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第 39 卷 第 4 期 17 年 7 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY 文章编号 1 7393 17 4 435 7 Vol. 39 No. 4 July 17 DOI:1.13639/j.odpt.17.4.8 环状缺失套损机理及防控措施 练章华 1 罗泽利 1 步宏光 李才雄 3 李长平 3 1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 大港油田公司采油工艺研究院 3 大港油田公司采油三厂 引用格式 练章华 罗泽利 步宏光 李才雄 李长平. 环状缺失套损机理及防控措施 J. 石油钻采工艺 17 39 4 435-441. 摘要 固井质量差 后续作业使油气井某处小段缺损 致使套管与之间出现间隙而使套管受力变化 造成套 损 基于大港油田枣南东油田现场资料及弹塑性力学原理 建立了套管 - 缺失 - 地层对称有限元模型 研究全部 缺失不同高度 缺失后套管与间隙大小及不同内压对套管受力的影响 从而研究全部缺失套损的防控措施 研究 表明 在完好与缺失部分交套管出现最大应力 在缺失段出现较大应力 且处于稳值高应力状态 此 外 内压越高 在环状缺失段 套管的最大应力越大 不同的缺失高度 在缺失段应力均相等 而不同的第一间隙对 套管受力影响小 且研究发现仅增加壁厚 不能有效防控缺失段套损 增加钢级为有效方法 通过以上分析研究对水泥 环全部缺失防控套损的研究提供有益借鉴 关键词 缺失 套管损环 有限元分析 防控措施 固井质量 中图分类号 TE931. 文献标识码 A Mechanical and control measures on casing damage due to annular absence of cement sheath LIAN Zhanghua1, LUO Zeli1, BU Hongguang, LI Caixiong3, LI Changping3 1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 615, Sichuan, China;. Oil Production Technology Institute, PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 38, China; 3. The Third Oil Production Plant, PetroChina Dagang Oilfield Company, Cangzhou 6135, Hebei, China Citation: 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, 17, 39(4): 435-441. Abstract: 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 finite element model of casing-absent cement sheath-strata was established based on the field data of Zaonandong Oilfield in Dagang Oilfield 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 sheath 基金项目 国家自然科学基金 极端条件下气井油套管端力学行为及其螺纹密封机理研究 编号 51574198 国家教育部博士点基 金项目 基于 XEM 和细观力学的超深井钻工具疲劳破坏机理研究 编号 13511115 第一作者 练章华 1964-1994 年毕业于西南石油学院机械工程专业 获博士学位 现从事 CAD/CAE/CD 套管损坏机理 管柱力学及 射孔完井等教学与科研工作 教授 博士生导师 通讯地址 615 四川省成都市新都区西南石油大学国家重点实验室 电 话 8-8331 E-mail cwctlzh@swpu.edu.cn 通讯作者 罗泽利 1988-15 年毕业于重庆科技学院石油与天然气工程院系 现主要研究油气井固井与完井工作 通讯地址 615 四川省成都市新都区西南石油大学国家重点实验室 E-mail 7936917@qq.com

