深水泡沫套管静水压载特性与压力控制机理

深水油气井生产测试阶段受地层高温流体的影响,会产生套管环空圈闭压力上升现象,严重威胁油气井管柱服役周期和井筒完整性。采用泡沫套管技术能有效减缓环空压力上升,保护管柱结构不受损坏,是一项经济可行的控压措施。首先通过实验测试得到了不同温度和不同微珠质量含量下的复合泡沫材料体积压缩率随静水压力的变化规律,并根据Gibson模型中的多孔材料力学行为理论,分析了泡沫套管控压过程中线弹性变形、屈服破坏和致密化压缩3个阶段的力学行为特征。同时根据弹性力学和热应力理论,结合多层圆筒受热变形原理,遵照体积相容性原则推导出密闭环空内压力增量、体积增量与温度变化之间的函数关系。针对泡沫材料体积压缩量进行分段计算处理,利用实验数据线性回归得到泡沫材料线弹性阶段和致密化阶段的压缩系数,建立了涵盖热膨胀效应和致密化效应的泡沫体积压缩计算模型。结果表明:泡沫材料的启动压力会随着温度的升高而降低,空心玻璃微珠含量越高,泡沫材料体积压缩率越大;深水井多层套管环空内压力增量、体积增量与温度变化呈线性关系,环空体积增量越大,环空压力增量越小;泡沫材料在致密化压缩阶段比线弹性压缩阶段更能有效地控制环空压力上涨幅度,计算时不可忽略;当环空压力增量达到泡沫套管启动压力时,环空内压力大幅降低,套管体积变化量减小。