定面射孔套管结构动态响应分析及应用

唐凯, 陈建波, 张清彬, 马峰, 杨登波

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司测井公司, 重庆 400021; 2.北京理工大学, 北京 100081)

0 引 言

定面射孔在页岩气、致密油气等非常规油气藏开发中应用越来越广泛[1-4],但是这种新型的射孔技术也带来了新的挑战。如射孔后套管强度的降低程度是否在允许范围内,射孔和地层压力的相互作用是否导致套管变形,套管剩余强度是否能满足下一步泵送射孔、后续压裂等增产措施的要求等成为作业人员关心和亟待解决的问题。

国内外对射孔后套管的研究成果较多[5-9],W.K.Godfrey[10]、G.E.King[11]、Zhaoguang Yuan、Jerome Schubert等人[12]、唐波[13]、仝少凯[14]]主要研究螺旋布孔方式下射孔枪类型、孔密、相位、装药量、套管性能和固井质量等因素对套管变形的影响,其研究方法主要以简化的平面孔板力学模型和有限元分析方法为主,仝少凯等人则主要从套管断裂力学方面入手提出了射孔段套管安全评价的断裂判据:射孔孔眼附近的拉伸应力场和弯曲应力场的应力强度因子小于射孔段套管断裂的临界应力强度因子。在定面射孔这种非螺旋分布射孔方式对套管剩余强度影响的研究上成果较少,简化的平面孔板力学模型不适用。除此之外,斯伦贝谢公司的Andy Marti等[15]研究了定面射孔技术对套管强度降低的影响,通过ANSYS有限元力学分析发现,定面射孔对L80套管的强度降低可达13.5%。

本文在综合国内外研究的基础上,开展了定面射孔套管动力学响应仿真研究及应用,采用静力学分析、动力学响应仿真和试验测试相结合的手段,对定面射孔套管剩余强度作出综合分析研究,提出了以套管塑性应变区域体积与分布的套管结构剩余强度表达方法,得到了不同参数下定面射孔的套管剩余强度。

1 套管材料强度静力学分析

1.1 定面射孔原理

定面射孔是一种采用特殊的布弹方式,射孔后能在垂直于套管轴线的套管同一横截面上形成3个射孔孔眼且相邻孔眼与轴心连线最大夹角不大于90°的射孔技术。为达到控制裂缝走向的目的,采用了非螺旋的布孔方式,在套管同一横截面上形成了多个射孔孔眼,在造成地层应力集中的同时也造成了套管局部应力集中。

1.2 剩余强度有限元分析

采用Proe三维辅助设计软件建立几何模型和静力学分析。为简化计算,只考虑一个横截面的应力分布,建立的套管几何模型参数及尺寸见表1。

表1 套管几何模型参数

套管上的射孔孔眼采用预置孔眼方式,不考虑射流对孔眼边缘的影响。对几何模型进行材料属性赋予、两端约束和网格划分。在套管外表面施加50 MPa外压,静力学分析结果见图1。

图1 定面射孔套管应力云图

如图1所示,由于边界约束效应和孔眼边缘应力集中的影响,最大Mises应力1 277 MPa,出现在孔眼边缘,大大超过材料屈服强度,显然不能作为衡量套管剩余强度的标准。如果采用2个孔眼连线上中间应力值作为衡量标准,计算结果偏小,不适用于非螺旋分布套管强度的评价。综合分析应力分布区域及体积大小,射孔孔眼附近的灰白应力图谱区域分布面积最大,可以作为衡量套管剩余强度的计算标准。该区域应力值为401～526 MPa,按最大值526 MPa计算,套管剩余强度为86.2%,下降13.8%(见图1)。

η=p＇×σs/(σ＇×p)=

50×552/(526×60.9)=86.2%

(1)

式中,η为套管剩余强度;p＇为应力分析时套管外压强度,MPa;σs为材料屈服强度,MPa;σ＇为分析结果中最大危险区域应力值,MPa;p为套管理论抗外压强度,MPa。

1.3 金相组织分析

金相组织分析目的在于观察和分析在石油射孔这一高温高压耦合冲击过程中石油套管的金相组织变化,从微观角度认识射孔过程对套管性能的影响。

在套管上按照不同位置选取7组进行线切割加工得到所需的样件。

图2是第1组和第3组放大500倍的金相组织图。第1组试样未受射孔作用的影响,其基体为铁素体和弥散分布于其中的细粒状渗碳体组成的粗大的回火索氏体与部分羽毛状上贝氏体构成网络状分布;第3组试样距离射孔位置为圆周方向3 mm,受到热传导与热冲击效应大,马氏体数量急剧增加;第5组试样距离射孔位置轴向3 mm,受热传导与热冲击效应最明显,形成了大量的片状马氏体、部分回火索氏体与少量条形马氏体;第6组试样位置为射孔弹背面处内表面,理论上只受到冲击作用,形成了一定量的片状马氏体,回火索氏体数量有所减少。