436 石油钻采工艺 17 年 7 月 第 39 卷 第 4 期 is 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 first 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 beneficial reference to study casing damage control while cement sheath is completely absent. Key words: absence of cement sheath; casing damage; finite element; control measure; cementing quality 是油井的重要组成部分 的受力 状况和完整程度会影响到套管的受力 的存 在可以有效封隔地层 以防止油气开发过程中油 气 水窜 其次可以有效支撑其内部套管 从 而减小井眼周围地层围岩对套管的挤压 起到保护 套管的作用 1 而缺失会带来很多危险 近年来 不少国内外专家用不同的研究方法对水泥 环的完整程度 缺失形态 性能等对套管的受力影 响进行了研究 7 年 杨雄文 3 等用有限元方法 研究了缺陷对套管强度的影响 考虑了缺失 后温度的影响以及对应的应力 位移的变化 陈勇 8 等 4 赵鹏 9 等 5 曹畅 11 等 6 用 有限元方法研究了在周向不同的缺失程度下 热应力造成的套损 研究表明随着周向缺失 程度增加 套管的等效应力峰值减小 并推断在完全 缺失时 套管无热应力的影响 9 年 庞秉谦等 7 分析了套管磨损 缺陷位置对套管受力的影 响 研究表明当套管内壁磨损位置与缺陷位 置角度相等时套管内应力最大 且最大应力在最小 地应力方向 1 年 黄祥峰等 8 研究了的 弹性模量对套管应力的影响 研究表明 当的 弹性模量为 GPa 时 套管应力达到峰值 而水泥 环的弹性模量大于 GPa 套管应力呈下降趋势 因此 在套管达到峰值前减小的弹性模量或 达到峰值后增加的弹性模量可以减小套管应 力 而缺失 33 时 应力最大 同年 邹阿七 等 9 通过有限元模拟 冯进等 1 用相似准则计算 分析了对套管抗内压强度影响 得出了有水 泥环保护下 磨损量对套管的剩余抗内压强度的影 响规律 同时 对存在缺陷条件下进行有限 元计算 得出在缺损不同角度时套管剩余抗 内压强度的变化规律 14 年 李若莹等 11 研究了 对套管应力的影响 得出了周向缺失在 45 左 右出现最大应力 而径向缺失在 或 36 出现最大 应力 因此的缺失会导致套管产生应力集中 破坏 15 年 蒋可等 1 对窜槽缺失 套管 偏心和井径变化 3 种固井质量差的情况对套损影响 进行了研究 结果表明缺失时会在套管内壁 上产生较严重的应力集中 且套管应力随缺失角度 的增加而增加 套管偏心会极大增加套管应力 同 年 彭泉霖等 13 总结了目前国内外关于缺陷 对套管强度影响的研究现状 贺恒等 14 对 缺失下套管抗爆炸强度进行了研究 且得出 缺失量大于某一个值时 套管的内壁最先达到抗拉 极限强度 专家学者们在的环向 纵向缺失 对套管受力的影响方面都有大量的研究 并且得出 了许多的成果 但是对纵向缺失高度和第一 的间隙对套管受力的影响研究比较少 而现场 很容易出现第一胶结不牢而使小段套管四周出 现间隙 致使套损 15 并且对缺失套损的防 控措施方面研究比较少 因此 结合大港枣南东油 田的现场数据及资料 根据弹塑性力学理论 建立地 层 缺失 套管对称有限元模型 研究水泥 环环向缺失不同高度 间隙对套管受力的影响 从而 研究环向缺失套损的防控措施 1 数学力学模型 Mathematical mechanics model 1.1 套管外载荷 Loading outside the casing 固井质量不好或其他原因造成缺损一小 段而使套管外壁与没能紧密结合 而出现环 状间隙 从而使套管在地层中的受力情况发生变化 造成套损 16-17 在缺失段套管受力示意图简 化为图 1 所示 假设在整个井段任何横截面上套管与地层的相 p 套管内壁 套管外壁 cr cr 完好段 缺失段 完好段 图 1 套管受力示意图 ig. 1 Schematic map of casing stress

练章华等 : 环状缺失套损机理及防控措施 437 对位置相同, 井眼为规则圆形, 套管无磨损, 在井下 几米范围内套管所受压力近似相同 套管承受内压 p, 以及来自地层的外挤压力 ( 设套管受均匀外挤压 力 ), 由于小段的环状缺失, 在缺失段套管失 去了支撑, 且地应力也无法通过传递 到套管上, 不能平衡井筒内压 套管在缺失 段与完好段的形成了作用, 因此, 在 缺失的套管容易损坏, 而缺失段单向受力, 也极 易发生套损 在固井作业后形成的包裹下, [18] 套管的外挤力可以表述为 cr c1c1 c c cc + cc + c c + c c c c ( ) 11 1 11 1 1 p H + ( v m R v c c 1 )+ c c c( 1+ c) ( 1 m c ) Ec ( v ) R + R R c 1 S c S c 1+ vs 11 ( RS Rc ) ES 1 ( vs) RcRc( 1+ vs) c1 ( R S Rc ) ES 1 ( vs) RcRR S c( 1+ vs ) c1 ( RS Rc ) ES ( ) + 1 v R R S S c RS( 1+ vs c ( RS Rc ) ES ( ) + 1 v R R R + v S S 1 c11 ( R RS ) E 1 ( v) RRS( 1+ v ) c1 ( R RS ) E h ( ) ) ( ) p (1) () (3) 式中, cr 为套管外壁载荷,MPa; p 为地应力,MPa; E 为地层弹性模量,MPa;E S 为弹性模量, MPa;E c 为套管弹性模量,MPa;v 为地层泊松比 ; v S 为泊松比 ;v c 为套管泊松比 ;R 为地层外 半径,mm;R S 为外半径,mm;R c 为套管外 半径,mm;r c 为套管内半径,mm 1. 