非均匀载荷下厚壁套管抗挤强度分析

非均匀地应力下套管柱强度设计须考虑非均匀载荷对其强度的影响,对此国内外众多学者进行了大量研究,并取得许多有益成果。但这些研究主要以径向的非均匀外载为边界载荷,没有考虑套管外壁受非均匀剪切力的作用;其次,对非均匀载荷下套管磨损、残余应力、不圆度和壁厚不均度等缺陷的影响未作考虑。为此,建立了厚壁套管受径向非均匀挤压和周向受非均匀剪切的力学模型,应用弹性力学逆解法进行了求解,分析了非均匀载荷下厚壁套管的应力分布规律。研究表明,非均匀载荷作用下沿最小水平地应力方向、套管的内壁是承载危险区。由此提出了非均匀载荷等效为均匀外挤载荷的方法,给出了含缺陷套管在非均匀载荷下抗挤强度的分析方法。

水泥环对套管强度影响的理论和试验研究

针对有关水泥封固质量是否对套管柱强度有帮助作用的讨论 ,采用弹性力学分析方法推导了平面应力和平面应变状态下水泥环与套管接触处的接触压力表达式 ,对水泥环分担内、外压的能力进行了计算。采用全尺寸实物试验方法对套管有无水泥环情况下的抗挤毁能力做了对比试验。分析和试验指出 ,水泥环对提高套管柱整体抗挤毁能力较之提高抗破裂能力作用更大一些 ,但封固良好的水泥环对提高套管抗挤毁能力的作用有限。如果水泥封固质量不高 ,高压介质经过短时间渗透直接作用在套管外表面 ,水泥环的卸载作用被短路 ,对提高套管抗挤强度无任何帮助 ,所以在管柱设计时不应考虑水泥环对套管强度的增强作用。

TP130TT高抗挤套管研究与应用

为了提高盐层段固井质量 ,中原油田研究开发了 TP130 TT高抗挤套管 ,性能试验评价表明 ,其抗挤强度超过 16 0 MPa,并给出了其固井质量评价标准。在中原油 346口井中的应用表明 ,该套管有效地解决了盐层段套管损坏问题 ,延长了油气水井寿命 ,经济效益和社会效益显著。

套管水泥环刚度与强度对抗挤性能影响分析

油气井固井水泥环的作用就是减小和改善套管的受力状况,延长套管的使用寿命。套管水泥环组合体在一定的外挤压力作用下,均有可能进入屈服状态或发生强度破坏,而水泥环弹性模量、泊松比及其几何参数均表现为组合体刚度对抗挤性能的影响,所以在套管抗挤性能分析中,应该同时考虑组合体刚度以及套管、水泥环的强度对组合体抗挤性能的影响。文章根据厚壁筒弹塑性力学理论,建立了组合体刚度以及套管、水泥环强度对抗挤性能影响的控制方程,揭示了套管、水泥环强度及组合体刚度对抗挤性能的影响规律,得到套管水泥环组合体抗挤性能控制图。在均匀外挤压力作用下,套管、水泥环的强度将确定组合体抗挤性能的刚度控制区,在组合体刚度控制区内,水泥环对套管抗挤强度的提高程度取决于组合体刚度控制线斜率,在套管钢级和壁厚一定条件下,提高水泥环材料弹性模量,增大组合体刚度控制线斜率,可以提高套管水泥环组合体的抗挤性能。

超高强度抗挤套管的开发

中原油田东濮凹陷地区发育相当成熟的岩层要求套管单轴抗挤强度不低于103MPa,以抵御恶劣的地质条件。为了能和上下管柱设计使用的API标准规格的Φ177.8mm×10.36mm以及Φ177.8mm×11.51mm套管方便地连接,设计了非API标准规格的Φ180mm×11.51mm套管。采用纯净钢技术制造了这种规格的BG160TT超高强度抗挤套管。试制结果表明:该套管屈服强度不低于1210MPa,冲击功不小于110J,抗挤强度不低于110MPa。该超高强度抗挤套管已在中原油田东濮凹陷地区成功下井使用。

