練章華羅澤利步宏光李才雄李長平
1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室;2 大港油田公司采油工藝研究院;3 大港油田公司采油三廠
水泥環(huán)環(huán)狀缺失套損機(jī)理及防控措施
練章華1羅澤利1步宏光2李才雄3李長平3
1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室;2 大港油田公司采油工藝研究院;3 大港油田公司采油三廠
固井質(zhì)量差,后續(xù)作業(yè)使油氣井某處水泥環(huán)小段缺損,致使套管與水泥環(huán)之間出現(xiàn)間隙而使套管受力變化,造成套損?;诖蟾塾吞飾椖蠔|油田現(xiàn)場資料及彈塑性力學(xué)原理,建立了套管-缺失水泥環(huán)-地層對稱有限元模型,研究水泥環(huán)全部缺失不同高度、缺失后套管與水泥環(huán)間隙大小及不同內(nèi)壓對套管受力的影響,從而研究水泥環(huán)全部缺失套損的防控措施。研究表明:在水泥環(huán)完好與水泥環(huán)缺失部分交界面套管出現(xiàn)最大應(yīng)力,在水泥環(huán)缺失段出現(xiàn)較大應(yīng)力,且處于穩(wěn)值高應(yīng)力狀態(tài);此外,內(nèi)壓越高,在環(huán)狀缺失段,套管的最大應(yīng)力越大;不同的水泥環(huán)缺失高度,在缺失段應(yīng)力均相等,而不同的第一界面間隙對套管受力影響?。磺已芯堪l(fā)現(xiàn)僅增加壁厚,不能有效防控水泥環(huán)缺失段套損,增加鋼級為有效方法。通過以上分析研究對水泥環(huán)全部缺失防控套損的研究提供有益借鑒。
水泥環(huán)缺失;套管損環(huán);有限元分析;防控措施;固井質(zhì)量
水泥環(huán)是油井的重要組成部分,水泥環(huán)的受力狀況和完整程度會影響到套管的受力。水泥環(huán)的存在可以有效封隔地層,以防止油氣開發(fā)過程中油、氣、水竄;其次水泥環(huán)可以有效支撐其內(nèi)部套管,從而減小井眼周圍地層圍巖對套管的擠壓,起到保護(hù)套管的作用[1],而水泥環(huán)缺失會帶來很多危險[2]。近年來,不少國內(nèi)外專家用不同的研究方法對水泥環(huán)的完整程度、缺失形態(tài)、性能等對套管的受力影響進(jìn)行了研究。2007年,楊雄文[3]等用有限元方法研究了水泥環(huán)缺陷對套管強(qiáng)度的影響,考慮了缺失后溫度的影響以及對應(yīng)的應(yīng)力、位移的變化。陳勇(2008)等[4]、趙鵬(2009)等[5]、曹暢(2011)等[6]用有限元方法研究了在水泥環(huán)周向不同的缺失程度下熱應(yīng)力造成的套損,研究表明隨著水泥環(huán)周向缺失程度增加,套管的等效應(yīng)力峰值減小,并推斷在完全缺失時,套管無熱應(yīng)力的影響。2009年,龐秉謙等[7]分析了套管磨損、水泥環(huán)缺陷位置對套管受力的影響,研究表明當(dāng)套管內(nèi)壁磨損位置與水泥環(huán)缺陷位置角度相等時套管內(nèi)應(yīng)力最大,且最大應(yīng)力在最小地應(yīng)力方向。2012年,黃祥峰等[8]研究了水泥環(huán)的彈性模量對套管應(yīng)力的影響,研究表明,當(dāng)水泥環(huán)的彈性模量為20 GPa時,套管應(yīng)力達(dá)到峰值,而水泥環(huán)的彈性模量大于20 GPa,套管應(yīng)力呈下降趨勢。因此,在套管達(dá)到峰值前減小水泥環(huán)的彈性模量或達(dá)到峰值后增加水泥環(huán)的彈性模量可以減小套管應(yīng)力;而水泥環(huán)缺失330°時,應(yīng)力最大。同年,鄒阿七等[9]通過有限元模擬,馮進(jìn)等[10]用相似準(zhǔn)則計算分析了水泥環(huán)對套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度影響,得出了有水泥環(huán)保護(hù)下,磨損量對套管的剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度的影響規(guī)律;同時,對水泥環(huán)存在缺陷條件下進(jìn)行有限元計算,得出水泥環(huán)在缺損不同角度時套管剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。2014年,李若瑩等[11]研究了水泥環(huán)對套管應(yīng)力的影響,得出了周向缺失在45°左右出現(xiàn)最大應(yīng)力,而徑向缺失在0°或360°出現(xiàn)最大應(yīng)力,因此水泥環(huán)的缺失會導(dǎo)致套管產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞。2015年,蔣可等[12]對水泥環(huán)竄槽缺失、套管偏心和井徑變化3種固井質(zhì)量差的情況對套損影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明水泥環(huán)缺失時會在套管內(nèi)壁上產(chǎn)生較嚴(yán)重的應(yīng)力集中,且套管應(yīng)力隨缺失角度的增加而增加,套管偏心會極大增加套管應(yīng)力。同年,彭泉霖等[13]總結(jié)了目前國內(nèi)外關(guān)于水泥環(huán)缺陷對套管強(qiáng)度影響的研究現(xiàn)狀;賀恒等[14]對水泥環(huán)缺失下套管抗爆炸強(qiáng)度進(jìn)行了研究,且得出水泥環(huán)缺失量大于某一個值時,套管的內(nèi)壁最先達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度。專家學(xué)者們在水泥環(huán)的環(huán)向,縱向缺失對套管受力的影響方面都有大量的研究,并且得出了許多的成果,但是對水泥環(huán)縱向缺失高度和第一界面的間隙對套管受力的影響研究比較少,而現(xiàn)場很容易出現(xiàn)第一界面膠結(jié)不牢而使小段套管四周出現(xiàn)間隙,致使套損[15],并且對水泥環(huán)缺失套損的防控措施方面研究比較少。因此,結(jié)合大港棗南東油田的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及資料,根據(jù)彈塑性力學(xué)理論,建立地層-缺失水泥環(huán)-套管對稱有限元模型,研究水泥環(huán)環(huán)向缺失不同高度、間隙對套管受力的影響,從而研究水泥環(huán)環(huán)向缺失套損的防控措施。
Mathematical mechanics model
Loading outside the casing
固井質(zhì)量不好或其他原因造成水泥環(huán)缺損一小段而使套管外壁與水泥環(huán)沒能緊密結(jié)合,而出現(xiàn)環(huán)狀間隙,從而使套管在地層中的受力情況發(fā)生變化,造成套損[16-17]。在水泥環(huán)缺失段套管受力示意圖簡化為圖1所示。
圖1 套管受力示意圖Fig. 1 Schematic map of casing stress
假設(shè)在整個井段任何橫截面上套管與地層的相對位置相同,井眼為規(guī)則圓形,套管無磨損,在井下幾米范圍內(nèi)套管所受壓力近似相同。套管承受內(nèi)壓p0,以及來自地層的外擠壓力 (設(shè)套管受均勻外擠壓力),由于水泥環(huán)小段的環(huán)狀缺失,在缺失段套管失去了水泥環(huán)支撐,且地應(yīng)力也無法通過水泥環(huán)傳遞到套管上,不能平衡井筒內(nèi)壓。套管在水泥環(huán)缺失段與水泥環(huán)完好段的界面形成了剪切作用,因此,在缺失的界面套管容易損壞,而缺失段單向受力,也極易發(fā)生套損。在固井作業(yè)后形成的水泥環(huán)包裹下,套管的外擠力可以表述為[18]
式中,σcR為套管外壁載荷,MPa;σp為地應(yīng)力,MPa;EF為地層彈性模量,MPa; ES為水泥環(huán)彈性模量,MPa;Ec為套管彈性模量,MPa;vF為地層泊松比;vS為水泥環(huán)泊松比;vc為套管泊松比;RF為地層外半徑,mm;RS為水泥環(huán)外半徑,mm;Rc為套管外半徑,mm;rc為套管內(nèi)半徑,mm。
Equivalent stress of casing
將Lame問題的基本解用于套管區(qū)域,Rc、rc分別為套管內(nèi)外半徑;套管外邊界條件r = Rc,σr(rc)=σcR;在套管內(nèi)邊界時,r=rc處σr(rc)=0,因此有
式中,σe為套管等效應(yīng)力,MPa;σr為套管徑向應(yīng)力,MPa;σθ為套管周向應(yīng)力,MPa。
將式(1)、(4)代入式(5)即可求出套管的等效應(yīng)力。由于計算較為復(fù)雜,計算出解析解較為困難,因此用ANSYS軟件進(jìn)行分析計算。
Finite element analysis
Mechanics model