套管的等效应力 Equivalent stress of casing 将 Lame 问题的基本解用于套管区域,R c r c 分 别为套管内外半径 ; 套管外边界条件 r R c, r (r c ) cr ; 在套管内边界时,rr c 处 r (r c ), 因此有 c Rc r ( r) Rc rc c Rc θ ( r) Rc rc τ r θ 引入 Mises 应力公式 e r c 1 r r c 1+ r cr cr (4) c c c c θ + r r θ 3 + + 3τ (5) r θ 式中, e 为套管等效应力,MPa; r 为套管径向应力, MPa; θ 为套管周向应力,MPa 将式 (1) ( 4) 代入式 (5) 即可求出套管的等效应 力 由于计算较为复杂, 计算出解析解较为困难, 因 此用 ANSYS 软件进行分析计算 有限元分析 inite element analysis.1 力学模型 Mechanics model 固井质量差或开发过程的其他原因造成第一 出现间隙, 使套管的受力发生变化, 即缺 失部分使套管外壁失去支撑作用, 在地应力和井筒 内压作用下, 造成套管损坏 因此, 用有限元法建立 模型进行模拟, 研究该情况下套管的受力情况 有 限元建模时, 按弹性力学理论中的圣维南原理, 井 眼尺寸 5~7 倍以外的范围的地应力场不受影响, 选 取外径为 139.7 mm 的 N8 钢级套管, 模型的径向 研究半径即 A A 3 4 mm, 研究高度 A B 6 mm, 本模型满足工程要求, 符合实际情况 缺失高 度 L1 mm, 缺失间隙 h 设定 1~5 mm, 本次模拟 取 h mm 因对称性, 取二分之一进行模拟, 建立 的套管 - 缺失 - 地层对称有限元实体模型和 有限元力学模型见图 和图 3 所示, 图 3 为有限元 力学及网格模型, 对实体模型进行了网格划分, 并施 加约束以及力, 且在井眼附近通过加密网格来提高 计算精度 图中 p up 为上覆岩层压力, p 为平均地应 力,p 为套管内压 根据现场数据, 枣南东油田油层 段井深 1 7~ 1 m, 取 1 8 m 进行模拟, 其最大 最小水平主应力分别为 36.4 MPa,3.1 MPa, 经计 算, 注水内压为 54.5 MPa. 套管 地层材料力学参数 Material mechanics parameters of casing, cement sheath and strata 泊松比.3, 水泥固井质量好时水泥

438 石油钻采工艺.3 y B B1 D 套管 完好 与缺失Ⅰ h 地层 p p L 缺失 o A A 1 x A3 图 有限元实体模型 ig. inite-element physical model y pup B 缺失的套损有限元计算结果分析 Analysis on finite element calculation results of casing damage in the case of absent cement sheath.3.1 缺失段套管的应力 根据图 图 3 的 力学有限元模型及力学边界条件 通过模拟计算 得到图 5 缺失的套管 地层的 Von Mises 应力等值线分布云图 由图 5 可知 其红色部 分应力为 551~584.5 MPa 根据图 4 可知 套管上红 色区域已经发生塑性屈服 且均发生在缺失 段 由于套管局部环状缺失 与套管外壁形成间隙 使套管外壁失去支撑 在地层载荷和井筒内压作用 下 套管内的塑性应力已经高达 584.5 MPa 超过了 N8 套管的屈服强度 据图 5 的应力数据和云图可 知 套管在缺失段发生了塑性屈服 而 完好段套管处于弹性状态 D p 17 年 7 月 第 39 卷 第 4 期 剪 切 变 形 区 水 泥 环 缺 失 段 p o A A3 x 图 3 有限元力学模型 ig. 3 inite-element mechanics model 图5 环 弹 性 模 量 7 13 MPa 地 层 弹 性 模 量 1.45 14 MPa 地 层 泊 松 比.4 19 通 过 实 验 获 得 N8 P11 套管材料应力 应变曲线 图 4 从图 4 可 知 N8 P11 套管屈服应力分别为 551 MPa 758.6 MPa 1 8 6 4 N8 P11 1 3 4 5 应变/1 3 6 图 4 套管应力 应变曲线 