图2 第1组和第3组金相图(500倍)

通过对比分析可知,未经射孔作用的金属材料金相组织晶粒相对比较均匀,从而具有良好的综合机械性能,较高的强度,良好的塑性和韧性。经射孔作用后,产生了马氏体,离射孔位置愈近,马氏体数量愈多。随着马氏体数量的增多,套管硬度得到提升,但韧性降低,最终导致力学性能的减弱。射孔孔眼附近区域受热传导与热冲击效应最明显,为射孔后套管的危险区域,这一结论也与前述静力学分析选择的衡量区域相互印证,证明了本文提出的衡量定面射孔套管剩余强度标准的可行性。

2 套管结构强度动力学响应仿真

套管所受冲击载荷源主要为射孔弹爆炸冲击波、爆炸产物气体以及聚能射流。射流速度极高,套管壁孔眼可认为瞬时形成,因此,以射流为载荷源时忽略对壁面冲击作用而以射流横向效应为主。不同孔眼横向效应区分时序相互叠加则会使套管壁产生局部应力集中。

进行动力学分析计算时,套管外壁加载100 MPa的外压,同时建立外部带有水泥环的套管响应模型,水泥环的强度为30 MPa。将外压加载在水泥环外部进行数值计算,并将两者的计算结果进行对比。

根据射孔爆炸的实际情况,对套管内壁的载荷进行加载。采用ANSYS LS-DYNA分析后套管的响应(见图3)。

图3 套管应变云图及全局加速度曲线

Φ139.7 mm套管定面工况下,射孔作业在套管壁上留下的射孔间隔60°呈1条直线排布,又呈60°相位在大循环下排布。在套管外加水泥环后。整条套管的变形减弱,只在射孔周围留下了由于射流作用的小型形变。

由于套管动态响应属于时间和空间上的连续函数,无法进行单独隔离,因此,也就不能采用静力学套管剩余强度的方法进行评价。本文提出了一种以套管塑性应变区域体积与分布规律为依据的套管剩余结构强度表达方法。该方法的核心是选取塑性应变范围0.1～1为高应变,0.01～0.1为中应变,0.001～0.01为低应变,其余范围认为未发生塑性应变,通过比较各个应变区的体积比作为强度优劣判据。图4和图5为根据分析结果统计的低应变区、中应变区和高应变区的体积分布情况。

如图4所示,在Φ139.7 mm套管定面工况下,采用L80钢级套管时,套管的大部分体积处于中应变区;在采用TP110套管时,套管处于低应变区和中应变区的体积之比接近2∶1,高钢级套管的安全风险明显降低。

图5 不同内压下定面套管塑性应变分布体积对比

如图5所示,无内压情况下整个套管99.79%的体积处于中应变区,在有内压情况下套管的应变体积分布明显得到改善。由于塑性形变是不可逆的形变,塑性形变值越高意味着材料/结构发生不可逆形变程度越大,力学结构完整性便越低,其存在的安全风险也就越大。

3 现场应用

截至目前为止,在XX101-94-X1井、XXH2平台、XXH3平台等成功完成数十井次的定面射孔现场试验。在现场应用定面射孔技术前,通过对套管强度进行校核,确保了射孔后套管完整,定面射孔段未发生变形和坍塌等情况。

图6 XX101-94-X1井井径曲线与WIVA三维成像截面

XX101-94-X1井射孔段套管采用P110钢级壁厚9.17 mm的Φ139.7 mm套管和89型定面射孔器材,套管抗挤强度76.5 MPa,按照静力学分析方法计算剩余强度90.7%,即为69.39 MPa。图6是XX101-94-X1井定面射孔井段2 714.2～2 716.1 m的MIT24井径曲线与WIVA三维成像截面,可直接反映油套管内壁变化情况,故可用于油套管内壁检测和进行腐蚀判断。在所测量的井段内,射孔段孔眼明晰可辩,定面功能清晰,套管完整没有发生变形破坏。

4 结 论

(1) 定面射孔套管静力学分析中,提出了以应力分布危险区域最大应力值为衡量标准的计算套管剩余强度的方法,本文所建立的定面射孔L80套管模型强度下降13.8%。

(2) 进行了定面射孔非对称动态加载耦合静压加载的套管动力学响应数值仿真研究,提出了考虑套管塑性应变区域体积与分布的套管结构剩余强度表达方法,并进行了不同钢级和不同内压条件下的结构强度比较。

(3) 通过金相分析试验间接方法联合证实了在射流作用下套管局部材料发生相变,对套管局部材料强度产生影响,加剧定面射孔套管的结构强度损伤。

(4) 定面射孔套管的静力学和动力学响应研究为套管强度校核提供了依据,并在致密气、页岩气现场应用中保障了定面射孔套管不发生变形和破坏。

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