六中東區(qū)泥巖段地層套損影響因素分析

王海波,劉 寧,文 濤,段飛飛,王 波,王英敏

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北荊州434023;2.河南油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,河南南陽(yáng) 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(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北荊州434023;2.河南油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,河南南陽(yáng) 473132)

針對(duì)新疆油田六中東區(qū)的實(shí)際情況,建立了非均勻載荷下套管-水泥環(huán)-地層的力學(xué)模型,應(yīng)用ANSYS軟件模擬套管的變形和破壞過(guò)程,重點(diǎn)研究了各因素對(duì)套損的影響程度。結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度增加。提出了預(yù)防和減緩油田套損的方法。

有限元模型;套管;非均勻地應(yīng)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(lái),國(guó)內(nèi)外套管損壞呈上升趨勢(shì),影響油氣藏的開(kāi)采[1],并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,研究復(fù)雜地層套管錯(cuò)斷、彎曲及徑向變形破壞機(jī)理,尋求相應(yīng)的預(yù)防措施及補(bǔ)救手段,延長(zhǎng)套管使用壽命,是各油氣田迫切需要解決的問(wèn)題之一。針對(duì)新疆油田六中東區(qū)(以下簡(jiǎn)稱六中東區(qū))的實(shí)際情況,建立了非均勻載荷下套管-水泥環(huán)-地層的力學(xué)模型,采用ANSYS軟件模擬套管的變形和破壞過(guò)程,從而對(duì)套損的機(jī)理進(jìn)行有限元分析計(jì)算,同時(shí)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(xué)模型及基本假設(shè)

油井固井后,如果固井質(zhì)量良好,則套管、水泥環(huán)和地層將緊密聯(lián)結(jié)在一起。但由于套管與水泥環(huán)在徑向上的尺寸遠(yuǎn)小于軸向尺寸,根據(jù)巖石力學(xué)和彈塑性理論[2],研究的問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。對(duì)于下入井內(nèi)的套管,其外部注有水泥與地層緊密結(jié)合,因而屬于平面應(yīng)變狀態(tài)。選取套管、水泥環(huán)、地層力學(xué)系統(tǒng)為研究對(duì)象,為了簡(jiǎn)化力學(xué)模型,便于分析,做如下假設(shè):

a) 套管變形前是絕對(duì)圓形(即沒(méi)有橢圓度)。

b) 套管壁厚是均勻的。

c) 套管變形后相對(duì)于套管中心是對(duì)稱的。

根據(jù)六中區(qū)某井套變的情況調(diào)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(lái)進(jìn)行套管破壞機(jī)理研究。根據(jù)巖石力學(xué)理論[3],地層邊界超過(guò)井眼半徑的5～6倍以后對(duì)井周應(yīng)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(yīng)?？紤]到問(wèn)題的對(duì)稱性,取1/4進(jìn)行分析,可以在保證求解精度的前提下減少有限元計(jì)算時(shí)的節(jié)點(diǎn)和單元總數(shù),提高計(jì)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(xué)模型如圖1所示,AB段為套管內(nèi)壁,在生產(chǎn)中受管內(nèi)液柱的均勻壓力p0,A E和BC邊受對(duì)稱位移約束,CD邊受水平地應(yīng)力p1作用,DE邊受水平地應(yīng)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(xué)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(yīng)力 380 MPa;進(jìn)入塑性強(qiáng)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(nèi)聚力:9.7 MPa;內(nèi)摩擦角25°。地層軟弱巖石,彈性模量500 MPa;泊松比0.40;內(nèi)聚力1.54 MPa;內(nèi)摩擦角16°。

對(duì)圖1力學(xué)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,如圖2所示,節(jié)點(diǎn)總數(shù)3 433,總單元數(shù)1 640。均采用2維8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)試題單元PLANE82,該單元對(duì)于四邊形和三角形混合網(wǎng)格,有較高的結(jié)果精度,可以適應(yīng)不規(guī)則形狀而較少損失精度。同時(shí)該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)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(duì)稱單元。PLANE82可以用于塑性、蠕變、大變形及大應(yīng)變等問(wèn)題的分析。