固井質(zhì)量差或開發(fā)過程的其他原因造成第一界面出現(xiàn)間隙,使套管的受力發(fā)生變化,即水泥環(huán)缺失部分使套管外壁失去支撐作用,在地應(yīng)力和井筒內(nèi)壓作用下,造成套管損壞。因此,用有限元法建立模型進(jìn)行模擬,研究該情況下套管的受力情況。有限元建模時,按彈性力學(xué)理論中的圣維南原理,井眼尺寸5~7倍以外的范圍的地應(yīng)力場不受影響,選取外徑為139.7 mm的N80鋼級套管,模型的徑向研究半徑即A0A3=4 000 mm,研究高度A0B0=6 000 mm,本模型滿足工程要求,符合實際情況。缺失高度L=1 000 mm,缺失間隙h設(shè)定1~5 mm,本次模擬取h=2 mm。因?qū)ΨQ性,取二分之一進(jìn)行模擬,建立的套管-缺失水泥環(huán)-地層對稱有限元實體模型和有限元力學(xué)模型見圖2和圖3所示,圖3為有限元力學(xué)及網(wǎng)格模型,對實體模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,并施加約束以及力,且在井眼附近通過加密網(wǎng)格來提高計算精度。圖中pup為上覆巖層壓力,σp為平均地應(yīng)力,p0為套管內(nèi)壓。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù),棗南東油田油層段井深1 700~2 100 m,取1 800 m進(jìn)行模擬,其最大、最小水平主應(yīng)力分別為36.4 MPa,30.1 MPa,經(jīng)計算,注水內(nèi)壓為54.5 MPa。
Material mechanics parameters of casing,cement sheath and strata
圖2 有限元實體模型Fig. 2 Finite-element physical model
圖3 有限元力學(xué)模型Fig. 3 Finite-element mechanics model
水泥環(huán)泊松比0.23,水泥固井質(zhì)量好時水泥環(huán)彈性模量7×103MPa,地層彈性模量1.45×104MPa,地層泊松比 0.24[19]。通過實驗,獲得 N80、P110套管材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖4)。從圖4可知,N80、P110套管屈服應(yīng)力分別為 551 MPa、758.6 MPa。
圖4 套管應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 The tress-strain curve of casing
Analysis on finite element calculation results of casing damage in the case of absent cement sheath
2.3.1 水泥環(huán)缺失段套管的應(yīng)力 根據(jù)圖2、圖3的力學(xué)有限元模型及力學(xué)邊界條件,通過模擬計算,得到圖5水泥環(huán)缺失的套管-水泥環(huán)-地層的Von Mises應(yīng)力等值線分布云圖。由圖5可知,其紅色部分應(yīng)力為551~584.5 MPa,根據(jù)圖4可知,套管上紅色區(qū)域已經(jīng)發(fā)生塑性屈服,且均發(fā)生在水泥環(huán)缺失段。由于套管局部環(huán)狀缺失,與套管外壁形成間隙,使套管外壁失去支撐,在地層載荷和井筒內(nèi)壓作用下,套管內(nèi)的塑性應(yīng)力已經(jīng)高達(dá)584.5 MPa,超過了N80套管的屈服強(qiáng)度。據(jù)圖5的應(yīng)力數(shù)據(jù)和云圖可知,套管在水泥環(huán)缺失段發(fā)生了塑性屈服,而水泥環(huán)完好段套管處于彈性狀態(tài)。
圖5 水泥環(huán)缺失地層-水泥環(huán)-套管的Von Mises應(yīng)力等值線分布云圖Fig. 5 The Von Mises stress contours of casing-cement-formation with missing of cement sheath
第一界面不同的缺失程度,可能導(dǎo)致套管受力發(fā)生變化,因此取水泥環(huán)缺失高度L=1 000 mm,模擬在不同間隙h下,套管的應(yīng)力沿路徑A0B0變化情況。由現(xiàn)場統(tǒng)計知,h為1~5 mm,因此分別取h為1,2,3,4,5 mm 進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖 6 所示,可以看出,套管內(nèi)壁沿路徑A0B0的應(yīng)力曲線幾乎是重合的,證明水泥環(huán)環(huán)狀缺失時,間隙h的大小對套管應(yīng)力變化影響不大。根據(jù)圖6的模擬結(jié)果可得,如果固井質(zhì)量不好,沒有使水泥環(huán)和套管緊密結(jié)合,而使套管與水泥環(huán)之間出現(xiàn)間隙,即使間隙h較小,也會使套管應(yīng)力發(fā)生較大變化。從圖6也可看出,沿路徑A0B0,水泥環(huán)完好部分套管上的Von Mises應(yīng)力關(guān)于缺失中部對稱,在水泥環(huán)完好段,套管的應(yīng)力較低,處于彈性變形狀態(tài);在水泥環(huán)完好與水泥環(huán)缺失界面Ⅰ(圖2所示位置)處套管的Von Mises應(yīng)力迅速增大,從圖6可見,界面Ⅰ處有一“應(yīng)力尖峰”,因此在Ⅰ處應(yīng)力達(dá)到最大,因界面剪切作用所致;而在缺失段,套管上的Von Mises應(yīng)力較大且在缺失段應(yīng)力大致相等。
