非均匀载荷条件下射孔套管抗挤强度的影响规律研究

油气井套管抗挤毁性能与材料屈服强度关系紧密,聚能射流穿孔过程中孔眼处存在的射孔裂纹将对射孔套管的抗挤强度产生显著影响。首先针对不同型号钢级的套管进行射孔侵彻实验;然后对无孔眼、机加孔眼和射孔孔眼试件进行静力外挤试验,对比射孔裂纹影响下试件抗外挤性能的变化;最后通过有限元仿真分析了射孔裂纹的存在对套管抗挤性能的影响。结果表明:射孔初始裂纹会加剧孔眼处套管的应力集中现象,并使得射孔套管的抗外挤强度显著下降。此外,相较于孔密与相位,孔径对射孔套管抗外挤强度的降低效果最为显著。

超高温热循环作用下水泥环完整性及界面力学性能衰退规律

稠油热采井因周期性蒸汽吞吐,造成井筒内的温度波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性,导致井口抬升等安全问题频发。为了弄清超高温热循环作用下水泥环完整性失效机理、界面胶结衰退规律,避免蒸汽吞吐过程中套管-水泥环界面胶结失效,提出了超高温热循环环境下水泥环胶结强度评价方法,自主研发了集浇筑、养护、加热及测试一体化的水泥环胶结强度特色测试装置,并对“生产套管-水泥环-技术套管”组合体在超高温热循环作用下的界面完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了水泥环在3种不同温度(常温↗150℃↘常温,常温↗200℃↘常温,常温↗250℃↘常温)热循环作用下的完整性及界面力学性能实验结果。研究结果表明:高温热循环作用对水泥环力学及界面力学完整性具有显著的负面影响;随着温度和热循环次数的增大,水泥环界面力学性能显著降低。150℃热循环7次、200℃热循环5次以及250℃热循环1次后,套管与水泥环界面脱离;150℃热循环13次、200℃热循环9次以及250℃热循环7次后,水泥环界面剪切力、化学胶结力、摩擦力以及剪切胶结强度均降低为0,水泥环界面力学性能丧失。水泥环本体失效均以拉伸破坏为主,包括径向裂纹和周向裂纹;径向开裂,周向裂纹以及界面脱离使得水泥环完整性(本位完整性、密封完整性以及力学完整性)失效,水泥环产生连通的微裂缝、微环隙,造成水泥环变形、损伤、泄露,套管成为自由段,引发严重的环空带压、井口抬升等安全问题。

射孔套管抗挤强度理论分析

为了深入研究射孔对套管抗外挤强度的影响程度 ,将射孔套管三维力学模型简化为平面孔板力学模型 ,在外挤压力作用下 ,根据弹性力学理论 ,推导出射孔套管抗挤强度系数的理论公式 ,其理论计算结果与国外文献的实验结果吻合。利用推导的抗挤强度系数理论公式分析孔径、孔密及相位角的变化对其抗挤强度系数的影响 ,其结果为优化射孔设计提供了简便的方法。

工作液密度降低对水泥环界面胶结的影响

固井后工作液密度的降低会造成水泥环与套管和地层脱离胶结,从而形成微环隙,导致水泥环的层间封隔失效。根据厚壁圆筒理论,建立了更符合水泥环受力状况的套管—水泥环—地层力学模型,给出了工作液密度降低对水泥环与套管及地层间所受到的应力位移计算式。模拟计算结果表明,在相同井深处,工作液密度降低值越大,水泥环受到的应力值越大,界面处越容易产生微环隙。对于相同密度降低值,水泥环受到的应力值和产生微环隙的可能性随井深的减小而减小。结合模拟计算值和试验,测试不同水泥浆体系的水泥石与模拟套管的胶结强度值,选择和设计不同的水泥浆体系或降低合理的工作液密度值以防止微环隙产生的新途径。

水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响分析

利用弹性力学解析及有限元方法,分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究结果表明,增加水泥环弹性模量对套管外挤载荷有一定的减缓作用,但效果远没有降低水泥环弹性模量明显。理想水泥环的性能应该是高强度、低刚度。在固井作业时,对软地层推荐采用弹性模量大的水泥,对硬地层推荐采用弹性模量小的水泥。

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。

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。

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。

射孔套管应力集中系数有限元分析

建立了射孔套管的有限元力学模型 ,对不同孔径、孔密及相位角的射孔套管在外挤压力作用下的孔眼应力集中系数进行了有限元分析。旨在讨论非线性材料弹塑性范围内多孔情况下 ,对孔眼的应力集中系数及对管体抗挤强度的影响 ,为射孔套管应力集中及强度影响提供了详尽的数据 。

晶格膨胀剂对水泥-套管界面胶结性能的影响实验

水泥石体积收缩会严重影响水泥-套管界面的胶结强度,而晶格膨胀剂可以弥补水泥石体积收缩,但晶格膨胀剂能否改善水泥-套管界面胶结强度有待进一步研究。利用自行设计的界面胶结强度测定仪定性地测量了膨胀水泥与套管的剪切胶结强度,同时研究了温度和压力变化条件下膨胀水泥与套管的胶结性能,并与常规水泥进行对比,探讨了膨胀水泥与套管界面的微观结构与界面胶结强度宏观力学行为的关系。研究表明:晶格膨胀剂的加入使得水泥-套管界面胶结强度明显下降;同时,晶格膨胀剂使水泥石的弹性模量增大,使水泥-套管界面胶结强度抵抗温度和压力变化的能力变差。为了满足开发过程中温度、压力改变条件下的固井界面封隔特性要求,研究一种既能实现膨胀功能、又能改善界面胶结力和水泥石力学性能的膨胀剂具有重要的意义。

