雙層組合套管抗外擠強度影響因素研究

婁爾標，劉洪濤，秦 宏，王雙來，李 寧，彭 芬，牟易升

1中國石油塔里木油田分公司2西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司3西南石油大學“油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室”

0 引言

隨著我國石油工業(yè)的不斷發(fā)展，在很多地層滑移或鹽膏層蠕變較大地層，單層套管已經(jīng)無法滿足某些井況的要求。目前針對這類苛刻工況地層，主要通過提高套管的壁厚和鋼級方法增強套管的抗外擠強度，但這種方法是有限的，目前主要受到高鋼級套管材料研發(fā)技術和鉆井工程綜合因素的制約。國內外已有學者對雙層組合套管的抗內壓和外擠強度進行研究，并有成功的應用經(jīng)驗［1］。

1994年，練章華等［2］利用EPF軟件對雙層套管進行了有限元分析，建立了強度分析及徑向位移變化的數(shù)學模型，并與德國克勞塞爾技術大學的實驗結果進行了對比，驗證了其有限元結果的準確性，此研究為雙層套管的強度分析奠定了一定理論基礎。1999年，肖國益等［3］通過統(tǒng)計、分析中原油田復合鹽膏層的套損現(xiàn)狀和損壞機理，根據(jù)雙層套管在鹽膏層段的受力特點，推導出雙層套管的設計方法，發(fā)現(xiàn)雙層套管可有效提高套管的抗擠強度。2018年，許福東等［4］利用彈性力學，分析推導了單、雙層套管—地層系統(tǒng)的力學模型計算公式，發(fā)現(xiàn)雙層套管中間環(huán)為液體時，徑向應力變化更加平緩，可以更有效的預防套管損失變形。

綜上所述，國內對雙層套管強度方面的研究少且年代較久遠，還未有系統(tǒng)分析對比不同水泥環(huán)彈性模量、不同工況下雙層套管抗擠強度的研究。本文通過有限元法模擬計算了不同固井因素工況下雙層套管的抗外擠強度，為現(xiàn)場雙層套管的應用提供一定參考。

1 雙層組合套管外擠強度性能研究

1.1 有限元模型的建立

針對外層套管為?339.72 mm×13.06 mm P110、內層套管為?244.48 mm×11.99 mm TLM140 BC（含接箍），中間環(huán)空為水泥環(huán)的雙層組合套管進行抗外擠強度分析，通過有限元分析軟件建立三維有限元模型。在模型外層套管壁上加載pout，分別計算雙層組合套管和單內層套管（無水泥環(huán)及外層套管）的抗外擠強度，最后對比總結分析雙層套管的抗擠強度變化規(guī)律。有限元模型建立［5］見圖1。

圖1 雙層組合套管抗外擠強度有限元力學模型

1.2 有限元模擬計算

1.2.1 單內層套管抗外擠強度計算

根據(jù)本研究建立的雙層組合套管抗外擠強度計算的有限元模型，計算中只考慮含接箍螺紋的內單層套管的抗擠毀強度，不斷增加內層套管的外擠壓力pout，當套管或接箍螺紋部位Von Mises應力達到其屈服強度965.5 MPa時停止加載，計算套管的最大抗外擠毀壓力為41.66 MPa。?244.48 mm×11.99 mm TLM140 BC單層套管加載最大外壓載荷41.66 MPa時，套管最大等效應力部位為管體內壁和接箍內螺紋牙型，其最大Von Mises應力都為965.5 MPa。按照Von Mises應力方法計算套管抗外擠強度，接箍螺紋接頭對套管的抗外擠強度提高不大，接箍螺紋與套管管體在最大外壓載荷作用下的應力水平相當，應力分布云圖如圖2所示。

圖2 單內層套管（含BC螺紋）最大抗外擠強度的Mises應力云圖

1.2.2 雙層組合套管抗外擠強度計算

根據(jù)本研究建立的雙層組合套管抗外擠強度有限元計算模型，考慮了內層和外層套管及水泥環(huán)組合，其中水泥環(huán)彈性模量7.0 GPa。通過不斷在外層套管增加外壓載荷pout進行加載計算，當外層套管內壁的Von Mises應力達到其屈服應力758.6 MPa時，計算得到雙層組合套管的最大抗外擠強度為111.34 MPa。雙層組合套管的外壁加載最大外壓載荷為111.34 MPa時，外層套管內壁最大應力達到其屈服應力758.6 MPa；內層套管的接箍大端螺紋部位最大Von Mises應力達到屈服強度應力956 MPa，其余管體部位Von Mises應力均低于700 MPa；水泥環(huán)應力最大為58.33 MPa。雙層組合套管的應力分布云圖如圖3所示。

圖3 雙層組合套管Mises應力分布云圖

1.2.3 抗外擠強度對比分析

按照Von Mises應力方法評價套管的抗外擠強度［6］，本研究通過建模計算?244.48 mm×11.99 mm TLM140 BC單層套管的最大抗外擠強度為41.66 MPa，而?339.72 mm×13.06 mm P110+?244.48 mm×11.99 mm TLM140 BC的雙層組合套管抗外擠強度為111.34 MPa。雙層組合套管的抗外擠強度比單層套管抗外擠強度高了167.3%，即為單內層套管的抗外擠強度2.673倍。

