王海波,劉 寧,文 濤,段飛飛,王 波,王英敏

(1.長江大學石油工程學院,湖北荊州434023;2.河南油田勘探開發(fā)研究院,河南南陽 473132)

六中東區(qū)泥巖段地層套損影響因素分析

王海波1,劉 寧1,文 濤1,段飛飛1,王 波1,王英敏2

(1.長江大學石油工程學院,湖北荊州434023;2.河南油田勘探開發(fā)研究院,河南南陽 473132)

針對新疆油田六中東區(qū)的實際情況,建立了非均勻載荷下套管-水泥環(huán)-地層的力學模型,應用ANSYS軟件模擬套管的變形和破壞過程,重點研究了各因素對套損的影響程度。結果表明:非均勻力是造成套管損壞的主要因素;隨著水泥環(huán)彈性模量的增大,套管水泥環(huán)抗非均勻外載強度增加;隨著水泥環(huán)徑向厚度的增大,套管水泥環(huán)抗非均勻外載強度增加。提出了預防和減緩油田套損的方法。

有限元模型;套管;非均勻地應力;彈性模量

Abstract:The casing-cement annulus-formation mechanical model under the inhomogeneous stress modeled,by using the ANSYS software,the process of the casing deformation and destruction was simulated.Discussion on the failure degree of all the factors on the casing was made.The results showed that:1)inhomogeneous stress is the main factor that cause the casing damage;2)The resistance of the inhomogeneous stress on the casing cement annulus increase with the increment of the elastic modulus of the cement annulus;3)As the increment of the thickness of the cement annulus,the resistance of the inhomogenous stress of the casing cement annulus will increase,we advance new ways that predict and retard the casing damage in the oilfield.

Key words:finite element model;casing;inhomogenous stress;elastic modulus

近年來,國內外套管損壞呈上升趨勢,影響油氣藏的開采[1],并造成較大的經濟損失。因此,研究復雜地層套管錯斷、彎曲及徑向變形破壞機理,尋求相應的預防措施及補救手段,延長套管使用壽命,是各油氣田迫切需要解決的問題之一。針對新疆油田六中東區(qū)(以下簡稱六中東區(qū))的實際情況,建立了非均勻載荷下套管-水泥環(huán)-地層的力學模型,采用ANSYS軟件模擬套管的變形和破壞過程,從而對套損的機理進行有限元分析計算,同時分析研究了泥巖段地層的套損影響因素。

1 有限元模型的建立

1.1 力學模型及基本假設

油井固井后,如果固井質量良好,則套管、水泥環(huán)和地層將緊密聯(lián)結在一起。但由于套管與水泥環(huán)在徑向上的尺寸遠小于軸向尺寸,根據(jù)巖石力學和彈塑性理論[2],研究的問題可以簡化為平面應變問題。對于下入井內的套管,其外部注有水泥與地層緊密結合,因而屬于平面應變狀態(tài)。選取套管、水泥環(huán)、地層力學系統(tǒng)為研究對象,為了簡化力學模型,便于分析,做如下假設:

a) 套管變形前是絕對圓形(即沒有橢圓度)。

b) 套管壁厚是均勻的。

c) 套管變形后相對于套管中心是對稱的。

根據(jù)六中區(qū)某井套變的情況調查,發(fā)現(xiàn)套管變形井段在434～439 m,因而在套管變形井段439.6 m深處取套管橫截地層來進行套管破壞機理研究。根據(jù)巖石力學理論[3],地層邊界超過井眼半徑的5～6倍以后對井周應力的影響很小。所以地層寬度取4 m,為井眼直徑的20倍,以消除邊界效應。考慮到問題的對稱性,取1/4進行分析,可以在保證求解精度的前提下減少有限元計算時的節(jié)點和單元總數(shù),提高計算效率。根據(jù)數(shù)據(jù):套管外徑?114.3 mm,壁厚5.21 mm;水泥環(huán)外徑174.3 mm,壁厚30 mm;地層4 000 mm×4 000 mm,建立套管、水泥環(huán)和地層的力學模型如圖1所示,AB段為套管內壁,在生產中受管內液柱的均勻壓力p0,A E和BC邊受對稱位移約束,CD邊受水平地應力p1作用,DE邊受水平地應力p2作用。如果pi=pj,則地層受均勻載荷作用,否則為非均勻地層載荷作用。

圖1 套管-水泥環(huán)-地層力學模型

1.2 有限元模型

六中東區(qū)某井的基本數(shù)據(jù):J55套管鋼材,彈性模量 2.1×105MPa;泊松比 0.3;屈服應力 380 MPa;進入塑性強化階段切線模量7.85×104MPa。水泥,彈性模量10 000 MPa;泊松比0.18;內聚力:9.7 MPa;內摩擦角25°。地層軟弱巖石,彈性模量500 MPa;泊松比0.40;內聚力1.54 MPa;內摩擦角16°。

對圖1力學模型進行有限元網(wǎng)格劃分,如圖2所示,節(jié)點總數(shù)3 433,總單元數(shù)1 640。均采用2維8節(jié)點結構試題單元PLANE82,該單元對于四邊形和三角形混合網(wǎng)格,有較高的結果精度,可以適應不規(guī)則形狀而較少損失精度。同時該單元每個節(jié)點有2個自由度,分別為x和y方向的平移,即可以用作平面單元,也可以用做軸對稱單元。PLANE82可以用于塑性、蠕變、大變形及大應變等問題的分析。

