高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律

摘要：由于高温高压井中，固井工况复杂，套管与水泥环之间会出现缺失现象，导致套管损坏，尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题，以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象，建立了套管水泥环缺失套管水泥环套管地层轴对称有限元模型，模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元，岩石和水泥环采用EDP本构模型，相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明，该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况，解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题；当套管环空出现环状缺失时，水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性，在深井、超深井中，建议优化水泥环返高，使水泥环不返到井口，减小固井段长度，消除水泥环缺失问题。

关键词：水泥环缺失；套管损坏；有限元分析；圈闭流体单元；固井质量

引言

固井水泥环是确保油气井完整性的关键因素之一，固井质量直接影响后续作业和生产。固井时，在水泥浆驱替钻井液的过程中，由于油气井的井眼轨迹复杂，环空呈非线性几何结构，可能会引起钻井液滞留，导致水泥环缺失等固井质量问题，影响油气井的井筒完整性。在塔里木盆地克深、顺北和准噶尔盆地南缘等高温（高于120℃）、高压（大于75 MPa）及超深（超过6 000 m）油气井中，采用多层套管固井（表层套管、技术套管和油层套管等）的较为常见。地应力、井筒压力和温度等因素对套管的相互影响，令水泥环和套管的受力情况更加复杂，使套损机理变得更加复杂化。近年来，高温高压井中环空带压问题日益严重，其中，固井时出现水泥环缺失是引发套管损坏和环空带压的重要原因，对油气井的完整性和安全性带来潜在影响。因此，有必要深入研究高温高压井中水泥环缺失对多层套管应力的影响。

近年来，针对水泥环缺失对套管强度影响的问题，一些学者研究了不同的井况、水泥环缺失角度、缺失形态及水泥环材料性能等对套管的影响规律。曹畅等研究了水泥环缺陷程度与套管承载能力的关系；黄祥峰等分析了水泥环的弹性模量对套管应力的影响；庞秉谦等研究管柱套管内壁磨损位置与水泥环缺陷位置对套管应力的影响；邹阿七等分析水泥环在不同角度缺失时对套管剩余抗内压强度的变化规律；于浩等针对固井质量对套管的影响进行研究，对缺失情况等不同固井质量下运用ABAQUS有限元分析软件进行了仿真分析，为固井质量差导致套管失效提供了理论依据；崔明月等认为固井质量差，水泥环缺失是套管损坏的原因；练章华等研究了环状缺失对套管的影响，提出了水泥环全部缺失套损的防控措施；宋烨炜等采用有限元模拟分析了水泥环的弹性模量、套管偏心率和椭圆度对套管强度的影响。

在常规分析的研究基础上，对于近几年出现针对某类特殊地层或其他特殊工况的研究，则是目前国内外研究的热点之一。针对热采井，杨雄文等对水泥环缺陷引起的套管应力变化进行研究分析；陈勇等研究了水泥环周向局部破坏对套管力学性能的影响；祝效华等将温度场与应力场耦合，分析高温热采井水泥环缺陷对套管安全性；Sale-habadi等研究了在不同水泥环缺陷的情况下，水泥环热学性能与力学参数对套管应力的影响；赵鹏等则研究了热采和非热采两种情况不同水泥环缺陷角度对套管受力的影响。对于水平井，Pattillo等建立了含不同角度下环向缺陷有限元模型，分析了水泥环应力与时间的变化规律；席岩等分析瞬态温压作用下页岩气水平井水泥环缺失进行研究，表明力热耦合作用使得套管最大应力出现在缺失处两侧；蒋可等针对页岩气井水平段套管的压裂工况，对水泥环窜槽缺失等井质量差的情况对套损影响进行了研究，固井质量差是套管损坏的主要原因；窦益华等则分析了第一胶结面和第二胶结面水泥环缺失厚度对套管强度影响。

以上研究为水泥环缺失对套管强度的影响做了大量工作，取得了一些理论成果，具有重要的参考价值，然而，在深井、超深井、高温、高压以及高产井中，对多层套管在水泥环缺失套管受力的影响研究较少，在水泥环缺失部位被流体与固体的相互作用影响规律也鲜有报道，目前现场工程师或研究人员只能凭经验保守估算认为缺失部位压力为零，或者直接按液体密度液柱压力计算其外压，直接施加到缺失部位，该方法要么过于保守，要么过于激进。因此，对水泥环缺失处套管应力分析，需要建立较为真实反映现场情况的分析模型，故本文建立了3层结构的套管-水泥环缺失-套管-水泥环-套管-地层轴对称有限元模型，该模型创新性地引入了圈闭流体单元解决缺失处流固耦合问题，考虑了多层套管水泥环的应力传递，采用岩土EDP本构模型，研究套管与水泥环之间出现环状缺失对套管受力的影响。

1水泥环缺失套管受力分析

以新疆准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井作为分析对象，井身结构如图1所示，本文针对2 000m处3层套管结构开展研究。

油气井在开采过程中，套管同时承受来自地层的外挤压力（设套管受均匀外挤压力）以及井筒液体的内压，由于水泥环小段的环状缺失（缺失部分一般会被地层中的水充满），在缺失的界面处套管容易发生局部塑性应变损伤破坏，导致套管损坏。