2 固井工況因素對雙層組合套管的抗擠強度影響分析

2.1 水泥環(huán)彈性模量對雙層組合套管的抗擠強度影響分析

不同油氣井井況對固井水泥要求差異較大，如抗高溫蒸汽水泥、含鹽水防止氣竄水泥、抗腐蝕水泥、防滲透等特殊要求水泥，水泥的成分和性能差異較大，因此不同用途類型的固井水泥的彈性模量變化范圍較大［6］。本研究建立了環(huán)空無水泥環(huán)和不同彈性模量水泥環(huán)的模型，分別對雙層組合套管的抗外擠強度影響進行分析。通過大量的有限元仿真模擬計算，得到不同水泥彈性模量條件下的雙層組合套管抗外擠強度。雙層組合套管的抗擠強度與水泥環(huán)彈性模量變化的分布如圖4所示。

圖4 雙層組合套管抗外擠強度與水泥環(huán)彈性模量的變化分布曲線

雙層組合套管的內層套管最大抗外擠強度為41.66 MPa。當雙層組合套管的外層套管和內層套管之間環(huán)空增加水泥環(huán)時，其抗外擠強度隨著水泥環(huán)彈性模量的增加為非線性增加。當水泥彈性模量在0～2 GPa時，雙層組合套管的抗擠強度迅速增加；而水泥彈性模量在2～36 GPa區(qū)間時則增加速率較緩慢。目前國內大部分油田固井用水泥的彈性模量一般分布在4.5～15 GPa區(qū)間，計算該規(guī)格的雙層組合套管的抗外擠強度為100.0～130.0 MPa，是單內層套管的抗外擠強度2.4～3.12倍。

2.2 現(xiàn)場固井工況因素對雙層組合套管抗擠強度影響分析

現(xiàn)場固井質量對提高套管的抗外擠能力非常重要，主要影響的工況因素為固井水泥環(huán)質量不好，如水泥環(huán)偏心，水泥環(huán)缺失不連續(xù)，固井段存在混漿流動等因素。目前國內外的固井施工過程中，往往存在著固井質量不合格的情況，由于頂替效率過低、氣竄等原因造成的水泥環(huán)缺陷會大大降低套管的承載能力，減少套管的使用壽命，因此水泥環(huán)缺陷對套管強度的影響研究顯得非常重要［7］。

本研究針對這幾個不同固井的工況因素對雙層組合套管的擠毀強度影響進行分析研究，建立一個三維的雙層組合套管的有限元模型。該模型主要包括內層套管規(guī)格?244.48 mm×11.99 mm TLM140，外層套管規(guī)格?339.72 mm×13.06 mm P110，中間層水泥環(huán)，分析不同工況因素對雙層組合套管的抗外擠強度影響規(guī)律。

2.2.1 水泥環(huán)偏心工況因素

固井水泥環(huán)的偏心會造成水泥承受外載荷不均勻，從而會影響雙層組合套管的抗外擠強度。本研究建立的有限元力學模型如圖5所示，該結構的偏心距e＝0～34 mm，模型中內層套管內壁A、C點y方向位移固定約束，內層套管內壁B、D點x方向位移固定約束，外擠壓力pout施加在外層套管的外壁。

圖5 水泥環(huán)偏心時雙層組合套管的有限元模型

通過對內、外層套管的偏心距e＝0～30 mm進行有限元仿真模擬計算，可得到不同偏心距參數(shù)下的雙層組合套管抗外擠強度的變化規(guī)律，如圖6所示。計算結果表明：雙層組合套管的抗外擠強度隨著偏心距增加呈非線性降低，但總體降低不是很大。當偏心距為30 mm時，雙層組合套管的抗外擠強度降低5.7%。

圖6 雙層組合套管的抗外擠強度與偏心距的變化曲線

2.2.2 水泥環(huán)缺失工況因素

水泥環(huán)缺陷影響固井質量，雙層組合套管內水泥環(huán)缺失會大大影響雙層組合套管的抗外擠強度［7］。本研究建立的任意水泥環(huán)缺失角度有限元力學模型如圖7所示，模型中AB和CD線上y方向位移固定約束，外層套管外壁E、F點x方向位移固定約束，外擠壓力pout施加在外層套管的外壁。

圖7 水泥環(huán)缺失的雙層組合套管有限元模型

對水泥環(huán)缺失角度為5°、15°、30°、60°、90°、120°等6種模型進行有限元仿真模擬，雙層組合套管的抗外擠強度與水泥環(huán)不同缺失角度下的變化規(guī)律曲線如圖8所示，計算結果表明：

