井下环境套管损坏力学模型研究

摘要

套管井下环境复杂多变,主要包括:油水井套管所处复杂的地质和受力条件(地层倾斜/滑动、岩层蠕变/遇水膨胀、断裂分布、非均匀地应力等)、井下套管形态(井眼轨迹、固井等)、完井方式(射孔完井、压裂等)、生产工艺和状态(注水、热采等)。
　　 本文重点针对引起套管损坏的几个主要因素一非均匀地应力、断层和岩层滑动、岩层蠕变以及射孔完井,进行模型/模式综合,并应用数值模拟方法进行定量分析,具体工作如下:
　　 1、综合应用弹性力学和数值模拟方法分析地应力作用下套管应力分布。结果表明:地应力的非均匀性严重影响套管抗外挤能力,随着非均匀系数的增大,套管所能抵抗的弹性极限外压和塑性极限外压均会大幅下降。
　　 2、使用AYSYS建立套管—地层三维有限元模型,分析地层滑动导致的套管弹塑性应力和变形。结果表明:断层和岩层滑动会引起套管大尺度的弯曲和大范围屈服,严重影响套管安全。在油田生产过程中,要尽量避开断层带,严格控制开采工艺,避免岩层滑动。
　　 3、建立套管—蠕变地层三维有限元模型,分析蠕变地层和套管的应力和位移。结果表明:在地层蠕变过程中,套管应力和位移快速增大,套管抗挤能力大幅降低。
　　 4、综合应用射孔段套管平面理论和三维有限元模拟方法分析射孔段套管在内外压作用下的应力与变形。结果显示:射孔段套管的弹性强度只有未射孔时的1/3,套管在孔眼附近发生塑性变形,引起套管局部大变形,降低了套管的抗挤能力。
　　 5、建立不同射孔参数(孔径、孔密和相位角)下套管三维模型,分析射孔参数对套管强度的影响规律。结果表明:增大孔径和孔密均会降低射孔段套管的抗挤能力。但在一定范围内,这种影响程度较小,工程中可以适当增大孔径和孔密来提高完井产能。
　　 最后,本文综合井眼轨迹计算、弹性力学计算和ANSYS数值模型,使用VB程序编制了“套管安全评价系统”软件。在输入井下环境套管和地层相关参数后,该软件首先应用理论公式对套管整体应力进行计算;然后,对套管局部危险层段,该软件调用ANSYS进行数值模拟分析,达到准确、高效地评价套管安全状态的目的。软件操作方便,便于推广应用。