ig. 4 The tress-strain curve of casing 5.749 1 3 35 4 45 551 584.4 7 8 缺失地层 套管的 Von Mises 应力 等值线分布云图 ig. 5 The Von Mises stress contours of casing-cement-formation with missing of cement sheath 第一不同的缺失程度 可能导致套管受力 发生变化 因此取缺失高度 L1 mm 模 拟在不同间隙 h 下 套管的应力沿路径 AB 变化情 况 由现场统计知 h 为 1~5 mm 因此分别取 h 为 1 3 4 5 mm 进行模拟 结果如图 6 所示 可以看 出 套管内壁沿路径 AB 的应力曲线几乎是重合的 证明环状缺失时 间隙 h 的大小对套管应力 变化影响不大 根据图 6 的模拟结果可得 如果固 井质量不好 没有使和套管紧密结合 而使套 管与之间出现间隙 即使间隙 h 较小 也会使 套管应力发生较大变化 从图 6 也可看出 沿路径 AB 完好部分套管上的 Von Mises 应力关于 缺失中部对称 在完好段 套管的应力较低

439 练章华等 环状缺失套损机理及防控措施 6 Von Misee 处于弹性变形状态 在完好与缺失界 面Ⅰ 图 所示位置 处套管的 Von Mises 应力迅速 增大 从图 6 可见 Ⅰ处有一 应力尖峰 因此 在Ⅰ处应力达到最大 因作用所致 而在 缺失段 套管上的 Von Mises 应力较大且在缺失段应 力大致相等 5 4 3 1 1 mm mm 3 mm 4 mm 5 mm 45 35 5 15 5 1 15 路径AB/mm 5 3 某段环状缺失 其缺失高度 L 也会对套 L 分别取 管受力造成一定的影响 因此 取 h mm 1 mm 3 mm 6 mm 1 mm 5 mm 5 mm 1 mm 模拟套管上的应力沿路径 AB 的变化情 况 其结果如图 7 所示 当 L 取不同值时 均在水泥 环缺失段Ⅰ出现最大应力 且在缺失段应力均 相同 不同的缺失高度 L 的套管Ⅰ的应力规律 如图 8 所示 可以看出 当 L 为 8 mm 时 交的 最大应力最大 而 L 为 4 mm 时最小应力最小 套管内壁 6 5 4 1 mm 5 mm 5 mm 1 mm 6 mm 3 mm 1 mm 1 5 1 15 5 路径AB/mm 4 6 缺失高度/mm 8 1 压的关系可以得出 当井筒内压较大时 若环 状缺失 套管更容易损坏 6 图 6 不同缺失厚度下套管的应力沿路径 AB 变化曲线 ig. 6 The stress variation curves along path AB of casing with different missing thickness 3 图 8 不同缺失高度套管内最大最小应力变化规律 ig. 8 The variation law of maximum and minimum stress with different missing heights 3 35 图 7 不同缺失高度套管内的应力沿路径 AB 变化情况 ig. 7 The stress variation along path AB of casing with different missing heights 不同的内压对环状缺失的套管的应力的 影响如图 9 所示 由图 9 可见 套管上的最大应力随 着内压的增大而增大 由图 6 知 最大应力在 Ⅰ上 因此 较大内压会造成作用增强 在 地层的某深度 套管受到的地层压力不变 而在缺失 段 地层压力传不到导管上 且套管无支撑 套管在 缺失段受到单向内压作用 随着套管内压的增加 便 增加了的作用 根据图 9 的套管应力与内 套管最大 套管内壁 65 55 最大Von Mises应力 最小Von Mises应力 56 5 48 44 1 3 内压/MPa 4 5 6 图 9 不同套管内压下套管最大应力变化情况 ig. 9 The maximum stress variations with different inner pressures of casing.3. 缺失段套损的防控措施 1 增加套管壁厚与防控缺失段套损 图 h mm 时 外 1 为缺失高度 L1 mm 径为 139.7 mm 的 N8 钢级套管改变套管的壁厚得 到的计算结果 根据现场调研 N8 钢级使用较多 的 套 管 壁 厚 3 种 分 别 为 7.7 mm 9.17 mm 1.54 mm 因此取这 3 种壁厚进行模拟 从图 1 可知 在 完好段 随着套管的壁厚增加 套管的应力略 有降低 而在缺失段 当壁厚为 7.7 mm 和 9.17 mm 时 套管的应力变化对壁厚不敏感 即其应 力变化不大 且应力均超过 N8 套管的屈服应力 只有壁厚为 1.54 mm 时 缺失段套管的应力 才有明显的降低 但完好与缺失交Ⅰ处 的应力仍超过了 N8 的屈服应力 从图 1 的模拟 结果知 增加套管壁厚不能有效防控缺失段 套损 提高套管钢级与防控缺失段套损 图 11 是在套管外径尺寸和其他条件 图 1 中条件 不 变的情况下 用 P11 钢级得到的计算结果 由图 11 可知 3 种壁厚套管在缺失段最大应力均没有 超过 P11 屈服应力 758.6 MPa 根据图 4 实验数据

