套管水泥环在高压注水条件下的受力分析.pdf

《套管水泥环在高压注水条件下的受力分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第40卷第4期化工机械449套管水泥环在高压注水条件下的鬻鸯。分析杜永军+苗春环(东北石油大学机械科学与工程学院)摘要在弹塑性力学理论的基础上。对套管和水泥环组合力学模型进行有限元三雏建模，在高压注水条件下，分析套管和水泥环所受应力与注水压力之间的关系。在理论分析的基础之上，结合计算机数值计算手段，并通过ANSYS有限元软件模拟分析，得到套管和水泥环在内、外压作用下的应力应变云图，以及它们的应力随注水压力变化的多项式函数。关键词套管高压注水水泥环应力ANSYS中圈分类号TQ050．2文献标识码A文章编号0254-6094(2013)044)449-

2、03近年来，由于地下油气连续、快速地开采，造成油面降低、油压减小。因此，自20世纪80年代以来，业内利用水驱油原理，采用高压注水方式作为重要的增产措施。但高压注水会引起地应力的变化和泥岩的蠕变，而地应力的变化则会促进套管的损坏。针对这些问题，笔者将套管、水泥环和围岩看成一个由不同材料组成的结构体系，通过ANSYS软件对这个结构体系进行建模和受力分析。地层和套管、套管和水泥环之间可以通过接触传递压力，在不同注水压力条件下，对套管、水泥环、地层的受力进行了分析和模拟计算。1有限元模型的建立取直径为215．90mm的井眼作为研究对象，套管直径为177．8

3、0mm，套管厚度为10．36mm。根据套管和水泥环的实际情况，建立三维有限元模型。基于水泥环为非线性材料，在有限元计算的过程当中需要较多的迭代次数，为了保证计算的准确性同时减少计算量，利用结构的对称性，选取结构的1／3作为计算模型，从而达到减少有限元计算的节点和单元数、提高计算效率的目的。1．1单元的选取由于是建立三维立方体模型，为了计算的更为精确，在建立有限元模型时，采用3DSOLID45六面体单元来模拟套管，考虑到水泥环是非线性材料，则采用3DSOLID65单元来模拟水泥环⋯。1．2材料参数套管属于弹性材料(这里取N-80号钢)，并选用强度等级

4、为32．51t(GBl75-2007)的水泥环作为研究对象，它们对应的弹性模量和泊松比见表1。表1材料参数1．3建立模型根据表1列出的数据，对套管水泥环建立三维有限元模型，其几何模型和网格划分如图1所示。1．4设置载荷取某井2847．95m深处的层段作为研究对象，该处的岩石围压取45MPa，三维原始地应力按·杜永军，男，1964年4月生，教授。黑龙江省大庆市，163318。450化工机械2013矩图l套管水泥环三维有限元模型照对全场地应力模拟计算的结果得到。用盯，表示垂直方向的应力，矿，、盯，表示水平方向的两个应力。由于地层深度超过1600m时，垂

5、向主应力最大，且三向应力大小的关系为矿：>矿，>盯，，因此，它们的大小分别见表2。表2三维模型的原始边界应力MPa2计算结果2．1套管应力大小与注水压力的关系利用上述模型，通过改变井口的注水压力心]，计算出套管和水泥环在不同注水压力下的应力大小，最后绘成以注水压力为变量的二维坐标图(图2、3)。芒=采杈R翅图2有效应力与注水压力的关系从图2中可以发现，套管的有效应力随注水压力的增大不断减小，原因是在没有注水之前，套管受到来自地层的压力，所以管体上的初始应力值相应较大，但是随着注水压力的增大，平衡了地墨至交烈‘R崔网格划分图3切向应力和轴向应力与注水

6、压力的关系层在套管上产生的部分压力，使得套管的有效应力表现为下降趋势。套管的有效应力与注水压力的多项式回归方程为：盯。。，=0．00802p。一7．3582p+365．64(1)2．2水泥环应力大小与注水压力的关系通过改变井El的注水压力大小，利用上述模型，计算出水泥环在不同注水压力下对应的应力强度，结果如图4、5所示¨1。日山=R毪蓑扭图4本体有效应力与注水压力的关系从图4中可以发现，水泥环本体有效应力随着注水压力的增大，先减小后增大，在正常的注水抽油工作中，水泥环的有效应力基本上是随着注第40卷第4期化工机械451日厶=长翅尽恩注水压力IMPa

7、图5切向应力与注水压力的关系水压力的升高不断升高的。当注水压力为50MPa时，注水压力在水泥环上产生的有效应力为33．14MPa，而笔者采用的水泥环强度等级为32．50MPa，因此水泥环破坏。水泥环的有效应力与注水压力的多项式回归方程为：盯。，=0．00578p2—0．1182p+27．74275(2)3结论3．1对于高压注水井来说，在井筒完全抽空时，套管所处的状态最为危险，管体更容易受到地层的压力，此时其有效应力达到438．502MPa，管体所受的应力也会增加，那么套管就容易发生破坏。因此高压注水应尽量避免井筒压力过低。3．2实验过程中水泥环的有

8、效应力随着注水压力的升高先减小后增加，但是在正常的工作过程中，注水压力一般都大于0，所以水泥环的有效应力随着注水压力的增大