考虑初始状态影响的套管-水泥环-地层系统力学分析模型及应用

摘要

保持井筒完整性不发生结构性破坏、确保井筒维持正常功能，是安全、优质、高效进行钻井和生产作业的重要保证。套管-水泥环-地层系统的应力状态分析是井筒完整性设计和校核的基础。但是，现有解析模型和大部分有限元模型遵循“先建模后加载”的思路，尚未考虑系统初始受力状态的影响，仅有少数有限元模型考虑了水泥环初始应力的影响，却忽略了井壁初始变形影响，给出的计算结果和认识不够全面。 为了准确分析井筒系统的应力和变形，更好的指导井筒完整性设计和校核，在前人研究的基础上，综合考虑油气井建井过程和水泥环多孔介质特性，探讨了水泥浆候凝结束的初始时刻套管、水泥环和地层对应的初始作用力，将套管-水泥环-地层系统划分为初始受力状态、虚拟的完全卸载状态以及重新加载状态；基于水泥环和地层的多孔介质假设，应用弹性力学厚壁圆筒理论和修正的位移连续条件，建立了考虑初始状态影响和未考虑初始状态影响的系统力学解析模型。通过实例对比分析两种力学模型得出的应力分布，以及两种模型受套管内压、水泥石力学参数、以及地层力学参数的影响规律。系统在对应位置上的应力大小存在较大差异，在一定的内外压条件下，水泥环应力分布规律发生了反转。因此，在求解套管-水泥环-地层系统应力分布时，考虑系统初始受力状态影响是十分必要的。 还以水泥环完整性分析为例，探讨了考虑初始状态影响的系统模型在井筒完整性设计和校核中的应用。其中，借助水泥环失效准则定义了无量纲的拉伸失效指数、剪切失效指数和等效应力失效指数，结合实例进行水泥环力学完整性评价分析。实例分析表明，应用本文建立的套管-水泥环-地层系统力学模型，可以给出既定油气井后期作业合理的套管内压变化范围，也可以根据后期作业工程要求对水泥石力学性能参数进行优化。

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