非均勻載荷下稀油井套管的抗外擠強(qiáng)度研究

孫 新，裴晶晶，謝 斌，楊尚諭，王 航，韓禮紅

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

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非均勻載荷下稀油井套管的抗外擠強(qiáng)度研究

孫 新1，裴晶晶1，謝 斌1，楊尚諭2，王 航2，韓禮紅2

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

基于Von-Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則，建立套管-水泥環(huán)-地層受力模型，有限元方法仿真模擬地應(yīng)力外擠過程，數(shù)值計(jì)算套管等效應(yīng)力分布，研究非均勻載荷對(duì)稀油井套管抗外擠強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：非均勻載荷下套管等效應(yīng)力分布趨于集中，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在套管的內(nèi)壁；隨非均勻系數(shù)的增加，最大等效應(yīng)力不斷增大，非均勻系數(shù)1.6時(shí)，最大等效應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，套管擠毀失效。非均勻載荷下抗擠強(qiáng)度降低的機(jī)理歸因于套管圓周上應(yīng)力集中造成的局部失穩(wěn)破壞。

稀油井；外擠強(qiáng)度；非均勻載荷；套管

0 引 言

套管抗擠強(qiáng)度設(shè)計(jì)以有效外擠壓力均勻分布在套管圓周上的假設(shè)為前提條件，即有效外擠壓力按靜水壓力分布規(guī)律計(jì)算[1]。但是在深井或復(fù)雜情況井，如地層中鹽巖層等塑性蠕變地層、水泥串槽、套管偏心等都會(huì)使套管柱受到非均布外擠壓力作用[1，2]。研究表明：均勻外擠壓力下套管柱的抗擠強(qiáng)度明顯高于非均勻外擠壓力的抗擠強(qiáng)度[3]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，在深井復(fù)雜條件下的套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，采用上覆巖層壓力計(jì)算有效外擠壓力，結(jié)果仍會(huì)有套管擠毀現(xiàn)象。可見，非均勻外擠壓力使套管抗擠強(qiáng)度大大降低。

水泥環(huán)質(zhì)量對(duì)套管的受力載荷有直接的影響[4]：封固良好的水泥環(huán)能使套管受到均勻的外擠載荷[5]。井眼不規(guī)則、狗腿度過大等因素會(huì)導(dǎo)致環(huán)空水泥環(huán)分布不均勻、膠結(jié)不良，鹽巖層對(duì)套管產(chǎn)生非均勻外擠載荷，同時(shí)套管內(nèi)切向應(yīng)力分布也是不均勻的。對(duì)于流動(dòng)性較大的泥巖、鹽巖地層，油田注水開發(fā)后，當(dāng)注入水竄入泥巖層時(shí)，泥巖吸水軟化變?yōu)樗苄裕a(chǎn)生非均勻分布附加擠壓載荷[6]。

本文結(jié)合稀油井套管服役地層應(yīng)力分布特征，考慮不同水平主應(yīng)力非均勻系數(shù)下，地層外擠載荷對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響，研究非均勻載荷下稀油井套管擠毀失效的機(jī)理。

1 計(jì)算模型及有限元仿真模擬

地層間或?qū)觾?nèi)不同巖性巖石的物理特性、力學(xué)特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別造成了層間或?qū)觾?nèi)地應(yīng)力分布的非均勻性。地應(yīng)力隨地層性質(zhì)變化：山前構(gòu)造帶地應(yīng)力主要來源于上覆地層壓力及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造力，對(duì)于構(gòu)造平緩地區(qū)，其水平主應(yīng)力主要來自于上覆地層壓力，另一部分來源于地質(zhì)構(gòu)造力，此時(shí)分層地應(yīng)力計(jì)算模型為：

(1)

式中：σH為水平最大主應(yīng)力；σh為水平最小地應(yīng)力；σv為垂向地應(yīng)力；?1、?2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；pp為地層空隙壓力；μ為泊松比；α為有效應(yīng)力系數(shù)。

對(duì)于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較劇烈地區(qū)，水平主應(yīng)力的很大部分來源于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造地應(yīng)力，不同性質(zhì)的地層，由于其抵抗外力的變形特點(diǎn)不同，因而其承受的構(gòu)造力也是不同的。根據(jù)組合彈簧的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模型推導(dǎo)出的分層地應(yīng)力計(jì)算模型為：

(2)

式中，E為地層彈性模量。

分析試驗(yàn)井的井身結(jié)構(gòu)如圖1所示,套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的受力模型如圖2所示。選取油層段套管為研究對(duì)象，通過有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，仿真模擬油層套管柱的等效應(yīng)力分布，依據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論、剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析套管的外擠載荷設(shè)計(jì)的安全問題。

(3)

巖石剪切破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則：

(4)

式中：σ1、σ2、σ3為儲(chǔ)層巖石的第一、二、三主應(yīng)力，MPa。

圖1 Ma5224注水井井身結(jié)構(gòu)圖

圖2 套管柱-水泥環(huán)-地層受力模型圖

邊界條件：1)油層套管所受載荷：上覆巖層重量、水平向最大/最小主應(yīng)力、套管柱懸重；2)套管柱約束條件

圖3 油層段井筒有限元模型圖

為：套管下底端全約束、兩側(cè)面分別施加對(duì)稱約束。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用現(xiàn)場(chǎng)提供的地應(yīng)力解釋數(shù)據(jù)，數(shù)值計(jì)算套管外擠載荷引起的等效應(yīng)力。在上覆巖層壓力為60 MPa、最小水平主應(yīng)力為70 MPa時(shí)，取不同的非均勻系數(shù)(σHmax/σhmin)，通過建立的有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，仿真模擬套管等效應(yīng)力分布。