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。

射孔套管抗挤强度综合因素有限元分析

射孔完井是国内外使用最广泛的完井方法,但是大量的现场实践表明,射孔对套管强度有较严重的影响,所以确定套管射孔后的抗挤强度的变化趋势是合理选择套管的重要依据。利用非线性弹塑性有限元法建立了螺旋布孔的射孔套管强度分析的空间有限元力学模型,该模型可以通过任意改变射孔孔径、孔密、相位角、壁厚、套管尺寸以及不同钢级套管的材料力学特性参数等,对射孔套管抗挤强度进行各种综合因素的有限元力学分析。经分析认为:高钢级或高强度套管能有效提高射孔套管抗挤强度;随着孔径、孔密的增加,套管的抗挤强度降低;相位角在180°时,套管的抗挤强度最低。研究结果为合理地选择套管、延长其使用寿命提供了一定的理论依据。

水泥环弹性模量和泊松比与地层性质匹配关系研究

针对现有文献在固井水泥环对套管载荷影响的研究中存在片面性的现状,以套管和水泥环受力优化为目标,采用有限元方法系统分析了水泥环弹性模量和泊松比与井场周围不同地层的匹配关系。通过实例分析与讨论,分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环性质对套管强度的影响规律,提出了改善套管受力状况不应以牺牲水泥环为代价的原则。通过数据和实例分析表明:如果能根据井场周围不同性质的地层优选水泥环弹性模量和泊松比则可大大改善套管受力状况;而且,不论地层参数如何,理想固井水泥环应该是高强度、低刚度、小泊松比。

水泥环性质对套管抗挤强度影响的有限元分析

套管常在油层和泥岩部位严重损坏，分析认为这是生产过程中地应力发生了变化，导致油层孔隙压力或泥岩力学性质改变，造成地应力重新分布的结果。因此，水泥环的质量对套管的影响较大。建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用Ansys有限元软件分析了套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明，最大应力在套管内壁产生，均匀我荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的5～7倍，而且栽荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力，因此，均匀我荷下应适当提高水泥环弹性模量，以达到提高套管抗挤强度的目的。

SLD油水井化学封窜堵漏剂的研制与应用

为了克服水泥类无机凝胶材料封窜堵漏剂的不足，研发了SLD封固剂。该剂由20％～30％网架结构形成剂（碳纤雏及有机交联剂）、60％～70％胶凝材料（超细油井水泥）、5％～10％活化剂（无机钙盐及偶联剂）及0．2％～1％施工性能调节剂（有机磺酸盐）组成，使用时加水配成浆液，水灰比1：1．2～1．5。50℃下的性能实验评价结果表明，SLD挤入储层的深度远小于而封固强度（达25MPa）则远大于G级油井水泥，封固的岩心被突破后经再次养护，强度可基本恢复。从组份功能及固结物结构、性质解释了SLD的以上特性。SLD可用于修补破损套管、水泥环，封堵炮眼及堵水，封固半径〈0．8m可调，适用温度为30～160℃，初凝时间6～20h可调。SLD已成功用于塔里木油田6口井封套外窜，5口井堵套漏，有效期超过一年。其中2口封窜井随后承受住了酸化作业的高压（42、35MPa）。图3表2。

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。

岩盐地层中水泥环弹性模量和厚度对套管强度的影响

采用有限元法研究了岩盐地层中水泥环的弹性模量和厚度对套管强度的影响规律。将"套管-水泥环-地层"简化成一个平面系统,以等效的弹性地层代替蠕变的岩盐地层,并将地应力分为均匀和非均匀两种情况,而将水泥环的弹性模量和厚度设为可调参数。研究结果表明:在"套管-水泥环-地层"系统中,最大应力总是发生在套管的内壁;当水泥环的厚度一定时,其弹性模量存在一个中间值,等于该值时套管中的最大应力达到峰值;单纯增加水泥环的厚度不一定能够改善套管的受力状况,有时甚至会恶化,只有当水泥环的弹性模量大于一定数值后,增加其厚度才能改善套管的受力状况。

非均匀载荷对高密射孔管抗挤强度的影响

在建立非均匀外载模型的基础上,对N80射孔管进行了研究。依建立的三维有限元模型及弹塑性理论为基础,借助有限元软件,对射孔管体抗非均匀载荷能力进行了数值模拟。并依其非均匀载荷下的大位移特征和强度特征,分别定义了临界载荷和等效抗挤强度。同时分析了不同模型在相同不均匀系数、同一模型在不同的不均匀系数的情况下对等效抗挤强度的影响。结果表明,射孔管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度,其中不均匀系数起着关键作用。有利于指导在非均匀载荷作用下射孔管的抗挤强度的设计,对分析套管变形损坏的机理提供了依据,有利于对套管损坏预防提出有效的方案。

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。