圖6 不同缺失厚度下套管的應(yīng)力沿路徑A0B0變化曲線Fig. 6 The stress variation curves along path A0B0of casing with different missing thickness
水泥環(huán)某段環(huán)狀缺失,其缺失高度L也會對套管受力造成一定的影響,因此,取h=2 mm,L分別取10 mm,30 mm,60 mm,120 mm,250 mm,500 mm,1 000 mm,模擬套管上的應(yīng)力沿路徑A0B0的變化情況,其結(jié)果如圖7所示,當(dāng)L取不同值時,均在水泥環(huán)缺失段界面Ⅰ出現(xiàn)最大應(yīng)力,且在缺失段應(yīng)力均相同。不同的缺失高度L的套管界面Ⅰ的應(yīng)力規(guī)律如圖8所示,可以看出,當(dāng)L為80 mm時,交界面的最大應(yīng)力最大,而L為400 mm時最小應(yīng)力最小。
圖7 不同缺失高度套管內(nèi)的應(yīng)力沿路徑A0B0變化情況Fig. 7 The stress variation along path A0B0of casing with different missing heights
不同的內(nèi)壓對水泥環(huán)環(huán)狀缺失的套管的應(yīng)力的影響如圖9所示,由圖9可見,套管上的最大應(yīng)力隨著內(nèi)壓的增大而增大。由圖6知,最大應(yīng)力在界面Ⅰ上,因此,較大內(nèi)壓會造成界面剪切作用增強(qiáng)。在地層的某深度,套管受到的地層壓力不變,而在缺失段,地層壓力傳不到導(dǎo)管上,且套管無支撐,套管在缺失段受到單向內(nèi)壓作用,隨著套管內(nèi)壓的增加,便增加了界面的剪切作用。根據(jù)圖9的套管應(yīng)力與內(nèi)壓的關(guān)系可以得出,當(dāng)井筒內(nèi)壓較大時,若水泥環(huán)環(huán)狀缺失,套管更容易損壞。
圖8 不同缺失高度套管內(nèi)最大最小應(yīng)力變化規(guī)律Fig. 8 The variation law of maximum and minimum stress with different missing heights
圖9 不同套管內(nèi)壓下套管最大應(yīng)力變化情況Fig. 9 The maximum stress variations with different inner pressures of casing
2.3.2 水泥環(huán)缺失段套損的防控措施
(1)增加套管壁厚與防控水泥環(huán)缺失段套損。圖10為水泥環(huán)缺失高度L=1 000 mm,h=2 mm時,外徑為139.7 mm的N80鋼級套管改變套管的壁厚得到的計算結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,N80鋼級使用較多的套管壁厚3種,分別為7.72 mm,9.17 mm,10.54 mm,因此取這3種壁厚進(jìn)行模擬。從圖10可知,在水泥環(huán)完好段,隨著套管的壁厚增加,套管的應(yīng)力略有降低;而在水泥環(huán)缺失段,當(dāng)壁厚為7.72 mm和9.17 mm時,套管的應(yīng)力變化對壁厚不敏感,即其應(yīng)力變化不大,且應(yīng)力均超過N80套管的屈服應(yīng)力。只有壁厚為10.54 mm時,水泥環(huán)缺失段套管的應(yīng)力才有明顯的降低,但水泥環(huán)完好與缺失交界面Ⅰ處的應(yīng)力仍超過了N80的屈服應(yīng)力。從圖10的模擬結(jié)果知,增加套管壁厚不能有效防控水泥環(huán)缺失段套損。
圖10 不同壁厚的N80套管沿路徑A0B0的應(yīng)力變化曲線Fig. 10 The stress variation curves along path A0B0of N80 casing with different wall thickness
(2)提高套管鋼級與防控水泥環(huán)缺失段套損。圖11是在套管外徑尺寸和其他條件(圖10中條件)不變的情況下,用P110鋼級得到的計算結(jié)果。由圖11可知,3種壁厚套管在水泥環(huán)缺失段最大應(yīng)力均沒有超過P110屈服應(yīng)力758.6 MPa(根據(jù)圖4實驗數(shù)據(jù));而在水泥環(huán)完好段,增加套管的壁厚,其套管的應(yīng)力變化不大,即提高強(qiáng)度不明顯,但在水泥環(huán)缺失段,應(yīng)力變化較大,壁厚從7.72 mm增加到10.54 mm時最大應(yīng)力從671.77 MPa降到了569.24 MPa,即降低了102.57 MPa,如果再增加壁厚,即可以采用非API壁厚套管。
