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《固井水泥环对套管承载能力的影响规律》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、石油钻采工艺 2002年(第24卷)第4期7固井水泥环对套管承载能力的影响规律宋 明 杨凤香 宋胜利 邹峰梅闫相祯 杨秀娟(中原油田公司,河南濮阳 457001)(石油大学,山东东营 257061)摘要 固井质量的好坏直接影响油水井的使用寿命。通过采用计算机辅助工程(CAE)方法,研究了水泥环缺损、水泥环不居中以及水泥环的性质对套管承载能力的影响规律,提出了固井质量差导致套管损坏的基本机理。关键词 水泥环 有效应力 承载能力 均匀外载作者简介 宋明,1945年生。1970年毕业于华东石油学院采油专业,现任井况防治研究中心主任,高级工程师。 杨凤香,1971年生。1993年毕业
2、于北京化工大学高分子化工专业,现为采油工程技术研究院井况防治室工程师。 宋胜利,1974年生。现为采油工程技术研究院井况防治室工程师。 邹峰梅,1971年生。现在采油工程技术研究院井况防治室工作。 油水井完井后,套管通过水泥环与地层紧紧结合为一体,水泥环的作用就是减小和延缓地层围岩对套管的作用,改善套管的受力状况,延长套管的使用寿命。对于岩石强度较高的地层,套管水泥环受地应力作用影响较小,主要承受均匀的外部液柱压力。然而对于强度较低,流变性较大的泥岩、盐岩地层,油田注水开发以后,当注入水窜入泥岩层时,泥岩吸水软化,变为塑性,从而使地应力作用于套管水图1 水泥环缺陷计算模型泥
3、环周围,产生了非均布附加载荷。水泥环缺陷、偏 图1中,套管内压力(圆圈内箭头所代表的压心或胶结不好均会影响套管的承载能力。对这些影力)64.55MPa,油层一侧水平边界压力43MPa。设响规律进行研究,可进行合理选择,并正确利用水泥套管、水泥环居中。套管材料编号为1,将水泥环共环,防止套管损坏或尽可能延长套管的使用寿命。分为12等份,每份夹角为30°,每份的材料号依次编为2、4～14,油层材料号为3。1 固井水泥环缺陷与套管承载能力的关系1.2 计算结果1.1 计算模型与边界条件为了研究水泥环缺陷的影响规律,在相同边界采用文33-64井的实际参数,计算井深2678m条件下依
4、次计算水泥环完好、水泥环缺少30°～360°2处的水平油层剖面,取油层面积30×30m作为计算(模型如图1),整理出水泥环部分失效时套管的有模型,模型的材料参数见表1,计算模型见图1。图1效应力计算结果,见图2。中,取油层一侧水平边界位移Uy=0,另一侧(左边界)位移Ux=0,右边界位移Ux=0.01m。表1 计算模型的材料参数弹性模量密度线膨胀系数材料名称泊松比4-3-5/10MPa/g·cm/10套管21.10.267.851.17水泥环2.80.151.831.03油层1.71970.0232.001.03掏空处0.10.100图2 水泥环缺陷与套管有效应力的关系8石油
5、钻采工艺 2002年(第24卷)第4期 从图2可以看出,水泥环出现缺陷时,会引起套 套管内压依次取值为0、10、15、30、...、105MPa。管有效应力明显提高,有效应力大于许用应力,套管内压变化引起套管应力的变化结果见图4。受到破坏,套管的承载能力降低。固井质量完好时,套管截面上的有效应力是均匀的,计算值为389MPa,当水泥环出现30°缺陷时,套管壁的有效应力剧增为672MPa。随着水泥环缺陷角度的增加,套管的有效应力逐渐提高,在水泥环缺陷角度为150°至180°之间时,套管有效应力达到最大值760MPa。因此,可以初步认为由于固井质量不好造成的套管承载能力最大可
6、以降低到原设计承载能力的一半。2 套管、水泥环不居中时套管的强度分析对试验井中取出的双层管柱短节进行解剖发图4 套管位置不同时有效应力与内压的关系现,固井后套管理想居中的截面较少,绝大多数截面 从图4可以发现,在相同内压与地应力条件下,存在不同程度的偏心,套管、水泥环偏心会引起套管套管居中与套管偏心时的有效应力相差10%～截面内应力不均匀,从而降低套管的承载能力。15%,因此,固井时套管不居中明显降低了套管的承计算模型:以文15块15-57井,深度2170.3m载性能。对于相同模型计算得到的水泥环应力变化处的水平油层剖面作为计算截面,剖面图见图3。规律见图5。2油层面积30
7、×30m,套管极端偏心,偏心距为52.4mm。图5 套管位置不同时水泥环有效应力与内压的关系 从图5可以看出,在相同内压与地应力条件下,图315-17井的有限元计算模型套管居中与套管偏心时水泥环的有效应力相差 套管居中与偏心时套管有效应力σ有与内压p20%甚至达1倍,因此,固井时套管不居中对水泥环的多项式关系的破坏效果更大,这会影响套管的承载性能。23σ有=A+B1p+B2p+B3p(1)3 水泥环性质对套管抗均布外载的影响其中,A、B1、B2、B3均为统计参数,居中或偏心时取值不同。均布围岩压力作