圖2 套管-水泥環(huán)-地層有限元模型

由于現(xiàn)場損壞的油水井套管己經產生了不可恢復的變形,即發(fā)生了彈塑性變形,故套管材料選擇雙線性隨動模型[4],服從Von Mises屈服準則、隨動強化準則,其總應變增量等于彈性應變增量和塑性應變增量之和[5]。地層軟弱巖石和水泥環(huán)都屬于高度非線性材料,采用Drucker-Prager非金屬材料模式。該材料模式適用于巖石、土壤等顆粒狀材料,使用Drucker-Prager屈服準則,該準則實際上是對莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準則的近似,其屈服面并不隨材料的逐漸屈服而改變,因此沒有強化準則。

2 套損的影響因素

2.1 非均勻載荷作用對套管的影響

套管變形損壞的直接原因是力學原因[6],因而對套損機理研究的重點放在套管的應力變化上。對如圖2所示有限元模型施加約束和載荷,由于問題的對稱性,取1/4建立研究模型,故A E和B C邊施加對稱載荷;另外,由于 T6091井地下440 m內液壓力為p0=5 MPa,根據(jù)六中東區(qū)試油地質資料,取p1=14 MPa,為了研究不同載荷比對套管損壞的影響,讓p2變化,范圍為 6～22 MPa。

對于材料的屈服破壞,一般使用Von Mises屈服準則,因此在分析套管破壞時,提取內壁的Von Mises等效應力來研究[7]。圖3是在壓力p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2變化的條件下模擬得到的套管內壁等效應力曲線。橫坐標為角度值,0°代表力學模型(如圖1)中的A點,90°代表B點。

由圖3可見,當p2＜p1時,最大等效應力發(fā)生在A點,且隨著p2的增大,套管內壁的最大等效應力不斷減小;當p2=p1時,即均勻外載時,最大等效應力最小,內壁上各點相同;當p2＞p1,最大等效應力發(fā)生在B點,且隨著p2的增大,最大等效應力又開始不斷增大,直到達到屈服極限。

圖3 套管內壁最大等效應力與角度的關系

經過反復模擬,發(fā)現(xiàn)在p1=14 MPa,p2=5.1 MPa時,套管開始進入屈服階段(如圖4);發(fā)現(xiàn)在均勻外載條件下,當p2=p1=32.35 MPa時,套管才會發(fā)生塑性變形(如圖5),這是當內壓為p0=5 MPa時的臨界均勻載荷。

圖4 套管屈服時的力學分析

圖5 套管的臨界均勻載荷計算

由上面的分析可以看出,油水井套管破壞主要是由非均勻地應力引起的。

2.2 水泥環(huán)的彈性模量對套管受力的影響

應用圖2的有限元模型繼續(xù)分析水泥環(huán)性質對套管受力的影響,這里只分析水泥環(huán)彈性模量對套管受力的影響。取p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2=5 MPa的條件來研究,結果如圖6所示。

圖6 水泥環(huán)彈性模量對套管最大等效應力的影響

由圖6可知,水泥環(huán)彈性模量對套管抗非均勻外載能力的影響較大。隨水泥環(huán)彈性模量的增大,套管水泥環(huán)抗非均勻外載強度增加。所以,可以通過改善水泥配方,提高水泥環(huán)的彈性模量來提高套管水泥環(huán)抗外載強度。

2.3 水泥環(huán)厚度對套管受力的影響

應用圖2的有限元模型可以繼續(xù)分析水泥環(huán)性質對套管受力的影響,這里只分析水泥環(huán)厚度對套管受力的影響。取p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2=5 MPa的條件來研究,結果如圖7所示。

圖7 水泥環(huán)厚度對套管最大等效應力的影響

由圖7可知,水泥環(huán)的厚度對套管抗非均勻外載能力的影響較大。隨水泥環(huán)厚度的增大,套管水泥環(huán)抗非均勻外載能力強度增加。所以,可以通過提高水泥環(huán)的厚度來提高套管水泥環(huán)的抗外載強度,也即改變套管和鉆頭的直徑系列。

4 結論

1) 建立了非均勻載荷下套管-水泥環(huán)-地層的力學模型,在此力學模型的基礎上,分析了非均勻力、水泥環(huán)的參數(shù)對套管損壞的影響,得出非均勻力是造成套管損壞的主要因素。

2) 水泥環(huán)彈性模量對套管抗非均勻外載能力有較大影響,即隨水泥環(huán)彈性模量的增大,套管水泥環(huán)抗非均勻外載能力強度增加;水泥環(huán)厚度對套管抗非均布外載能力也有較大影響,隨水泥環(huán)厚度的增大,套管水泥環(huán)抗非均勻外載能力強度增加。

3) 為預防和減緩油田套損現(xiàn)象,提出了相應的套損預防解決方案,即通過改善水泥配方,提高水泥環(huán)的彈性模量來提高套管水泥環(huán)抗外載強度;另外,可以通過提高水泥環(huán)的厚度來提高套管水泥環(huán)抗外載強度,也即改變套管和鉆頭的直徑系列。

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Discussion of Six Eastern Mudstone Formation Casing Factors

WANG Hai-bo1,LIU Ning1,WEN Tao1,DUAN Fei-fei1,WANG Bo1,WANG Ying-min2
(1.Petroleum Engineering Institute,Yangtze University,Jingzhou434023,China;2.Exploration and Development Research Institute,Henan Oilfield,Nanyang473132,China)

TE931.2

B

1001-3482(2010)11-0053-04

2010-05-26

王海波(1986-),山東東平人,碩士研究生,主要研究方向為油氣井鉆采工藝技術,E-mail:wanghaibo858@163.com。