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。

深层气井水泥环局部缺失对套管外载影响规律分析

深层气井长封固段固井质量不佳易引发水泥环局部缺失,导致套管使用寿命下降。对此,通过建立有限元模型分析了水泥环力学参数、缺失角度、缺失厚度及套管内压力对套管力学完整性的影响。结果显示,当前工程参数条件下,水泥环缺失后套管等效应力最大值出现在套管内壁,套管最大等效应力随水泥环弹性模量的增大而减小;当水泥环弹性模量小于一定值时,水泥环缺失处套管内壁最大等效应力超过套管设计安全应力;套管应力随泊松比的变化规律与弹性模量的变化规律相反,但相对影响较小。随水泥环缺失角度的增加,套管内外壁应力先增加后减小,在水泥环缺失角度为45°时,套管内壁应力最大,超过45°套管应力有所降低,但易造成后期“偏心”。套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着井筒内压力的增加,水泥环缺失处套管内外壁应力均为先减小后增加,且内压力超过一定数值后,套管最大等效应力由内壁转移至外壁。所得结论可为深层气井长封固段固井提供有益参考。

水泥环缺失对套管损坏的影响分析

由于水泥环缺失对套管影响的解析求解较为困难,本文采用有限元数值方法,对均匀、非均匀地应力条件下热采和非热采两种情况时水泥环缺失对套管受力的影响进行研究,得出了不同水泥环缺失角度时套管上的应力变化规律。

水泥环缺失对水平井套管强度安全性影响分析

在水平井固井过程中,常常发生水泥环缺失,影响套管的强度安全性。为此,综合考虑水泥环缺失位置、缺失厚度与环向缺失角度,利用有限元分析方法,建立了水平井套管-水泥环-地层力学分析模型,考虑套管内压与非均匀地应力的作用,模拟水平井中水泥环缺失段套管的应力分布情况,着重分析了第一胶结面和第二胶结面水泥环缺失厚度对套管强度安全性的影响。分析结果表明:水泥环第一胶结面缺失对套管的应力分布影响较大,缺失比存在一个临界值,若缺失厚度大于该临界值,套管的应力将发生突变;水泥环第二胶结面缺失时,套管应力随缺失厚度增大而逐渐增大,没有应力突变;套管应力极值点位置随着水泥环环向缺失角度的变化而变化,环向缺失角度为60°时,套管的应力极值最大。所得结论可为水平井固井过程中套管的强度判断提供依据。

水泥环环状缺失套损机理及防控措施

固井质量差,后续作业使油气井某处水泥环小段缺损,致使套管与水泥环之间出现间隙而使套管受力变化,造成套损。基于大港油田枣南东油田现场资料及弹塑性力学原理,建立了套管-缺失水泥环-地层对称有限元模型,研究水泥环全部缺失不同高度、缺失后套管与水泥环间隙大小及不同内压对套管受力的影响,从而研究水泥环全部缺失套损的防控措施。研究表明:在水泥环完好与水泥环缺失部分交界面套管出现最大应力,在水泥环缺失段出现较大应力,且处于稳值高应力状态;此外,内压越高,在环状缺失段,套管的最大应力越大;不同的水泥环缺失高度,在缺失段应力均相等,而不同的第一界面间隙对套管受力影响小;且研究发现仅增加壁厚,不能有效防控水泥环缺失段套损,增加钢级为有效方法。通过以上分析研究对水泥环全部缺失防控套损的研究提供有益借鉴。

水泥环缺失套管安全系数计算及规格优选

长庆马岭油田水力压裂过程中套管变形问题频繁发生。针对该问题,考虑直井段地层力学特性变化、直井段套管内压变化,建立了水泥环环状缺失套管应力计算模型,分析了缺失位置套管应力以及安全系数随井深变化规律,研究了套管内压对于套管安全系数的影响规律,计算了不同钢级、壁厚套管的极限井深。研究结果表明:水泥环环状缺失导致套管应力显著增加,最大应力处出现在水泥环完整和缺失界面位置;随着井口压力的不断增加或井深的不断增加,缺失处套管应力不断增加,安全系数不断降低。提升套管钢级和降低径厚比都有利于套管安全系数的提升,保持合理的内压是防控水泥环缺失段套管变形的有效防范措施,最终形成了一种水泥环环状缺失时套管规格优选方法。研究结果可为马岭油田套管钢级和壁厚的优选提供依据。

