高溫高壓井水泥環(huán)缺失對(duì)多層套管應(yīng)力影響規(guī)律

摘要：由于高溫高壓井中，固井工況復(fù)雜，套管與水泥環(huán)之間會(huì)出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，導(dǎo)致套管損壞，尤其多層套管時(shí)上述問(wèn)題更為突出而復(fù)雜。針對(duì)上述問(wèn)題，以準(zhǔn)噶爾盆地南緣某高溫高壓高產(chǎn)氣井為研究對(duì)象，建立了套管水泥環(huán)缺失套管水泥環(huán)套管地層軸對(duì)稱有限元模型，模型中水泥環(huán)缺失處采用圈閉流體單元，巖石和水泥環(huán)采用EDP本構(gòu)模型，相互界面間用接觸力學(xué)有限元模型。研究結(jié)果表明，該模型能夠準(zhǔn)確分析復(fù)雜條件下水泥環(huán)缺失套管受力情況，解決了以前的模型無(wú)法模擬水泥環(huán)缺失處流固耦合問(wèn)題；當(dāng)套管環(huán)空出現(xiàn)環(huán)狀缺失時(shí)，水泥環(huán)缺失的交界面附近應(yīng)力最大且水泥環(huán)缺失處液體性質(zhì)對(duì)套管強(qiáng)度有較大影響。為保證其井筒完整性，在深井、超深井中，建議優(yōu)化水泥環(huán)返高，使水泥環(huán)不返到井口，減小固井段長(zhǎng)度，消除水泥環(huán)缺失問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：水泥環(huán)缺失；套管損壞；有限元分析；圈閉流體單元；固井質(zhì)量

引言

固井水泥環(huán)是確保油氣井完整性的關(guān)鍵因素之一，固井質(zhì)量直接影響后續(xù)作業(yè)和生產(chǎn)。固井時(shí)，在水泥漿驅(qū)替鉆井液的過(guò)程中，由于油氣井的井眼軌跡復(fù)雜，環(huán)空呈非線性幾何結(jié)構(gòu)，可能會(huì)引起鉆井液滯留，導(dǎo)致水泥環(huán)缺失等固井質(zhì)量問(wèn)題，影響油氣井的井筒完整性。在塔里木盆地克深、順北和準(zhǔn)噶爾盆地南緣等高溫（高于120℃）、高壓（大于75 MPa）及超深（超過(guò)6 000 m）油氣井中，采用多層套管固井（表層套管、技術(shù)套管和油層套管等）的較為常見(jiàn)。地應(yīng)力、井筒壓力和溫度等因素對(duì)套管的相互影響，令水泥環(huán)和套管的受力情況更加復(fù)雜，使套損機(jī)理變得更加復(fù)雜化。近年來(lái)，高溫高壓井中環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}日益嚴(yán)重，其中，固井時(shí)出現(xiàn)水泥環(huán)缺失是引發(fā)套管損壞和環(huán)空帶壓的重要原因，對(duì)油氣井的完整性和安全性帶來(lái)潛在影響。因此，有必要深入研究高溫高壓井中水泥環(huán)缺失對(duì)多層套管應(yīng)力的影響。

近年來(lái)，針對(duì)水泥環(huán)缺失對(duì)套管強(qiáng)度影響的問(wèn)題，一些學(xué)者研究了不同的井況、水泥環(huán)缺失角度、缺失形態(tài)及水泥環(huán)材料性能等對(duì)套管的影響規(guī)律。曹暢等研究了水泥環(huán)缺陷程度與套管承載能力的關(guān)系；黃祥峰等分析了水泥環(huán)的彈性模量對(duì)套管應(yīng)力的影響；龐秉謙等研究管柱套管內(nèi)壁磨損位置與水泥環(huán)缺陷位置對(duì)套管應(yīng)力的影響；鄒阿七等分析水泥環(huán)在不同角度缺失時(shí)對(duì)套管剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度的變化規(guī)律；于浩等針對(duì)固井質(zhì)量對(duì)套管的影響進(jìn)行研究，對(duì)缺失情況等不同固井質(zhì)量下運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行了仿真分析，為固井質(zhì)量差導(dǎo)致套管失效提供了理論依據(jù)；崔明月等認(rèn)為固井質(zhì)量差，水泥環(huán)缺失是套管損壞的原因；練章華等研究了環(huán)狀缺失對(duì)套管的影響，提出了水泥環(huán)全部缺失套損的防控措施；宋燁煒等采用有限元模擬分析了水泥環(huán)的彈性模量、套管偏心率和橢圓度對(duì)套管強(qiáng)度的影響。

