深井超深井地層水泥環(huán)特性對套管載荷的影響

盧亞鋒,唐 庚,劉殿富,林元華,于 林

(1.中油西南油氣田公司,四川 廣漢 618300;2.中油川慶鉆探工程有限公司,四川 成都 610051; 3.西南石油大學(xué),四川 成都 610500;4.中油西南油氣田公司,重慶 405200)

深井超深井地層水泥環(huán)特性對套管載荷的影響

盧亞鋒1,唐 庚1,劉殿富2,林元華3,于 林4

(1.中油西南油氣田公司,四川 廣漢 618300;2.中油川慶鉆探工程有限公司,四川 成都 610051; 3.西南石油大學(xué),四川 成都 610500;4.中油西南油氣田公司,重慶 405200)

由于軟巖層在深井高溫高壓環(huán)境下具有一定的流變性,為了更加真實(shí)地反應(yīng)不同地層巖性情況下水泥環(huán)特性對套管外載的影響,采用有限元方法建立了套管 -水泥環(huán) -地層組合體三維空間有限元模型,研究了不同地層巖性情況下套管載荷的差異,同時結(jié)合實(shí)例分析水泥環(huán)彈性模量和泊松比對套管載荷的影響。研究認(rèn)為,在巖性較軟的地層,應(yīng)優(yōu)選剛度較大的水泥環(huán),可幫助套管抵御一部分外載;在地層巖性較硬時,應(yīng)該降低水泥環(huán)剛度,有助于吸收一部分外擠壓力,達(dá)到保護(hù)套管的目的;在深井超深井固井過程中應(yīng)根據(jù)不同地層情況適時調(diào)整水泥漿特性,以降低套管外載,保證油氣井安全。

深井;有限元;水泥環(huán);套管;載荷;塔里木油田;羊塔克區(qū)塊

引 言

近年來隨著勘探開發(fā)力度不斷加大,一系列埋藏較深的大型油氣田被發(fā)現(xiàn)。例如塔里木的克拉、英買力等氣田埋深在 5 000 m以上,四川的龍崗、普光氣田埋深都在 5 500 m以上。深井超深井油氣田的勘探開發(fā)面臨著很多困難,在開發(fā)過程中經(jīng)常鉆遇大段泥巖層和鹽膏層井段,由于鹽膏巖在深部高溫高壓的環(huán)境下具有很強(qiáng)的流變特性,因此,在這些井段經(jīng)常出現(xiàn)井眼縮徑、卡鉆、套管遇阻、套管擠毀等井下事故[1-12]。近年來很多學(xué)者對流變地層套管載荷進(jìn)行了大量研究,得到了一些有意義的研究成果。目前普遍采用提高套管鋼級和壁厚來增強(qiáng)套管的抗擠毀性能,但由于受深井井深結(jié)構(gòu)以及套管制造工藝等因素的限制,在這些地層還是經(jīng)常出現(xiàn)套管擠毀變形等井下事故。以塔里木油田羊塔克區(qū)塊 1口深井為例,重點(diǎn)分析了水泥環(huán)彈性模量和泊松比在不同地層巖性情況下對套管外載的影響,從另外一個角度找到降低深部流變地層井段套管載荷的有效方法。

1 三維空間有限元模型的建立

根據(jù)塔里木油田羊塔克區(qū)塊 X井進(jìn)行的巖心

根據(jù)塔里木油田羊塔克區(qū)塊 X井的實(shí)際井身結(jié)構(gòu)建立有限元模型。X井在井深 4500多米的流變地層井段實(shí)際井身結(jié)構(gòu):套管外徑為 250.8 mm,壁厚為 15.88 mm,井眼鉆頭直徑為 311.5 mm,套管的彈性模量為 210 GPa,套管泊松比為 0.25。為了研究水泥環(huán)特性在不同地層情況下對套管外載的影響,模型取水泥環(huán)彈性模量為 5～50 GPa,地層彈性模量Es為 10～40 GPa,水泥環(huán)泊松比為0.10～0.49,地層泊松比為 0.30。

鹽膏巖在高溫高壓環(huán)境下具有很強(qiáng)的流變特性,根據(jù)文獻(xiàn)研究可知[12],巖鹽蠕變本構(gòu)方程可以用 Heard模型進(jìn)行描述,并得到了相關(guān)參數(shù)。力學(xué)實(shí)驗(yàn),得到鹽巖蠕變力學(xué)參數(shù)。其中鹽巖的激活能為 83 207.208 J/mol,A為 35.23,B為 0.61,巖鹽泊松比為 0.45,巖鹽彈性模量為 5 GPa。