水泥环向非均匀胶结时套管井井孔声场数值仿真试验

随着我国油气勘探开发逐渐向深水、深地以及深海等复杂测井环境拓展,高温高压等特殊的井下条件给油田固井造成了很大的困难,水泥浆和地层压力之间较窄的压力窗口,使得固井水泥浆凝固过程中地层流体易侵入水泥浆形成窜槽,造成水泥环向胶结不均匀,研究此情况下的测井响应对可靠评价固井质量至关重要。通过三维交错网格高阶有限差分方法数值模拟和实验室测量研究了CBL/VDL(cement bonding log(声波幅度测井),variable density log(声波变密度测井))和扇区水泥胶结测井SBT(segment bond tool)在水泥环向胶结非均匀时的响应特征。数值计算和实验室测量结果都表明,对高密度水泥浆,随着环向水泥缺失程度越来越大,CBL/VDL套管波相对幅度逐渐增大,但在环向水泥缺失角度小于90°时,套管波相对幅度的增强不明显;扇区水泥胶结测井SBT对测量源距范围内的水泥缺失比较敏感,套管波幅度基本随着水泥缺失面积的增加呈线性增加,即SBT对环向较小区域的水泥缺失更敏感,分辨率更高。该研究通过定量描述扇区水泥缺失率与套管波相对幅度的关系,可提高现场对水泥胶结评价结果的认识。

温-压作用下水泥环缺陷对套管应力的影响

在页岩气水平井多级分段压裂施工中,由于压裂段固井质量较差,当井筒温度和压力急剧变化时,套管失效风险会大大增加。在现场完井和压裂施工数据基础之上,综合考虑压裂压力和井底温度变化,建立了不同水泥环形态的套管-水泥-地层组合体模型,研究压裂过程中水泥环缺失、压裂压力和温度变化对套管应力的影响。计算结果表明:压裂施工中,当以大排量向井筒内泵入压裂液时,井底温度显著降低;如果施工压力较大、水泥环出现窜槽缺失,则套管会产生应力集中,这将急剧增加套管应力,大大增加套管失效风险。固井质量对井筒完整性至关重要,同时必须将压裂液温度、排量和施工压力控制在合理范围,从而保证压裂过程中套管的安全。

油井热采水泥环内套管承载应力预测研究

热采井在蒸汽吞吐生产的过程中,水泥环缺陷的出现会引起套管应力集中以及承载能力下降等一系列不良影响。由于井下工况的复杂性,有能仿真套管在井眼中受力的真实状况,从而无法对套管承载应力分布进行优化来减少套管损坏。针对以上问题建立了不同水泥环缺失程度下的套管-水泥环-地层耦合的平面弹性应变模型,并借助有限元软件ANSYS进行求解,分析发现套管的最大变形或主要变形都出现在水泥环缺失的位置,说明水泥环的缺失会直接导致套管应力的集中。热应力导致的套损主要发生在注汽阶段,在整个注汽和焖井过程中,套管的变形起伏较大,为交变变化过程,套管可能发生低应力水平下的热应力疲劳破坏,也是热采井套管损坏的主要原因,通过以上分析能为热采井套管损坏的研究提供有益借鉴。

水泥环对套管抗内压强度的影响研究

通过有限元模拟,计算分析了水泥环对套管的抗内压强度影响。得出有水泥环保护下,磨损套管的剩余抗内压强度变化规律。同时,对水泥环缺失条件下进行有限元计算。分析水泥环缺失一定角度时对套管抗内压强度的影响,得出水泥环在缺失不同角度时套管剩余抗内压强度的变化规律。通过分析发现水泥环缺失一定角度产生应力的集中,套管抗内压强度会比无水泥环保护时更低,若此时套管同时发生磨损,对套管强度和井控安全影响巨大。

