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大慶油田套管剪切失效的有限元分析

發(fā)布于:2024-03-25 18:41
有限元分析

      大慶油田底標志層面積廣闊,層位非常穩定,厚度約為10m,層內發(fā)育大量化石層,存在水平弱結構面,具有硬巖性薄弱面的特征。近幾年來(lái),多個(gè)區域在底標志層出現了大面積的集中套損。據不完全統計,2008年以來(lái),標志層套損井約占總套損井數的40%~50%。多種測試方法證實(shí),標志層套損以剪切錯斷和剪切變形為主,由層間滑移所致。
      在實(shí)際生產(chǎn)中,部分井在標志層以下放置水泥面控制器,使標志層不封固,如圖所示。此完井方式下,底標志層位置的套管與地層之間無(wú)水泥環(huán)。關(guān)于底標志層是否應該封固的問(wèn)題,各采油廠(chǎng)的觀(guān)點(diǎn)和做法有所不同,目前尚未統一。以往在套管剪切失效的研究中,一般假設套管和水泥環(huán)或地層直接接觸,對于未封固層位剪切套損的研究相對較少。為此,本文針對標志層封固和不封固2種方式分別建立了相應的有限元分析模型,研究層間滑移過(guò)程中套管和地層的受力和彈塑性變形特征,從力學(xué)角度分析更有利于預防和修復標志層套損的方式。
      有限元計算采用Comsol Multiphysics軟件的固體力學(xué)模塊。根據幾何和作用力的對稱(chēng)性,取模型的1/2。地層模型橫向長(cháng)度為1m,假設底標志層含剪切弱面且已經(jīng)破壞,地層分為上下兩層,每層厚度0.5m,井眼半徑0.1m,套管外徑139.7mm。標志層封固模型采用組合體模型,地層、水泥環(huán)和套管之間連續;不封固模型采用裝備體模型,地層與套管間無(wú)任何物質(zhì),模型初始位置為地層開(kāi)始剪切套管的位置,相應的接觸面設置面接觸。剪切套損過(guò)程中,套管變形程度較大。為了保證計算精度,對套管網(wǎng)格進(jìn)行細化。套管剪切面附近存在應力集中,對套管剪切面附近的套管、水泥環(huán)和地層進(jìn)行局部細化,得出標志層套管封固與不封固2種模型的網(wǎng)格剖分結果,如圖所示。
      對于模型上部地層中法線(xiàn)方向平行于x軸的兩個(gè)側面,指定其x方向位移為地層滑移量,其他方向地層側面指定其對應法線(xiàn)方向位移為0。
      在油田實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,套管若出現較小的塑性變形,并不代表套管已經(jīng)失效,只要套管能保持其完整性且變形程度不影響作業(yè)和施工,即認為套管尚未失效,F場(chǎng)實(shí)際發(fā)現的剪切套損,套管已嚴重塑性變形,因此有限元計算模型應考慮套管屈服后的力學(xué)特性。套管應力超過(guò)其屈服強度后,進(jìn)入塑性變形階段。依據線(xiàn)性強化彈塑性模型,對于合金鋼等強化材料,可用2段折線(xiàn)近似實(shí)際的拉伸曲線(xiàn),應力 ̄應變關(guān)系為σ=Eε(ε≤εs)σs+El(ε-εs)(ε>εss)式中:σ為套管所受應力,MPa;σs為套管屈服強度,MPa;E為線(xiàn)彈性階段彈性模量,MPa;El為強化階段彈性模量,MPa;ε為套管應變;εs為套管屈服時(shí)的應變。
      模型中,材料強化階段彈性模量取線(xiàn)彈性階段彈性模量的0.01倍,模型采用壁厚7.72mm的P110套管,彈性模量208GPa,泊松比0.3,屈服強度758MPa。水泥環(huán)和滑移面附近井眼圍巖在剪切套管中也會(huì )發(fā)生部分破壞,依據摩爾-庫倫準則判斷水泥環(huán)和巖石的破壞程度。水泥環(huán)和底標志層巖石參數設定如表所示。
      封固與不封固模型的差別,僅在于套管和井壁巖石之間的水泥環(huán)。有限元計算結果表明,水泥環(huán)在剪切套損過(guò)程中,對套管和地層應力分布及變形有很大影響。設定地層滑移量為0~60mm。通過(guò)有限元計算,可以得出2種模型下地層剪切套管過(guò)程中套管、水泥環(huán)和地層的受力與變形情況。


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