六中东区泥岩段地层套损影响因素分析

王海波,刘 宁,文 涛,段飞飞,王 波,王英敏

(1.长江大学石油工程学院,湖北荆州434023;2.河南油田勘探开发研究院,河南南阳 473132)

六中东区泥岩段地层套损影响因素分析

王海波1,刘 宁1,文 涛1,段飞飞1,王 波1,王英敏2

(1.长江大学石油工程学院,湖北荆州434023;2.河南油田勘探开发研究院,河南南阳 473132)

针对新疆油田六中东区的实际情况,建立了非均匀载荷下套管-水泥环-地层的力学模型,应用ANSYS软件模拟套管的变形和破坏过程,重点研究了各因素对套损的影响程度。结果表明:非均匀力是造成套管损坏的主要因素;随着水泥环弹性模量的增大,套管水泥环抗非均匀外载强度增加;随着水泥环径向厚度的增大,套管水泥环抗非均匀外载强度增加。提出了预防和减缓油田套损的方法。

有限元模型;套管;非均匀地应力;弹性模量

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

近年来,国内外套管损坏呈上升趋势,影响油气藏的开采[1],并造成较大的经济损失。因此,研究复杂地层套管错断、弯曲及径向变形破坏机理,寻求相应的预防措施及补救手段,延长套管使用寿命,是各油气田迫切需要解决的问题之一。针对新疆油田六中东区(以下简称六中东区)的实际情况,建立了非均匀载荷下套管-水泥环-地层的力学模型,采用ANSYS软件模拟套管的变形和破坏过程,从而对套损的机理进行有限元分析计算,同时分析研究了泥岩段地层的套损影响因素。

1 有限元模型的建立

1.1 力学模型及基本假设

油井固井后,如果固井质量良好,则套管、水泥环和地层将紧密联结在一起。但由于套管与水泥环在径向上的尺寸远小于轴向尺寸,根据岩石力学和弹塑性理论[2],研究的问题可以简化为平面应变问题。对于下入井内的套管,其外部注有水泥与地层紧密结合,因而属于平面应变状态。选取套管、水泥环、地层力学系统为研究对象,为了简化力学模型,便于分析,做如下假设:

a) 套管变形前是绝对圆形(即没有椭圆度)。

b) 套管壁厚是均匀的。

c) 套管变形后相对于套管中心是对称的。

根据六中区某井套变的情况调查,发现套管变形井段在434～439 m,因而在套管变形井段439.6 m深处取套管横截地层来进行套管破坏机理研究。根据岩石力学理论[3],地层边界超过井眼半径的5～6倍以后对井周应力的影响很小。所以地层宽度取4 m,为井眼直径的20倍,以消除边界效应。考虑到问题的对称性,取1/4进行分析,可以在保证求解精度的前提下减少有限元计算时的节点和单元总数,提高计算效率。根据数据:套管外径ø114.3 mm,壁厚5.21 mm;水泥环外径174.3 mm,壁厚30 mm;地层4 000 mm×4 000 mm,建立套管、水泥环和地层的力学模型如图1所示,AB段为套管内壁,在生产中受管内液柱的均匀压力p0,A E和BC边受对称位移约束,CD边受水平地应力p1作用,DE边受水平地应力p2作用。如果pi=pj,则地层受均匀载荷作用,否则为非均匀地层载荷作用。

图1 套管-水泥环-地层力学模型

1.2 有限元模型

六中东区某井的基本数据:J55套管钢材,弹性模量 2.1×105MPa;泊松比 0.3;屈服应力 380 MPa;进入塑性强化阶段切线模量7.85×104MPa。水泥,弹性模量10 000 MPa;泊松比0.18;内聚力:9.7 MPa;内摩擦角25°。地层软弱岩石,弹性模量500 MPa;泊松比0.40;内聚力1.54 MPa;内摩擦角16°。

对图1力学模型进行有限元网格划分,如图2所示,节点总数3 433,总单元数1 640。均采用2维8节点结构试题单元PLANE82,该单元对于四边形和三角形混合网格,有较高的结果精度,可以适应不规则形状而较少损失精度。同时该单元每个节点有2个自由度,分别为x和y方向的平移,即可以用作平面单元,也可以用做轴对称单元。PLANE82可以用于塑性、蠕变、大变形及大应变等问题的分析。

