套管破坏机理及建模方法

卜祥英,党旭光,张杰

(河北联合大学 河北省地震工程研究中心,河北唐山 063009)

0 引 言

国内外许多油田经过一段时间的开发之后,都会出现大批套管损坏现象。套管损坏已经成为一个国际性的普遍问题,并且套损速度有逐年上升的趋势。随着生产活动的进行,长期埋藏于地下的套管处于极其恶劣的工作环境,套管将迅速地发生腐蚀破坏、变形或错断等损坏现象,因此严重影响了各大油田的生产,造成了巨大的经济损失。套损问题是涉及多学科、多领域的复杂问题,从钻井到开发,以及石油开采过程中的全部工艺措施都对套管损坏产生影响,这就导致套管破坏形式的多样性。因此认真分析和研究套管损坏的各种机理和因素,分析提高套管强度的影响,改进套管设计和施工的方法,延长套管使用寿命,减少经济损失,是一个亟待解决的问题。

我国油田开发较晚,套管损坏问题到70年代中期才开始变得突出,国内学者才开始在借鉴国外的理论和经验基础上开始对套管破坏机理进行理论探索。到80年代初期考试进行了基础理论研究,之后开始针对我国的套管损坏进行了统计分析和机理研究,同时一些学者运用岩石流变学理论对岩盐、泥岩等地层流变损坏套管机理的模拟模拟实验研究,通过大量的实验结果建立了泥页岩、岩盐的蠕变模式,开创了将地层条件引入套管损坏机理研究。练章华教授在此基础上做了大量“复杂地层力学系统”的综合作用的理论研究和有限元数值模拟分析,为套管的损坏机理提供了理论依据和参考数据。

1 套管破坏机理

从受力的情况来看,套管的破坏原因都可以归结为,由于套管受到了挤压、拉伸或者剪切力的作用,套管外壁的分布荷载超过了套管本身的荷载承受极限,从而产生破坏。但是由于导致荷载形成的因素各异,比如,地层蠕动,地震,断层复活,地层出砂等,都可能导致套管的变形、开裂、错断。从科学的观点看,套管埋在几百米深的地下,有的甚至穿越了好几个不同力学性质的地层,所以难免会受到地层应力,化学作用和其他物理因素的作用,其中最主要的影响因素是岩层的地应力。从某种意义上来说,套损问题是结构物与具有孔隙流体的岩体相互作用、相互耦合的问题。套管损坏可以分为变形、破裂和密封性破坏三类主要类型。其中套管局部变形,但是下油管还可以继续利用的属于轻微套损;套管严重变形弯曲、错断、开裂导致油井报废的属于严重套损。

引起套管损坏的力学机制是一个极为复杂的力学系统,它涉及到弹塑性力学、岩石力学、流变学、地质学、油层物理学等各学科,是一个典型的跨学科跨专业的综合工程力学问题。

2 套管破坏的因素

导致套管状况变差、损坏的原因是多方面的。根据国内外油田开发过程中套管损坏的研究经验分析,引起套管破坏的因素有地质因素、工程因素和腐蚀因素三大类。

地质因素包括:构造应力、地震、地壳升降、断层活动、层间滑动、泥岩层吸水蠕变、盐岩层吸水溶解、储积层沉积压实、地层的岩性、弱面得存在及其强度、地层的孔隙度及孔隙压力、地层的出沙等。

工程因素包括:套管材料、强度及其加工质量、井身结构设计、固井质量、射孔产生裂缝、井眼不规则、注水、开采作业及增产措施等。

腐蚀因素包括:溶解氧腐蚀、二氧化碳腐蚀、细菌腐蚀(如:碳酸盐还原菌、硫酸盐还原菌、铁细菌等)、盐酸腐蚀以及结垢腐蚀等。

3 数值模拟与参数选择

3.1 模型建立

建模时首先采用ADINA的parasolid操作,定义场地岩土层为长方体,然后采用布尔操作把水泥环和套管空间做出,用切片将不同土体分开,分为三层。操作选项中包括体之间的合并、交叉或减去,进行如上操作后,得到如图1所示几何模型,图2所示划分单元组模型。

图1 几何模型

图2 划分单元组

单元类型设定管道为壳单元,岩土定义为三维实体单元。网格密度控制和单元划分针对不同的单元采取不同的措施。一般来说,将管道网格划分的较密,岩体的网格划分的较稀,这样既可以保证计算的精度,又充分利用了计算资源。管道单元网格密度依据长度划分,单元划分采用4节点壳单元。岩土单元网格密度也是依据长度划分,单元划分采用4节点三维实体单元。

3.2 参数选择

模型中管壁厚度选为8 mm,管径选为140 mm。管道采用多线性弹塑性材料,材料参数为弹性模量E =16.9GPa,泊松比μ=0.24。岩层采用地质材料中的摩尔-库伦材料,具体参数选择如表1所示。

表1 岩土材料参数

3.3 计算结果分析

应用ADINA对模型进行计算分析主要由三部分组成:建立模型、加载求解和结果分析。以锦州采油厂的一个实际开采井为依据,得出了不同模型条件下,管道变形及最大应力值。下表为模拟的套管不同尺寸。

表2 建模参量

图3模型一和模型二为套管管径对最大剪应力的影响时程曲线图。由图中可以看出,随着管径的增大,管道的轴向应力逐渐减小。图3模型一和模型三为套管壁厚对套管最大剪应力的影响时程曲线图。从图中可以看出,数值模拟结果符合理论分析结果,随套管厚度的增大,套管环向应力应变有明显的降低。故套管壁厚越大,套管应力应变越小,破坏越轻,且主要是增强了套管的抗环向破坏能力。说明增大管道的壁厚会提高套管抵抗破坏的能力。

图4三种不同材料下套管的强度分析,说明套管所用材料的屈服是影响套管承受应力的重要作用,套管的屈服强度越大,套管能承受的力越大。

图3 最大剪应力时程曲线

图4 最大剪应力时程曲线

4 结 论

1)对于采用同种材料制造的套管,受到受到地层相对位移的剪切作用时,在外径相同时,套管壁厚越大,所承受外力荷载的能力就越大。

2)同样对于同种材料的套管,当壁厚相同时,外径对套管承受能力的影响不能忽落,外径越大抵抗破坏的能力相对要小。所以,在数值模拟中,套管的选择对计算结果有很大影响,应给予充分重视。

3)套管材料的选择是影响套管承受应力的重要因素。且在实际工程中,应该根据实际作用荷载,来设定荷载的最大作用值、作用时间等参数,这些参数的影响在今后的研究中做进一步工作。

4)ADINA有两种断裂算法:rup ture和fructure,本文仅对套管破坏的进行了rup ture算法的模拟,对套管的裂纹扩展将在以后的研究中进行模拟。

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