地層外擠載荷引起的等效應(yīng)力分布如圖4所示。可見，隨水平主應(yīng)力非均勻系數(shù)增加，套管受力的應(yīng)力環(huán)逐漸由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓，等效應(yīng)力的分布越來越不均勻，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在套管內(nèi)壁上。

圖4 不同水平主應(yīng)力非均勻系數(shù)下P110套管的等效應(yīng)力分布

從套管等效應(yīng)力分布云圖中取出最大等效應(yīng)力數(shù)值，繪制套管最大等效應(yīng)力與水平主應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖5所示。可見，隨非均勻系數(shù)增加，最大等效應(yīng)力不斷增大，從非均勻系數(shù)1.1時(shí)的429 MPa增加到非均勻系數(shù)1.6時(shí)的774 MPa。值得指出的是，非均勻系數(shù)1.6時(shí)套管最大等效應(yīng)力已大于P110套管的屈服強(qiáng)度(758 MPa)，發(fā)生擠毀失效。

圖5 最小水平主應(yīng)力70 MPa下P110套管最大等效應(yīng)力-不均勻系數(shù)關(guān)系曲線

固井后套管所受到的外擠載荷是由地應(yīng)力作用產(chǎn)生，地應(yīng)力通常是非均勻的，因而套管受到的外擠壓力也是非均勻的。即套管圓周上某一部分受到的外擠壓力大，而另一部分外擠壓力小。套管受均勻分布外擠壓力作用時(shí)的抗擠強(qiáng)度要比受非均勻分布外擠壓力時(shí)的抗擠強(qiáng)度大得多。研究指出：均布外擠壓力時(shí)，抗擠強(qiáng)度服從Von-Mises準(zhǔn)則，套管擠毀必須整體達(dá)到屈服極限；而非均布外壓時(shí)，屬于局部失穩(wěn)破壞，不需要套管整體達(dá)到屈服極限就會(huì)破壞。深井套管抗擠強(qiáng)度研究表明：基于彎曲梁理論，套管受非均勻外擠壓力作用的力學(xué)模型，得到非均勻外擠壓力作用下套掛圓周上的彎矩、剪力、軸力、應(yīng)力和位移的分布規(guī)律[7]。非均布外載作用下套管圓周上的應(yīng)力存在極大值，同時(shí)，套管臨界載荷的分布存在極小值，且最小臨界載荷值出現(xiàn)位置為最危險(xiǎn)點(diǎn)。非均布載荷作用下最大應(yīng)力與包角的關(guān)系顯示，最大非均布應(yīng)力隨包角變化而變化，當(dāng)α=αc時(shí)，

最大應(yīng)力達(dá)到極大值，套管所能承受的臨界載荷最小；當(dāng)α<αc或α>αc時(shí)，最大應(yīng)力都會(huì)減小，套管所能承受的臨界載荷增大。結(jié)果表明，當(dāng)包角α=αc時(shí)，套管所能承受的非均布臨界載荷比套管所能承受的均布臨界載荷降低3～8倍以上，其降低幅度與徑厚比有關(guān)。

3 結(jié) 論

1)水平主應(yīng)力非均勻系數(shù)對(duì)稀油井套管的等效應(yīng)力分布有直接的影響，不均勻系數(shù)1.1～1.6，等效應(yīng)力的集中程度加劇，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在套管內(nèi)部。

2)隨水平主應(yīng)力非均勻系數(shù)增加，套管最大等效應(yīng)力不斷增大，不均勻系數(shù)1.6，最大等效應(yīng)力達(dá)到774 MPa，超出套管的抗外擠強(qiáng)度導(dǎo)致擠毀失效。

3)非均勻載荷下套管抗擠強(qiáng)度降低的機(jī)理在于套管圓周上應(yīng)力集中加劇，局部失穩(wěn)造成擠毀破壞。

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Effect of Non-Uniform Loading on Collapsing Strength of Casing in Thin Oil Well

SUN Xin1, PEI Jingjing1, XIE Bin1, YANG Shangyu2, WANG Hang2, HAN Lihong

(1.XinjiangOilfieldCorporationofChinaNaturalPetroleumCorporation,Karamay，Xinjiang834000,China;2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

Based on the Von-Mises stress criterion, the effect of non-uniform loading on collapse strength of casing in thin oil well was investigated through casing-cement-formation model, analogue simulation the extrusion process from crustal stress, and then numerical calculation the equivalent stress. The results showed that the distribution of equivalent stress becomes more concentration gradually, and the maximum equivalent stress occurs in casing inside wall under non-uniform loading. Moreover, as non-uniform factor increasing, the maximum equivalent stress enhance continuously. When non-uniform factor reaches to 1.6, the maximum equivalent stress exceeds yield strength, and then the casing fails due to collapse. The mechanism of reduction in collapsing strength can be attributed to local buckling failure from stress concentration along casing circumference under non-uniform loading.

thin oil well; collapse strength; non-uniform loading; casing

孫 新，男，1980年生，工程師，2002年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事井下管柱工藝及工具相關(guān)工作。E-mail:sunxin@petrochina.com.cn

TE931

A

2096-0077(2016)05-0069-04

2016-02-01 編輯：屈憶欣)