交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响

水泥环缺陷可能诱导储气库井储层段套管在循环注采条件下发生失效。为了揭示水泥环缺陷对储气库井储层段套管完整性的影响,基于弹性力学理论,在储气库井极限压力条件下,考虑循环注采引起的井筒交变热载荷,建立了“套管-含缺陷水泥环-地层”有限元模型。结合中国北部某储气库井作业工况,分别研究在注气(压力50 MPa、温度30℃)和采气(压力28 MPa、温度160℃)条件下,水泥环缺陷形态及其几何参数对储气库井套管应力分布状态的影响规律。结果表明:水泥环点蚀缺陷的环向开度、轴向长度及纵向裂纹的环向开度对套管安全性影响明显;横向剪切错断和微环隙导致套管安全性明显降低,在高温采气生产时套管最大应力接近P110的屈服强度;储气库井注采周期中,下限压力因温度和围压的影响对储层段套管安全性影响更明显,危及储气库井注采过程的安全运行。研究结果可为由生产井改建、新建储气库井储层段套管的完整性提供判断依据。

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。

固井水泥环缺陷与套管承载能力关系研究

固井是油水井生产之前的一项重要工序,固井质量的好坏对井的使用寿命有着直接的影响。建立了水泥环缺少30°、60°、90°等角度的井筒平面应变有限元模型,并对固井水泥环缺陷引起的套管应力变化进行了仿真模拟分析,进而明确了水泥环缺陷程度与套管承载能力的关系。

套管磨损与水泥环缺陷位置对套管应力的影响

以APDL为开发工具建立有限元模型,系统研究了非均匀地应力场中套管内壁磨损位置与水泥环缺陷位置对套管应力的影响规律。以塔里木油田迪娜2井5000m井深处为实例进行分析,结果表明,在一定磨损程度下,套管内最大等效应力总是在最大地应力方位取得最小值,在最小地应力方位取得最大值,工程中假设磨损位置在最小地应力方位是偏于安全的;水泥环缺陷明显改变了套管应力的分布规律,当套管磨损位置与水泥环缺陷位置角度相等时,套管内的应力最大,为最危险工况。

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。

体积压裂过程套管力学行为研究

页岩气体积压裂时,关于固井质量对套管应力的影响分析主要基于传统建模方法,计算时无法考虑水泥浆失重及地层性质变化对套管的影响。鉴于此,基于分步有限元方法,考虑井筒组合体的初始应力应变,建立了温度和压力耦合条件下水泥环含多重工程缺陷的井筒组合体开挖扰动力学模型,对压裂过程中极端工况下的套管力学行为进行了分析。研究结果表明:当水泥环存在结构缺陷时,套管偏心和水泥环缺失单独存在时对套管应力的影响较大,而井筒内温度变化则削弱了水泥环结构缺陷对套管应力的影响;压裂过程中储层性质的降低以及水泥环缺失的综合作用极易导致套管发生变形破坏;极端工况下,水泥环弹性模量对套管应力的改善作用较小,而套管壁厚的增加能明显改善该情况下套管的应力状态。研究结果可为页岩气开发提供理论指导。

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。

水泥环缺陷对套管强度安全性的影响分析

固井过程中造成的水泥环缺陷是不可避免的,并会对套管强度安全性产生影响.考虑水泥环在实际工程中的缺失形态,从缺失环向开度、缺失厚度以及缺失位置等角度综合考虑,利用有限元数值计算方法,建立套管-含缺陷水泥环-地层模型.考虑套管服役时内压和非均匀地应力的作用,对水泥环缺失部位套管应力进行模拟,重点讨论不同环向开度缺失的水泥环对套管应力的影响规律以及不同位置和厚度缺陷的水泥环对套管应力的影响规律.分析表明:套管在水泥环缺口处的应力分布情况根据环向开度大小分为两种情形,即环向开度小的应力集中在缺口中心位置,环向开度大的应力集中在缺口边缘位置;水泥环缺失环向开度为65°时套管应力值可达到最大;水泥环内壁缺失厚度变化对套管上的应力波动影响较小,外壁缺失厚度变化对套管上的应力波动影响较大.本算例中套管应力最大值在水泥环内壁缺失时比在外壁缺失时高13%,说明套管应力极值受水泥环内壁缺失时影响较大.上述结论可为固井过程中判断套管强度安全提供依据.