深井超深井地层水泥环特性对套管载荷的影响

卢亚锋,唐 庚,刘殿富,林元华,于 林

(1.中油西南油气田公司,四川 广汉 618300;2.中油川庆钻探工程有限公司,四川 成都 610051; 3.西南石油大学,四川 成都 610500;4.中油西南油气田公司,重庆 405200)

深井超深井地层水泥环特性对套管载荷的影响

卢亚锋1,唐 庚1,刘殿富2,林元华3,于 林4

(1.中油西南油气田公司,四川 广汉 618300;2.中油川庆钻探工程有限公司,四川 成都 610051; 3.西南石油大学,四川 成都 610500;4.中油西南油气田公司,重庆 405200)

由于软岩层在深井高温高压环境下具有一定的流变性,为了更加真实地反应不同地层岩性情况下水泥环特性对套管外载的影响,采用有限元方法建立了套管 -水泥环 -地层组合体三维空间有限元模型,研究了不同地层岩性情况下套管载荷的差异,同时结合实例分析水泥环弹性模量和泊松比对套管载荷的影响。研究认为,在岩性较软的地层,应优选刚度较大的水泥环,可帮助套管抵御一部分外载;在地层岩性较硬时,应该降低水泥环刚度,有助于吸收一部分外挤压力,达到保护套管的目的;在深井超深井固井过程中应根据不同地层情况适时调整水泥浆特性,以降低套管外载,保证油气井安全。

深井;有限元;水泥环;套管;载荷;塔里木油田;羊塔克区块

引 言

近年来随着勘探开发力度不断加大,一系列埋藏较深的大型油气田被发现。例如塔里木的克拉、英买力等气田埋深在 5 000 m以上,四川的龙岗、普光气田埋深都在 5 500 m以上。深井超深井油气田的勘探开发面临着很多困难,在开发过程中经常钻遇大段泥岩层和盐膏层井段,由于盐膏岩在深部高温高压的环境下具有很强的流变特性,因此,在这些井段经常出现井眼缩径、卡钻、套管遇阻、套管挤毁等井下事故[1-12]。近年来很多学者对流变地层套管载荷进行了大量研究,得到了一些有意义的研究成果。目前普遍采用提高套管钢级和壁厚来增强套管的抗挤毁性能,但由于受深井井深结构以及套管制造工艺等因素的限制,在这些地层还是经常出现套管挤毁变形等井下事故。以塔里木油田羊塔克区块 1口深井为例,重点分析了水泥环弹性模量和泊松比在不同地层岩性情况下对套管外载的影响,从另外一个角度找到降低深部流变地层井段套管载荷的有效方法。

1 三维空间有限元模型的建立

根据塔里木油田羊塔克区块 X井进行的岩心

根据塔里木油田羊塔克区块 X井的实际井身结构建立有限元模型。X井在井深 4500多米的流变地层井段实际井身结构:套管外径为 250.8 mm,壁厚为 15.88 mm,井眼钻头直径为 311.5 mm,套管的弹性模量为 210 GPa,套管泊松比为 0.25。为了研究水泥环特性在不同地层情况下对套管外载的影响,模型取水泥环弹性模量为 5～50 GPa,地层弹性模量Es为 10～40 GPa,水泥环泊松比为0.10～0.49,地层泊松比为 0.30。

盐膏岩在高温高压环境下具有很强的流变特性,根据文献研究可知[12],岩盐蠕变本构方程可以用 Heard模型进行描述,并得到了相关参数。力学实验,得到盐岩蠕变力学参数。其中盐岩的激活能为 83 207.208 J/mol,A为 35.23,B为 0.61,岩盐泊松比为 0.45,岩盐弹性模量为 5 GPa。

2 软岩层对套管外载的影响

对于套管而言,承受的径向应力和切向应力不在同一个数量级,套管主要承受切向应力载荷。对于水泥环而言,承受的径向应力和切向应力基本在同一数量级,且远远小于套管应力,因此,重点对套管受到的切向应力进行分析。图 1为软地层切向应力沿井半径方向分布图,图 2为硬地层切向应力沿井半径方向分布图。可以看出,对软地层 (Es为10 GPa)和硬地层(Es为 40GPa)而言,在相同地应力作用下,由于软岩层的流变性较大,作用在套管上的切向应力明显大于硬地层。单因素分析发现,在软地层套管外载相对于硬地层增大近 50%,这对于深井超深井钻遇复杂地层优选套管是非常不利的。同时可知,套管内壁受到的载荷最大,套管受力屈服首先会在内表面失效,水泥环受到的切向应力明显低于套管的切向应力。

图 1 软地层切向应力沿井半径方向分布

图 2 硬地层切向应力沿井半径方向分布

3 水泥环特性对套管载荷的影响

图 3为水泥环弹性模量对套管载荷的影响规律。可以看出,水泥环弹性模量对套管外载有重要影响。当地层弹性模量为 5 GPa时,即软岩地层,采用大的水泥环弹性模量,即水泥环刚度较大时,非常有利于抵抗由软岩层流变给套管带来的附加载荷。但当地层岩性较硬时,可采用刚度较小的水泥环,其作用机理是高刚度硬性地层自身能承受较大的地层应力,低刚度的水泥环承受较小的应力,达到水泥环卸载外界压力,有效保护套管的目的。固井设计者应根据不同的地层特性适时调整水泥浆特性,这样才能为深井超深井套管设计提供帮助。

图 3 水泥环弹性模量对套管载荷的影响规律

图 4为水泥环泊松比对套管载荷的影响规律。可以看出,在软地层中,增大水泥环泊松比,套管载荷降低;硬地层,水泥环泊松比变大,套管载荷反而增加。但无论何种地层,套管载荷的变化幅度并不大,且水泥环的泊松比本身变化范围有限,因此,很难通过改变泊松比的大小来改变套管的受力状况。

图 4 水泥环泊松比对套管载荷的影响规律

4 结 论

(1)以有限元方法建立了套管 -水泥环 -地层组合体三维空间力学模型,系统分析了不同岩性地层、水泥环弹性模量和泊松比对套管外载的影响。

(2)通过具体的实例计算分析发现,在深部软岩层井段,套管外载增加幅度较大,若在设计过程中忽略此问题,易造成套管挤毁等井下事故。在地层岩性较软的地层,应优选刚度较大的水泥环,可帮助套管抵御一部分外载;在地层岩性较硬时,应降低水泥环刚度,有助于吸收一部分外挤压力,达到保护套管的目的。水泥环的泊松比对套管载荷影响较小,且水泥环泊松比变化不大,因此,可以不考虑其对套管载荷的影响。

(3)深井超深井由于受到地层复杂性、井身结构、套管选材等诸多因素的影响,当钻遇复杂地层,提高套管自身强度等受到限制时,可通过优选水泥环特性来降低套管载荷,提高油气井的安全性。

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编辑 王 昱

TE256

A

1006-6535(2010)05-0116-03

20100209;改回日期:20100425

“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-08-0907)和四川省杰出青年学科带头人培养基金 (06ZQ026-028)

卢亚锋 (1981-),男,助理工程师,硕士,2006年毕业于西南石油学院石油工程专业,现从事油气井工程技术研究工作。