2 軟巖層對套管外載的影響

對于套管而言,承受的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力不在同一個數(shù)量級,套管主要承受切向應(yīng)力載荷。對于水泥環(huán)而言,承受的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力基本在同一數(shù)量級,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于套管應(yīng)力,因此,重點(diǎn)對套管受到的切向應(yīng)力進(jìn)行分析。圖 1為軟地層切向應(yīng)力沿井半徑方向分布圖,圖 2為硬地層切向應(yīng)力沿井半徑方向分布圖。可以看出,對軟地層 (Es為10 GPa)和硬地層(Es為 40GPa)而言,在相同地應(yīng)力作用下,由于軟巖層的流變性較大,作用在套管上的切向應(yīng)力明顯大于硬地層。單因素分析發(fā)現(xiàn),在軟地層套管外載相對于硬地層增大近 50%,這對于深井超深井鉆遇復(fù)雜地層優(yōu)選套管是非常不利的。同時可知,套管內(nèi)壁受到的載荷最大,套管受力屈服首先會在內(nèi)表面失效,水泥環(huán)受到的切向應(yīng)力明顯低于套管的切向應(yīng)力。

圖 1 軟地層切向應(yīng)力沿井半徑方向分布

圖 2 硬地層切向應(yīng)力沿井半徑方向分布

3 水泥環(huán)特性對套管載荷的影響

圖 3為水泥環(huán)彈性模量對套管載荷的影響規(guī)律?？梢钥闯?水泥環(huán)彈性模量對套管外載有重要影響。當(dāng)?shù)貙訌椥阅Ａ繛?5 GPa時,即軟巖地層,采用大的水泥環(huán)彈性模量,即水泥環(huán)剛度較大時,非常有利于抵抗由軟巖層流變給套管帶來的附加載荷。但當(dāng)?shù)貙訋r性較硬時,可采用剛度較小的水泥環(huán),其作用機(jī)理是高剛度硬性地層自身能承受較大的地層應(yīng)力,低剛度的水泥環(huán)承受較小的應(yīng)力,達(dá)到水泥環(huán)卸載外界壓力,有效保護(hù)套管的目的。固井設(shè)計者應(yīng)根據(jù)不同的地層特性適時調(diào)整水泥漿特性,這樣才能為深井超深井套管設(shè)計提供幫助。

圖 3 水泥環(huán)彈性模量對套管載荷的影響規(guī)律

圖 4為水泥環(huán)泊松比對套管載荷的影響規(guī)律?？梢钥闯?在軟地層中,增大水泥環(huán)泊松比,套管載荷降低;硬地層,水泥環(huán)泊松比變大,套管載荷反而增加。但無論何種地層,套管載荷的變化幅度并不大,且水泥環(huán)的泊松比本身變化范圍有限,因此,很難通過改變泊松比的大小來改變套管的受力狀況。

圖 4 水泥環(huán)泊松比對套管載荷的影響規(guī)律

4 結(jié) 論

(1)以有限元方法建立了套管 -水泥環(huán) -地層組合體三維空間力學(xué)模型,系統(tǒng)分析了不同巖性地層、水泥環(huán)彈性模量和泊松比對套管外載的影響。

(2)通過具體的實(shí)例計算分析發(fā)現(xiàn),在深部軟巖層井段,套管外載增加幅度較大,若在設(shè)計過程中忽略此問題,易造成套管擠毀等井下事故。在地層巖性較軟的地層,應(yīng)優(yōu)選剛度較大的水泥環(huán),可幫助套管抵御一部分外載;在地層巖性較硬時,應(yīng)降低水泥環(huán)剛度,有助于吸收一部分外擠壓力,達(dá)到保護(hù)套管的目的。水泥環(huán)的泊松比對套管載荷影響較小,且水泥環(huán)泊松比變化不大,因此,可以不考慮其對套管載荷的影響。

(3)深井超深井由于受到地層復(fù)雜性、井身結(jié)構(gòu)、套管選材等諸多因素的影響,當(dāng)鉆遇復(fù)雜地層,提高套管自身強(qiáng)度等受到限制時,可通過優(yōu)選水泥環(huán)特性來降低套管載荷,提高油氣井的安全性。

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編輯 王 昱

TE256

A

1006-6535(2010)05-0116-03

20100209;改回日期:20100425

“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”(NCET-08-0907)和四川省杰出青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)基金 (06ZQ026-028)

盧亞鋒 (1981-),男,助理工程師,碩士,2006年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專業(yè),現(xiàn)從事油氣井工程技術(shù)研究工作。