44 石油钻采工艺 B 58 N8套管屈服应力551 MPa 54 5 46 水 泥 环 缺 失 段 7.7 mm 9.17 mm 1.54 mm 4 38 34 3 水泥 6 环完 好 缺 失段.5 1. 1.5. 路径AB/m 完好.5 3. A 图 1 不同壁厚的 N8 套管沿路径 AB 的应力变化曲线 ig. 1 The stress variation curves along path AB of N8 casing with different wall thickness 而在完好段 增加套管的壁厚 其套管的应力 变化不大 即提高强度不明显 但在缺失段 应力变化较大 壁厚从 7.7 mm 增加到 1.54 mm 时 最大应力从 671.77 MPa 降到了 569.4 MPa 即降低 了 1.57 MPa 如果再增加壁厚 即可以采用非 API 壁厚套管 8 界 面 剪 切 应 力 7 6 水 泥 环 缺 失 段 4 水泥 环完 好.5 缺 失段 1. 1.5. 路径AB/m 完好.5 3. 1 建立了地层 - 缺失 - 套管对称有限元 模型 研究了环状缺失不同高度与套管受力 的关系 研究表明 在缺失高度约为 8 mm 时 套管上的最大应力最大 且不同的缺失高 度 在缺失段应力均相等 研究了不同缺失程度对套管应力的影 响 套管内壁应力与缺失间隙大小对其影响 不大 3 完全缺失时 在完好与 缺失部分交处出现最大应力 在缺失段 出现较大应力且应力大致相等 在此容易发生套损 4 增加套管壁厚不能有效防控缺失段套 损 提高钢级钢级 再增加壁厚 能有效防控 缺失段套损 此外 保持合理的内压也是防控水泥 环缺失段套损的有效手段 1 GOODWIN K J. Oilwell/gaswell cement-sheath evaluation R. SPE 399, 1997 GOODWIN K J, CROOK R J. Cement sheath stress 5 3 3 结论 Conclusions References: 7.7 mm 9.17 mm 1.54 mm 最大应力较高 而依据图 8 可知最大应力在上 即较大的内压会增加的作用 因此 建议采 油时保持合理的井筒内压 注水时保持较小且稳定 的内压也是防控缺失的有效措施之一 参考文献 B P11套管屈服应力758.6 MPa 17 年 7 月 第 39 卷 第 4 期 failure R. SPE 453, 199. 3 杨雄文 巨亚锋. 固井缺陷对套管强度影响仿真 分析 J. 石油矿场机械 7 36 9 49-5. YANG Xiongwen, JU Yafeng. Simulation analysis of influence about cement to casing stress J. Oil ield Equipment, 7, 36 9 : 49-5. 4 陈勇 练章华 陈敏 乐彬 刘昕 李孝军. 周向缺 失的热采井井筒热应力耦合分析 J. 石油钻采工艺 8 3 18-11. A 图 11 不同壁厚的 P11 套管沿路径 AB 的应力变化曲线 ig. 11 The stress variation curves along path AB of P11 casing with different wall thickness CHEN Yong, LIAN Zhanghua, CHEN Min, YUE Bin, LIU Xin, LI Xiaojun. Thermal-stress coupling analysis of thermal recovery wells with cement sheath circum ferential discontinuity J. Oil Drilling & Production Technology, 8, 3 : 18-11. 根据图 1 图 11 的模拟结果和分析 可以提出 5 赵鹏 赵志宝 刘乐华. 缺失对套管损坏的影响 在环状缺失地层中 提高钢级 再增加壁厚能 分析 J. 油气田地面工程 9 8 1 4-41. 够防控套损 ZHAO Peng, ZHAO Zhibao, LIU Luehua. Analysis effect 3 合理的内压与防控缺失段套损 依据 of casing damage with cement sheath loss J. OilGasfield Surface Engineering J, 9, 8 1 : 4-41. 图 7 内压与最大应力的关系 内压较大时 套管上的

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