在常規(guī)分析的研究基礎(chǔ)上，對(duì)于近幾年出現(xiàn)針對(duì)某類特殊地層或其他特殊工況的研究，則是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。針對(duì)熱采井，楊雄文等對(duì)水泥環(huán)缺陷引起的套管應(yīng)力變化進(jìn)行研究分析；陳勇等研究了水泥環(huán)周向局部破壞對(duì)套管力學(xué)性能的影響；祝效華等將溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合，分析高溫?zé)岵删喹h(huán)缺陷對(duì)套管安全性；Sale-habadi等研究了在不同水泥環(huán)缺陷的情況下，水泥環(huán)熱學(xué)性能與力學(xué)參數(shù)對(duì)套管應(yīng)力的影響；趙鵬等則研究了熱采和非熱采兩種情況不同水泥環(huán)缺陷角度對(duì)套管受力的影響。對(duì)于水平井，Pattillo等建立了含不同角度下環(huán)向缺陷有限元模型，分析了水泥環(huán)應(yīng)力與時(shí)間的變化規(guī)律；席巖等分析瞬態(tài)溫壓作用下頁(yè)巖氣水平井水泥環(huán)缺失進(jìn)行研究，表明力熱耦合作用使得套管最大應(yīng)力出現(xiàn)在缺失處兩側(cè)；蔣可等針對(duì)頁(yè)巖氣井水平段套管的壓裂工況，對(duì)水泥環(huán)竄槽缺失等井質(zhì)量差的情況對(duì)套損影響進(jìn)行了研究，固井質(zhì)量差是套管損壞的主要原因；竇益華等則分析了第一膠結(jié)面和第二膠結(jié)面水泥環(huán)缺失厚度對(duì)套管強(qiáng)度影響。

以上研究為水泥環(huán)缺失對(duì)套管強(qiáng)度的影響做了大量工作，取得了一些理論成果，具有重要的參考價(jià)值，然而，在深井、超深井、高溫、高壓以及高產(chǎn)井中，對(duì)多層套管在水泥環(huán)缺失套管受力的影響研究較少，在水泥環(huán)缺失部位被流體與固體的相互作用影響規(guī)律也鮮有報(bào)道，目前現(xiàn)場(chǎng)工程師或研究人員只能憑經(jīng)驗(yàn)保守估算認(rèn)為缺失部位壓力為零，或者直接按液體密度液柱壓力計(jì)算其外壓，直接施加到缺失部位，該方法要么過(guò)于保守，要么過(guò)于激進(jìn)。因此，對(duì)水泥環(huán)缺失處套管應(yīng)力分析，需要建立較為真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)情況的分析模型，故本文建立了3層結(jié)構(gòu)的套管-水泥環(huán)缺失-套管-水泥環(huán)-套管-地層軸對(duì)稱有限元模型，該模型創(chuàng)新性地引入了圈閉流體單元解決缺失處流固耦合問(wèn)題，考慮了多層套管水泥環(huán)的應(yīng)力傳遞，采用巖土EDP本構(gòu)模型，研究套管與水泥環(huán)之間出現(xiàn)環(huán)狀缺失對(duì)套管受力的影響。

1水泥環(huán)缺失套管受力分析

以新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣某高溫高壓高產(chǎn)氣井作為分析對(duì)象，井身結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文針對(duì)2 000m處3層套管結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究。

油氣井在開(kāi)采過(guò)程中，套管同時(shí)承受來(lái)自地層的外擠壓力（設(shè)套管受均勻外擠壓力）以及井筒液體的內(nèi)壓，由于水泥環(huán)小段的環(huán)狀缺失（缺失部分一般會(huì)被地層中的水充滿），在缺失的界面處套管容易發(fā)生局部塑性應(yīng)變損傷破壞，導(dǎo)致套管損壞。