超声波检测套管井水泥环缺陷仿真模拟

针对固井过程中由于顶替效率过低、气窜等原因造成水泥环局部缺失的现象,基于超声脉冲反射原理,运用有限元方法建立不同大小、不同方位的水泥环缺失模型,数值模拟了超声波在套管井多层介质中的传播规律。通过提取回波首波幅度、首波的接收时间,对回波进行频谱分析,对比了胶结良好和水泥环缺失两种情况下的时域特征和频域特征。在研究不同方位缺失影响时,引入了缺陷敏感频率,发现在一定激发频率下,有缺陷的位置上敏感频率会出现极大值,不同方位的缺陷有不同的敏感频率,而且区别较为显著,以此可以判断缺失方位。

八扇区水泥胶结测井沟槽宽度数值模拟及计算方法

扇区水泥胶结测井可测量分扇区声幅、定性指示沟槽,有效判别水泥环沟槽大小和分布。为了计算水泥环沟槽宽度,建立固结水泥套管井声场模型和声场波动方程,采用三维有限元数值模拟方法,考虑探头、套管、井眼、水泥环的实际尺寸和形状结构的影响,模拟不同水泥环沟槽宽度的声幅、声波变密度和八扇区水泥胶结测井的测井响应,分析水泥环沟槽宽度变化的水泥胶结测井响应规律,推导水泥环沟槽宽度与套管波衰减系数之间的线性关系式,使用水泥环扇区缺失不同角度的理论数据和不同胶结率刻度井数据,检验沟槽宽度计算方法。结果表明:声幅、声波变密度和八扇区水泥胶结测井套管波首波相对幅度随沟槽宽度增加而增大,套管波首波相对幅度对数平均值与沟槽宽度之间存在较好的线性关系;水泥环沟槽宽度计算方法正确且实用,八扇区水泥胶结测井计算的沟槽宽度精度最高,可定量评价环向宽度大于45°的水泥环沟槽,并准确识别纵向厚度大于0.4 m的水平层状未胶结层段。该结果为扇区声幅型水泥胶结测井沟槽宽度定量评价提供参考。

页岩气水平井固井质量对套管损坏的影响

四川盆地西南部长宁—威远国家级页岩气示范区采用水平井方式开发页岩气藏,部分井由于套管损坏导致压裂过程中不能顺利下入桥塞、连续油管不能顺利钻磨桥塞等问题,甚至部分井段被迫放弃压裂作业,直接影响了气井产量的提高。为此,以WH1井为例,在分析该井压裂过程中套管损坏问题的基础上,认识到固井质量差是该井套管损坏的主要原因。然后,应用ABAQUS有限元软件,结合现场实际参数建立模型,对水泥环窜槽缺失、套管偏心和井径变化等3种固井质量差的形式,进行了数值计算,得出了固井质量对套管应力的影响规律:①水泥环缺失时会在套管内壁上产生较严重的应力集中,且套管应力随缺失角度的增加而增加;②套管偏心和水泥环缺失同时作用会极大增加套管应力,甚至达到套管屈服值;③井径变化对套管应力影响较小。该研究成果可对今后页岩气开发提供有益的指导作用。

致密气藏储层开发过程中套管应力分布影响规律研究

目前各大油田套损现象严重,研究套管受力非常迫切。利用离散元与有限元分析方法,建立了套管—水泥环—地层组合体系模型,模拟裂缝密度、裂缝夹角、水泥环缺失厚度、多缺口夹角、套管偏心下水泥环厚度及其弹性模量、断层滑移对套管的应力分布影响情况。结果表明,套管应力随着裂缝密度的增加呈现增大的趋势,套管应力随着次级裂缝与主裂缝间夹角的增大呈现增大的趋势;套管应力随着地应力差值的增加呈现不断变大的趋势,当地应力差值相同时,随着水泥环单缺口缺失厚度增加,套管越容易发生损坏,水泥环双缺口夹角为60°及三缺口夹角75°时,套管应力值最大。当套管存在偏心,偏心率为0.037、0.074、0.111时,随着水泥环厚度的增加,套管应力呈现不断变大的趋势;当偏心率为0.148时,套管应力随着水泥环厚度增加而减小,水泥环对套管保护能力随其弹性模量的增大而增强。套管应力随着断层滑移的增大而增大,而增速在不断放缓。