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。

盐膏层TP140特厚壁套管抗挤特性研究

针对塔里木地区深层的盐膏层塑性流动性强,一般API套管难以满足要求的难题,以塔里木地区应用的TP140V特厚壁盐膏层套管为分析对象,建立了套管、水泥环、地层力学模型,运用有限元方法分析了特厚壁套管在非均匀载荷作用下的抗挤特性。研究表明,在相同非均匀载荷作用下,273.1mmTP140特厚壁套管较普通套管最大应力降低了36%,特厚壁套管具有更强的抵抗非均匀载荷的能力。但是随着载荷的非均匀程度升高,仍然可能导致套管损坏。因此,应该在有盐膏层的区域准确预测两向水平载荷的大小,为正确选用厚壁套管提供依据;水泥环厚度对套管抗挤性能的影响不大,故盐膏层井段的环空间隙大小均能满足固井质量要求即可。

考虑制造缺陷的套管抗挤强度计算新模型

API 5C3未考虑套管的制造工艺及缺陷对套管抗挤强度的影响,已不能准确地预测套管实际抗挤强度。API/ISO工作组针对API 5C3存在的不足,修订了现行API 5C3标准,给出了含制造缺陷的抗挤新模型,大大提高了套管强度计算的科学性。研究中发现,ISO抗挤新模型并不适合所有壁厚段套管强度的计算,为此,在研究和评价ISO新抗挤模型的基础上,提出了考虑制造缺陷的抗挤强度计算新模型。通过与ISO/TG提供的上百个实物挤毁数据对比验证,本文所给出计算式的计算精确度明显好于API 5C3挤毁公式及ISO新模型,为套管强度的设计提供了新的参考依据。

射孔对水泥环与套管性能影响的分析计算

在建立水泥环．套管射孔数学模型和有限元分析模型后，计算分析了射孔对水泥环‘套管性能的影响，得出如下结论：（1）射孔是造成套管损坏的主要原因，无水泥环固结，完好套管产生的应力是射孔套管的％；（2）射孔套管壁厚和水泥环固结状态对射孔套管性能影响较大，壁厚12．395mm射孔套管是壁厚7．720mm射孔套管抗挤强度的1．5倍以上，水泥环与套管固结良好且上下固定，可以提高套管抗挤强度；（3）生产中保持内压和外载相近，可以明显减小射孔套管应力；（4）增大水泥环弹性模量，保持水泥环弹性模量在30～35GPa之间，可以提高射孔水泥环．套管抗挤强度。

固井质量对套管柱强度安全的影响

为了深入了解固井质量对套管柱强度安全的影响,考虑固井质量较差井段环空内水泥浆在温度、压力变化时由于膨胀或压缩对套管柱产生的附加载荷,建立了固井质量影响套管柱强度安全的数学模型。实例计算表明,固井质量较差井段的套管柱所受载荷发生了明显变化。因此,在对固井后的套管柱进行强度安全分析和力学计算时,应考虑固井质量的影响。

小集油田注水开发对套管强度的影响

小集油田是由多断块组成的复杂鼻状构造,于1982年正式投入开发,在采出油气的同时,注水保持地层能量是开发的主要形式,但由于长期注水开发,且是采取污水加清水回注的方式,使套管长期处于内外浸泡之中,降低了套管强度,影响了套管使用寿命。文中通过对小集油田注水造成泥岩水化及套管腐蚀的分析,研究了长期注水对套管强度的影响幅度,为今后小集油田的注水管理及套管防腐等提供理论依据。其中,泥岩水化对小集油田套管影响最为严重,即使水泥环完整,且钢级为P110、壁厚为9.17mm的套管,当地层强度下降超过20%后,套管屈服损坏;水泥环不完整时,钢级为P110、壁厚为10.54mm的套管,当地层强度下降超过10%后,套管亦发生屈服损坏。通过对腐蚀后的P110级套管强度进行测试,发现测量的实际套管管体屈服强度只有24MPa,是P110级套管强度的45.6%,是N80级套管强度的54.3%,是J55级套管强度的69.6%。

孤东油田高压调整井固井技术

通过对孤东油田的固井技术研究 ,总结了高压调整井的固井技术措施 ,解决了高压调整井固井的技术难题。研究与应用结果表明 ,套管外封隔器可有效地防止注水泥过程中及封固后油气上窜或层间窜扰 ;早强水泥浆体系可有效地提高水泥石的早期强度 ;管外封隔器和早强水泥浆体系配合使用能够明显提高高压调整井的固井质量 。

水泥环对套管射孔后抗挤毁强度的影响

建立了未射孔套管、不带水泥环射孔套管、外裹水泥环套管的有限元分析模型,对这3种情况下套管的抗挤毁强度进行了对比分析。得出如下重要结论(1)射孔使套管抗挤毁强度显著降低,降低幅度为29%;(2)固结良好的水泥环对于加强射孔套管强度有明显作用,使射孔套管的抗挤毁强度提高188%;(3)水泥环不能抵消射孔对套管抗挤毁强度的伤害,外裹固结良好水泥环的套管,射孔后其抗挤毁强度与无孔套管相比下降156%。