圖2 套管-水泥環(huán)-地層有限元模型

由于現(xiàn)場(chǎng)損壞的油水井套管己經(jīng)產(chǎn)生了不可恢復(fù)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(dòng)模型[4],服從Von Mises屈服準(zhǔn)則、隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則,其總應(yīng)變?cè)隽康扔趶椥詰?yīng)變?cè)隽亢退苄詰?yīng)變?cè)隽恐蚚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(zhǔn)則,該準(zhǔn)則實(shí)際上是對(duì)莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則的近似,其屈服面并不隨材料的逐漸屈服而改變,因此沒(méi)有強(qiáng)化準(zhǔn)則。

2 套損的影響因素

2.1 非均勻載荷作用對(duì)套管的影響

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

對(duì)于材料的屈服破壞,一般使用Von Mises屈服準(zhǔn)則,因此在分析套管破壞時(shí),提取內(nèi)壁的Von Mises等效應(yīng)力來(lái)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(nèi)壁等效應(yīng)力曲線。橫坐標(biāo)為角度值,0°代表力學(xué)模型(如圖1)中的A點(diǎn),90°代表B點(diǎn)。

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

圖3 套管內(nèi)壁最大等效應(yīng)力與角度的關(guān)系

經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬,發(fā)現(xiàn)在p1=14 MPa,p2=5.1 MPa時(shí),套管開(kāi)始進(jìn)入屈服階段(如圖4);發(fā)現(xiàn)在均勻外載條件下,當(dāng)p2=p1=32.35 MPa時(shí),套管才會(huì)發(fā)生塑性變形(如圖5),這是當(dāng)內(nèi)壓為p0=5 MPa時(shí)的臨界均勻載荷。

圖4 套管屈服時(shí)的力學(xué)分析

圖5 套管的臨界均勻載荷計(jì)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(yīng)力引起的。

2.2 水泥環(huán)的彈性模量對(duì)套管受力的影響

應(yīng)用圖2的有限元模型繼續(xù)分析水泥環(huán)性質(zhì)對(duì)套管受力的影響,這里只分析水泥環(huán)彈性模量對(duì)套管受力的影響。取p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2=5 MPa的條件來(lái)研究,結(jié)果如圖6所示。

圖6 水泥環(huán)彈性模量對(duì)套管最大等效應(yīng)力的影響

由圖6可知,水泥環(huán)彈性模量對(duì)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(qiáng)度增加。所以,可以通過(guò)改善水泥配方,提高水泥環(huán)的彈性模量來(lái)提高套管水泥環(huán)抗外載強(qiáng)度。

2.3 水泥環(huán)厚度對(duì)套管受力的影響

應(yīng)用圖2的有限元模型可以繼續(xù)分析水泥環(huán)性質(zhì)對(duì)套管受力的影響,這里只分析水泥環(huán)厚度對(duì)套管受力的影響。取p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2=5 MPa的條件來(lái)研究,結(jié)果如圖7所示。

圖7 水泥環(huán)厚度對(duì)套管最大等效應(yīng)力的影響

由圖7可知,水泥環(huán)的厚度對(duì)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(qiáng)度增加。所以,可以通過(guò)提高水泥環(huán)的厚度來(lái)提高套管水泥環(huán)的抗外載強(qiáng)度,也即改變套管和鉆頭的直徑系列。

4 結(jié)論

1) 建立了非均勻載荷下套管-水泥環(huán)-地層的力學(xué)模型,在此力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分析了非均勻力、水泥環(huán)的參數(shù)對(duì)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(duì)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(qiáng)度增加;水泥環(huán)厚度對(duì)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(qiáng)度增加。

3) 為預(yù)防和減緩油田套損現(xiàn)象,提出了相應(yīng)的套損預(yù)防解決方案,即通過(guò)改善水泥配方,提高水泥環(huán)的彈性模量來(lái)提高套管水泥環(huán)抗外載強(qiáng)度;另外,可以通過(guò)提高水泥環(huán)的厚度來(lái)提高套管水泥環(huán)抗外載強(qiáng)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?yàn)橛蜌饩@采工藝技術(shù),E-mail:wanghaibo858@163.com。