的增加呈下降趋势,最佳值为20孔/米;随着孔径的增加,抗外挤强度逐渐减少,最优取值为10mm;随着相位角的增加,抗外挤强度呈现先减小后增加的趋势,最优选取90°;等深盲孔比不等深盲孔更能提高抗外挤强度;随着盲孔深度的增加,抗外挤强度下降,建议将盲孔深度控制在(4±0.5)mm;抗外挤强度随温度的升高而下降;抗外挤强度随轴向载荷的增加呈线性下降趋势。同时进行最高试验压力为210 MPa和260 MPa的压力试验,满足设计要求,为提高射孔枪抗外挤强度提供依据。

膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素分析

为了研究膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素,使用ABAQUS有限元软件模拟了波纹管抗外挤强度,以确定波纹管的圆度,波纹管壁厚和孔直径的影响,波纹管抗外挤强度的作用。结果表明,圆度和壁厚对波纹管膨胀后的抗推强度有重要影响。当波纹管的圆度减小时,波纹管的抗外挤强度急剧增加并且壁厚增加,波纹管的抗外挤强度也增加了。另外,增加波纹管所使用的孔的直径有效地改善了波纹管的膨胀性能并减小了膨胀后波纹管的圆度,但是孔的直径越大,波形越小,降低了胀管后的抗外挤强度。

弯曲井眼中套管抗挤强度计算

目前弯曲井眼中套管抗挤强度计算时没有考虑井眼弯曲的影响,无法确保固完井作业及生产过程中套管的安全。为此,根据弹性力学理论建立了井眼曲率和不均匀外挤力综合影响下的套管抗外挤强度公式。直接建立三维的套管模型,模型长度取10倍的套管外径,在套管的一端施加约束,另一端加弯矩来模拟井眼的弯曲。计算结果表明,在井眼曲率较大时,弯曲井眼中大尺寸厚壁套管抗外挤强度下降较为明显;理论计算的抗外挤强度通常小于模拟值,按照理论设计的套管是偏安全的,但不均匀度较大时需考虑模型计算的误差是否满足要求。

非均匀载荷和内压作用下石油套管的抗挤能力分析

油井套管往往处于管内外复杂的受力环境下,揭示和分析这些因素对套管抗挤能力的影响就显得非常重要,并可为套管强度设计提供理论依据。根据套管在受到外部非均匀载荷和内压作用下的受力特点和材料力学理论,建立了单位长度的理想圆管的环向应力的计算模型,得到了套管内外壁的环向应力分布规律。计算结果表明:套管发生破坏失效位置在圆周方向与最大水平地应力成90°角的内壁上。依据Von Mises屈服准则由失效点得到了非均匀外挤载荷和内压作用下套管屈曲时抗外挤能力的新公式。实例计算表明:在影响套管的抗挤能力的因素中,外载荷的非均匀系数对套管抗外挤能力影响最大,外载荷的非均匀系数越大,套管抗外挤能力下降得越快;在外载荷非均匀性较小的条件下,提高套管外载荷承载能力可通过增大内压和减小套管径厚比来实现。

多轮次蒸汽吞吐水平井套管射孔参数优选方法研究

针对多轮次蒸汽吞吐水平井在确保套管安全寿命前提下,有利实现储层产能最大化释放的套管射孔参数优选问题,开展了射孔参数对产能影响和对套管安全性影响研究,建立了水平套管井表皮因子计算模型及产能预测模型。在此基础上提出了在满足储层产能最大化释放的射孔参数范围内,结合套管安全性校核结果优选射孔参数的方法。通过该方法设计的渤海某稠油油田的射孔参数可知,该井目前已完成超3轮次蒸汽吞吐过程,产能达到配产的同时,套管处于安全服役的状态。该方法可为多轮次蒸汽吞吐水平井套管射孔参数优选提供依据。

基于套管强度校核计算结果的经济适用性分析

石油钻完井和生产过程中,下入套管是必不可少的作业阶段。套管的作用很多,其主要用于支撑井壁,保障钻完井和生产过程的正常运行,因此套管必须有承担一定压力的能力。提高套管的抗内压和抗外挤能力有两种途径,一是增加材料强度,二是增加套管壁厚。基于理论计算,对于套管抗内压强度,两种途径的强化效果是一致的。而计算结果表明,对于套管的抗外挤能力,套管的初始壁厚越大、钢级越高,强化效果就越好。实际作业中,到底如何优选套管的钢级和壁厚,可以从作业难度、腐蚀情况和经济评价三方面进行分析,所得结果对现场套管优化选材有重要的指导意义。