水泥环套管射孔力学的有限元法分析计算

油井开发层段射孔对套管力学性能影响较大,油井开采中后期射孔套管损坏严重。建立水泥环—套管射孔模型并应用Ansys有限元软件计算分析射孔套管应力变化和套管性能,分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因。射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小。水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,可以有效减小套管产生的应力。均匀载荷下射孔套管的应力随外压的增加而增加,不同类型的套管应力变化较大。射孔套管的应力随着孔径的增加而明显增加。非均匀载荷对射孔套管影响较均匀载荷明显,套管的抗挤强度较均匀外压时明显减小。在非均匀外压较大时,应采用P110套管,以提高射孔套管的抗挤强度。

ER型套管粘砂剂的室内研究

为改善套管与灌注水泥之间的附着力，提高固井质量，需要研制粘附性能好、价格低廉的套管粘砂剂。通过室内合成和筛选，在模拟固井条件下研制了一种ＥＲ型套管粘砂剂。该粘砂剂由双酚Ａ环氧树脂（基料）、自制的高分子有机胺ＮＳＺ（固化剂）、１００目普通细砂（填料）以及正丁醇与二甲苯的复配物（稀释剂）配制而成。考察了粘砂套管剪切强度的影响因素。当粘砂剂涂层厚度为０．０２ｍｍ时，经常温固化４８ｈ和７５℃水浴中养护４８ｈ，剪切强度可达６．００ＭＰａ以上，所选填料的价格仅为ＣａＣＯ３或Ａｌ２Ｏ３等的１０％。

考虑制造质量因素的套管柱抗挤强度设计应用研究

文中针对现有高压高产高含硫复杂深井套管设计中,存在抗挤安全系数严重偏低而无套管可选的问题,基于Tamano和Klever考虑套管制造方法和制造质量因素的研究成果,导出了套管最小抗挤强度计算模型,通过对油田现有套管的制造质量的实测结果,应用该模型计算出的油田实际所用套管的抗挤强度较API抗挤强度高出34.5%~45.2%,通过对油田固井套管柱抗挤安全系数校核说明,套管柱的实际抗挤安全系数大于规范要求,套管柱抗挤是安全的。

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%。

套管粘砂工艺研究与应用

光滑的套管表面以及粘附其上的泥浆薄膜严重影响了水泥浆和套管的胶结，从而影响了固井质量的提高。在分析了套管表面状况对固井质量影响的基础上，提出使用粘砂套管固井技术可以提高固井质量，并对此进行了室内试验研究及井下模拟试验。该技术在江汉油田已应用十几年，固井质量合格率１００％，优质率４０％，值得在全国各油田推广应用。

复杂载荷作用下L80-1钢级石油套管应力分析

为了研究非均布地应力条件下石油套管的抗挤强度,以L80-1钢级套管为研究对象,建立了套管-水泥环-地层系统模型,对整个系统施加非均匀载荷以及剪切载荷,着重分析套管强度与地应力以及水泥环卸载之间的关系。分析结果表明:在非均布载荷下,随地应力非均布系数的增大,L80-1钢级套管抗挤强度大幅降低;地应力非均布系数为1.4时,水泥环卸载为61.1%;地应力非均布系数为1.7时,水泥环卸载为66.3%;随着地应力非均布系数的增大,居中度越大的套管抗挤强度越高,相同的套管居中度时地应力非均布系数越小,套管抗挤强度越高;水泥环厚度越大,其卸载作用越明显;水泥环对套管抵抗横向剪切力有显著效果。所得结论可为提高套管承载能力和制定预防套管损坏措施提供参考。

膨胀管壁厚计算研究

膨胀管技术是在井下以机械或液压的方法使管材永久变形、完成油气井建井的技术。它不仅使井身结构产生变形,还大大降低油气井建井成本。管体膨胀后的壁厚是计算抗挤强度的关键要素,根据金属材料冷变形的原理,在对管柱膨胀进行力学分析的基础上,结合金属材料冷变形的体积不变原理,应用管子膨胀时的应力—应变关系推导出膨胀管壁厚变化的计算公式,同时编制了壁厚变化的计算软件。实验数据和计算结果的对比验证了该计算公式是可靠的。