圖8 雙層組合套管抗外擠強度隨水泥環(huán)缺失角度變化關系曲線

（1）雙層套管的抗外擠強度在水泥環(huán)缺失角度小于60°時，抗外擠強度呈非線性下降且降低速度較快，水泥環(huán)缺失角度為60°時，抗外擠強度32.71 MPa，下降了70.62%；水泥環(huán)缺失角度在60°～120°時降低緩慢，幾乎不再下降，水泥環(huán)缺失角度120°時，抗外擠強度30.04 MPa，下降了73.02%。

（2）水泥環(huán)完整未缺失（缺失角度為0）時抗外擠強度為111.34 MPa，水泥環(huán)缺失角度為5°時，雙層套管抗擠強度為100.89 MPa，下降了9.38%。

2.2.3 混漿流動、水泥環(huán)破碎工況因素

油氣井固井中水泥漿與前置隔離液段在固井時存在混漿流動現(xiàn)象，因此在水泥凝固后混漿中非水泥部分液體形成“空隙”，造成固井水泥石的不連續(xù)，固井質量差。由于水泥石具有脆性特性，在沖擊載荷或內外壓力等作用下，極易造成水泥環(huán)破碎，而破碎的水泥承載能力低，在沒破碎處套管上出現(xiàn)集中載荷或點載荷，造成局部應力集中非均勻載荷從而造成套損變形。

本研究建立了雙層組合套管中水泥環(huán)部分破碎時的內層套管—部分破碎水泥環(huán)—外層套管的平面應變問題的有限元實體模型及力學模型，如圖9所示。建模時內層套管內壁A、C點y垂直方向位移固定約束，內層套管內壁B、D點x水平方向位移固定約束，外擠壓力pout施加在外層套管的外壁。

圖9 水泥環(huán)破碎的雙層組合套管有限元模型

不同水泥環(huán)未破碎的雙層組合套管抗外擠有限元力學模型如圖10所示，圖中分別為水泥環(huán)一處完好未破碎、兩處完好未破碎、三處完好未破碎以及四處完好未破碎，其余部分為混漿流動引起的水泥環(huán)破碎的有限元力學模型，故在研究中水泥環(huán)破碎部分的彈性模量采用非常低的彈性模量來計算。

圖10 混漿流動、水泥環(huán)破碎工況的雙層組合套管有限元模型

通過大量的有限元仿真模擬計算，可得到不同水泥環(huán)破碎下雙層組合套管抗外擠強度，如圖11。在外壓載荷作用下，水泥環(huán)破碎后一處完好、兩處完好、三處完好模型的雙層組合套管的抗擠強度約為73.8 MPa，只有四處完好未破碎情況，雙層組合套管的抗外擠強度稍大，為75.0 MPa。而完整水泥環(huán)連續(xù)未破碎時，雙層套管的抗擠強度為111.34 MPa。通過模擬混漿流動、水泥環(huán)破碎工況因素，雙層組合套管抗擠強度最大降低了33.72%，因此水泥環(huán)破碎大大影響了雙層組合套管的抗外擠強度。

圖11 不同水泥環(huán)破碎時雙層組合套管Mises應力云圖

2.2.4 計算結果分析

本研究對水泥環(huán)偏心、水泥環(huán)缺失、混漿流動或水泥環(huán)破碎對雙層組合套管的抗擠強度進行模擬計算，計算結果如表1所示。綜合各種因素，其中水泥環(huán)缺失工況因素對雙層組合套管抗外擠強度影響最大，最大下降率為71.55%；混漿流動、水泥環(huán)破碎工況因素對雙層組合套管抗外擠強度影響次之，下降率為33.72%，水泥環(huán)偏心因素對雙層組合套管抗外擠強度影響最小，下降率為5.26%。

表1 固井工況因素對雙層組合套管抗外擠強度計算結果

3 結論

（1）有限元模擬計算單內層套管?244.48 mm×11.99 mm TLM140的抗外擠強度為41.66 MPa，雙層組合套管的抗外擠強度為111.34 MPa。雙層組合套管的抗外擠強度比單內層套管的抗外擠強度提高了167.3%，為單內層套管抗外擠強度的2.673倍，提高套管抗外壓擠強度效果非常顯著。

（2）增加水泥環(huán)的彈性模量對雙層組合套管的抗外擠強度提高呈現(xiàn)非線性關系。當水泥環(huán)的彈性模量在0～2 GPa時，雙層組合套管的抗外擠強度增加迅速；水泥環(huán)的彈性模量為2～36 GPa時，雙層組合套管的抗外擠強度增加較緩慢。目前國內大部分油田固井用水泥石的彈性模量一般為4.5～15 GPa，此規(guī)格的雙層組合套管抗外擠強度為100.0～130.0 MPa，為單內層套管抗外擠強度的2.4～3.12倍。

（3）水泥環(huán)偏心、水泥環(huán)缺失、混漿流動或水泥環(huán)破碎對雙層組合套管的抗擠強度進行建模分析，其中水泥環(huán)缺失工況因素對雙層組合套管抗外擠強度影響最大，最大下降率為71.55%；混漿流動、水泥環(huán)破碎工況因素對雙層組合套管抗外擠強度影響次之，下降率為33.72%，水泥環(huán)偏心因素對雙層組合套管抗外擠強度影響最小，下降率為5.26%。