水泥胶结局部缺失声波变密度测井响应计算

声波变密度测井是目前水泥胶结质量检测的重要手段.针对声波变密度测井解释中水泥环局部缺失程度评价这一难点,以井孔声波波动理论为基础,采用柱状多层局部扇形非对称介质模型,开展三维应力-速度有限差分数值模拟方法研究,实现了水泥环不同角度缺失情况下的声波响应计算.针对大庆油田广泛使用的声波变密度仪器,针对水泥环19种角度缺失情况进行计算,并建立了缺失角度与水泥胶结指数关系式.计算结果可以为实际生产中水泥环局部缺失程度的定量评价提供指导.

LH-CDT伽马密度测井仪在工程测井应用

文章描述LH-CDT伽马密度测井仪的原理,在实际使用中结合声波变密度测井资料的(CBL)处理结果进行综合评价,可以准确确定套管—水泥环—地层的微间隙、微环胶结;水泥环孔道、空洞和水泥缺失等现象,为寻找油井中的油层窜槽等提供最好的检测手段。它可以弥补CBL测井的不足,在微观上进一步解释声波变密度测井无法提供的信息可以测量套管外介质的平均密度和最大密度以及套管相对井壁的偏心率套管平均壁厚,测量套管节箍和套管扶正器的位置。

固井质量对页岩气井水平井段套管失效的影响

开采页岩气所使用的套管受力复杂,当固井质量不合格时,容易在套管上产生较大的应力集中,从而导致其变形失效。目前,专门分析固井质量对水平段套管损坏影响的研究还比较少,对压裂工程中造成套管损坏的研究则更少见。鉴于此,应用ANSYS有限元软件,根据实际页岩气井的参数和工况建立模型,对水泥环的缺失和偏心两种固井质量差的形式进行了数值分析计算,得到套管的Mises等效应力分布情况和套管应力受影响的规律。研究结果表明:水泥环缺失会在套管的内表面上产生较大的应力集中,套管应力会随着缺失角的增大而增大;水泥环缺失发生在水泥环变形最大位置时,缺失对套管应力增加的影响更大;水泥环偏心距越大,套管上的应力越大。研究成果可为页岩气的现场开采提供有益指导。

水平井固井质量对套管变形影响分析

针对某井区深井X-1h井中出现的套管变形损坏问题,对比分析了压裂段固井质量与套损位置关系,基于现场数据,建立了套管-水泥环-地层力学耦合模型,分析了套管-水泥环界面胶结失效后形成微间隙的大小、水泥环破坏后的缺失角度以及水泥环缺失方位对套管应力和变形失效的影响。研究结果显示:固井质量不佳对套管的应力及变形失效有显著影响;套管-水泥环界面过大的微间隙会由于套管在内压作用下的鼓胀效应而放大内压的作用;当水泥环缺失角度在45°~60°区间时,套管Mises应力最大,超过套管材料最小屈服强度;当水泥环缺失方位与井周最小主应力方向一致时,套管应力集中最明显,略大于套管材料的最小屈服强度,套管局部发生塑性变形失效。研究结果可为现场固井作业施工提供一定的指导。

水泥密度与变密度测井技术在固井质量检测中的试验

目前国内外主要使用声波测井方法检测油、气、水井固井质量,声波变密度测井属于声波测井方法的一种,它只对套管与水泥环的胶界面、水泥环与地层的胶结面敏感,但是对水泥环自身的固结状况不敏感,不能准确地检测水泥环的固结质量,造成对固井质量检测的不全面。水泥密度测井可以检测水泥环的密度和套管的技术状况,它可以对声波变密度测井进行补充检测,从水泥环本身的固结质量方面进一步解释固井质量中存在的微间隙、沟槽、水泥缺失等工程问题。两种仪器组合测井可以提高测井效率、固井质量检测准确率,更容易寻找油、气、水层的窜槽。