圖11 不同壁厚的P110套管沿路徑A0B0的應(yīng)力變化曲線Fig. 11 The stress variation curves along path A0B0of P110 casing with different wall thickness
根據(jù)圖10、圖11的模擬結(jié)果和分析,可以提出:在水泥環(huán)環(huán)狀缺失地層中,提高鋼級,再增加壁厚能夠防控套損。
(3)合理的內(nèi)壓與防控水泥環(huán)缺失段套損。依據(jù)圖7內(nèi)壓與最大應(yīng)力的關(guān)系,內(nèi)壓較大時,套管上的最大應(yīng)力較高,而依據(jù)圖8可知最大應(yīng)力在界面上,即較大的內(nèi)壓會增加界面的剪切作用,因此,建議采油時保持合理的井筒內(nèi)壓、注水時保持較小且穩(wěn)定的內(nèi)壓也是防控水泥環(huán)缺失的有效措施之一。
Conclusions
(1)建立了地層-缺失水泥環(huán)-套管對稱有限元模型,研究了水泥環(huán)環(huán)狀缺失不同高度與套管受力的關(guān)系,研究表明,在水泥環(huán)缺失高度約為80 mm時,套管上的最大應(yīng)力最大,且不同的水泥環(huán)缺失高度,在缺失段應(yīng)力均相等。
(2)研究了不同水泥環(huán)缺失程度對套管應(yīng)力的影響,套管內(nèi)壁應(yīng)力與水泥環(huán)缺失間隙大小對其影響不大。
(3)水泥環(huán)完全缺失時,在水泥環(huán)完好與水泥環(huán)缺失部分交界面處出現(xiàn)最大應(yīng)力,在水泥環(huán)缺失段出現(xiàn)較大應(yīng)力且應(yīng)力大致相等,在此容易發(fā)生套損。
(4)增加套管壁厚不能有效防控水泥環(huán)缺失段套損,提高鋼級鋼級,再增加壁厚,能有效防控水泥環(huán)缺失段套損;此外,保持合理的內(nèi)壓也是防控水泥環(huán)缺失段套損的有效手段。
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(修改稿收到日期 2017-03-21)
〔編輯 薛改珍〕
Mechanical and control measures on casing damage due to annular absence of cement sheath
LIAN Zhanghua1, LUO Zeli1, BU Hongguang2, LI Caixiong3, LI Changping3
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;2. Oil Production Technology Institute, PetroChina Dagang Oil field Company, Tianjin 300280, China;3. The Third Oil Production Plant, PetroChina Dagang Oil field Company, Cangzhou 061035, Hebei, China
If cementing is of poor quality, a small section of cement sheath will be absent in a certain part of oil and gas well in the subsequent operation. As a result, clearance occurs between the casing and the cement sheath, so casing stress changes and the casing is ultimately damaged. A symmetric fnite element model of casing-absent cement sheath-strata was established based on the feld data of Zaonandong Oilfeld in Dagang Oilfeld and the principle of plasto elasticity. By virtue of this model, the effects of the height of complete cement sheath absence, the size of clearance between the