图2 套管-水泥环-地层有限元模型

由于现场损坏的油水井套管己经产生了不可恢复的变形,即发生了弹塑性变形,故套管材料选择双线性随动模型[4],服从Von Mises屈服准则、随动强化准则,其总应变增量等于弹性应变增量和塑性应变增量之和[5]。地层软弱岩石和水泥环都属于高度非线性材料,采用Drucker-Prager非金属材料模式。该材料模式适用于岩石、土壤等颗粒状材料,使用Drucker-Prager屈服准则,该准则实际上是对莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则的近似,其屈服面并不随材料的逐渐屈服而改变,因此没有强化准则。

2 套损的影响因素

2.1 非均匀载荷作用对套管的影响

套管变形损坏的直接原因是力学原因[6],因而对套损机理研究的重点放在套管的应力变化上。对如图2所示有限元模型施加约束和载荷,由于问题的对称性,取1/4建立研究模型,故A E和B C边施加对称载荷;另外,由于 T6091井地下440 m内液压力为p0=5 MPa,根据六中东区试油地质资料,取p1=14 MPa,为了研究不同载荷比对套管损坏的影响,让p2变化,范围为 6～22 MPa。

对于材料的屈服破坏,一般使用Von Mises屈服准则,因此在分析套管破坏时,提取内壁的Von Mises等效应力来研究[7]。图3是在压力p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2变化的条件下模拟得到的套管内壁等效应力曲线。横坐标为角度值,0°代表力学模型(如图1)中的A点,90°代表B点。

由图3可见,当p2＜p1时,最大等效应力发生在A点,且随着p2的增大,套管内壁的最大等效应力不断减小;当p2=p1时,即均匀外载时,最大等效应力最小,内壁上各点相同;当p2＞p1,最大等效应力发生在B点,且随着p2的增大,最大等效应力又开始不断增大,直到达到屈服极限。

图3 套管内壁最大等效应力与角度的关系

经过反复模拟,发现在p1=14 MPa,p2=5.1 MPa时,套管开始进入屈服阶段(如图4);发现在均匀外载条件下,当p2=p1=32.35 MPa时,套管才会发生塑性变形(如图5),这是当内压为p0=5 MPa时的临界均匀载荷。

图4 套管屈服时的力学分析

图5 套管的临界均匀载荷计算

由上面的分析可以看出,油水井套管破坏主要是由非均匀地应力引起的。

2.2 水泥环的弹性模量对套管受力的影响

应用图2的有限元模型继续分析水泥环性质对套管受力的影响,这里只分析水泥环弹性模量对套管受力的影响。取p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2=5 MPa的条件来研究,结果如图6所示。

图6 水泥环弹性模量对套管最大等效应力的影响

由图6可知,水泥环弹性模量对套管抗非均匀外载能力的影响较大。随水泥环弹性模量的增大,套管水泥环抗非均匀外载强度增加。所以,可以通过改善水泥配方,提高水泥环的弹性模量来提高套管水泥环抗外载强度。

2.3 水泥环厚度对套管受力的影响

应用图2的有限元模型可以继续分析水泥环性质对套管受力的影响,这里只分析水泥环厚度对套管受力的影响。取p0=5 MPa,p1=14 MPa,p2=5 MPa的条件来研究,结果如图7所示。

图7 水泥环厚度对套管最大等效应力的影响

由图7可知,水泥环的厚度对套管抗非均匀外载能力的影响较大。随水泥环厚度的增大,套管水泥环抗非均匀外载能力强度增加。所以,可以通过提高水泥环的厚度来提高套管水泥环的抗外载强度,也即改变套管和钻头的直径系列。

4 结论

1) 建立了非均匀载荷下套管-水泥环-地层的力学模型,在此力学模型的基础上,分析了非均匀力、水泥环的参数对套管损坏的影响,得出非均匀力是造成套管损坏的主要因素。

2) 水泥环弹性模量对套管抗非均匀外载能力有较大影响,即随水泥环弹性模量的增大,套管水泥环抗非均匀外载能力强度增加;水泥环厚度对套管抗非均布外载能力也有较大影响,随水泥环厚度的增大,套管水泥环抗非均匀外载能力强度增加。

3) 为预防和减缓油田套损现象,提出了相应的套损预防解决方案,即通过改善水泥配方,提高水泥环的弹性模量来提高套管水泥环抗外载强度;另外,可以通过提高水泥环的厚度来提高套管水泥环抗外载强度,也即改变套管和钻头的直径系列。

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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-),山东东平人,硕士研究生,主要研究方向为油气井钻采工艺技术,E-mail:wanghaibo858@163.com。