casing and the cement sheath after the absence of cement sheath and the internal pressure on the casing stress were investigated, and the control measures for complete absence of cement sheath were proposed correspondingly. It is shown that the stress on the casing at the interface between complete cement sheath and incomplete cement sheathis the maximum value. The stress in the section where cement sheath is absent is higher and stable. The higher the internal pressure is,the higher the maximum stress on the casing in the annular absence section is. The stress on the sections with absent cement sheath is equal no matter what the absence height of cement sheath is. Casing stress is less affected by the clearance at the frst interface. It is demonstrated that the casing damage in the section with absent cement sheath cannot be controlled effectively only by increasing the wall thickness, and the effective method is to increase the steel grade. These researches and analysis can be used as the benefcial reference to study casing damage control while cement sheath is completely absent.
absence of cement sheath; casing damage; fnite element; control measure; cementing quality
練章華,羅澤利,步宏光,李才雄,李長平.水泥環(huán)環(huán)狀缺失套損機(jī)理及防控措施[J] .石油鉆采工藝,2017,39(4):435-441.
TE931.2
A
1000 – 7393( 2017 ) 04 – 0435 – 07
10.13639/j.odpt.2017.04.008
:LIAN Zhanghua, LUO Zeli, BU Hongguang, LI Caixiong, LI Changping. Mechanical and control measures on casing damage due to annular absence of cement sheath[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4): 435-441.
國家自然科學(xué)基金“極端條件下氣井油套管端力學(xué)行為及其螺紋密封機(jī)理研究”(編號:51574198);國家教育部博士點基金項目“基于XFEM和細(xì)觀力學(xué)的超深井鉆工具疲勞破壞機(jī)理研究”(編號:20135121110005)。
練章華(1964-),1994年畢業(yè)于西南石油學(xué)院機(jī)械工程專業(yè),獲博士學(xué)位,現(xiàn)從事CAD/CAE/CFD、套管損壞機(jī)理、管柱力學(xué)及射孔完井等教學(xué)與科研工作,教授,博士生導(dǎo)師。通訊地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)國家重點實驗室。電話:028-83032210。E-mail: cwctlzh@swpu.edu.cn
羅澤利(1988-),2015年畢業(yè)于重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程院系,現(xiàn)主要研究油氣井固井與完井工作。通訊地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)國家重點實驗室。E-mail:793609127@qq.com