水泥环性质对套管外载影响的模拟试验

在非均匀地应力作用下，含水泥岩蠕变使套管产生一个外挤力。在自制的真三轴模拟试验装置上进行了大尺寸真三轴模拟试验。试验结果表明，套管外挤力的分布是非均匀的，且随着时间的延长而增大；套管外载的分布为类椭圆形，经过较长时间趋于稳定值，其大小与地应力成正比。水泥环的弹性参数和泥岩含水量等对套管外载有一定影响。随水泥环弹性模量的增加，套管所受外载减小，且其非均匀性减小。水泥环厚度变化对套管外载无太大影响。     

水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响分析

利用弹性力学解析及有限元方法，分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究结果表明，增加水泥环弹性模量对套管外挤载荷有一定的减缓作用，但效果远没有降低水泥环弹性模量明显。理想水泥环的性能应该是高强度、低刚度。在固井作业时，对软地层推荐采用弹性模量大的水泥，对硬地层推荐采用弹性模量小的水泥。     

非均匀地应力作用下套管与水泥环的受力分析

以地层－水泥环－套管组合系统地研究对象，以弹性力学为基础，对套管及水泥环在理想关头主况下受非均匀地应力和均匀内共同作用时的受载特性进行了分析，并依据不同的接触条件推导出相应的线性代数方程组。借助于计算机计算出不同地应力及表面受力分布，并可分析水泥环弹性模量及厚度、套管壁厚、水泥环与套管的接触状况等因素对套管及水泥环受力分布的影响。     

水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响分析

利用弹性力学解析及有限元方法,分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究结果表明,增加水泥环弹性模量对套管外挤载荷有一定的减缓作用,但效果远没有降低水泥环弹性模量明显。理想水泥环的性能应该是高强度、低刚度。在固井作业时,对软地层推荐采用弹性模量大的水泥,对硬地层推荐采用弹性模量小的水泥。     

非均匀地应力作用下套管与水泥环的受力分析

以地层－水泥环－套管组合系统为研究对象。以弹性力学为基础。对套管及水泥环在理想状况下受非均匀地应力和均匀内压共同作用时的受载特性进行了分析，并依据不同的接触条件推导出相应的线性代数方程组。借助于计算机计算出不同地应力作用下套管、水泥环内部应力及表面受力分布，并可分析水泥环弹性模量及厚度、套管壁厚、水泥环与套管的接触状况等因素对套管及水泥环受力分布的影响。     

蠕变地层中含缺陷套管外挤压力分布的数值模拟

将蠕变地层视为粘弹性体,分别采用Maxwell粘弹性模型和线性强化弹塑性模型,建立了含缺陷套管—水泥环—蠕变地层有限元计算模型,旨在应用数值方法模拟在地质和工程因素及其联合作用下含缺陷套管外壁所受蠕动压力的分布规律,并对这类套管抗非均匀载荷的能力进行了有限元分析。采用逐步超松弛(SOR)迭代法进行了计算,为加快收敛速度,计算程序支持最佳松弛因子的自动快速搜索。算例分析表明,非均匀地应力条件下,最大地应力方向上套管外挤蠕动压力最小,而最小地应力方向上套管外挤蠕动压力最大;磨损缺陷改变了均匀载荷下套管外挤蠕动压力的分布规律,磨损处蠕动压力明显增大;与非均匀载荷相比,磨损是影响套管外蠕动压力分布更为敏感的因素。该数值结果可为复杂条件下含缺陷套管强度设计提供理论指导。     

椭圆水泥环厚度和弹性模量对套管受力的影响分析

根据岩石力学和弹塑性力学理论,建立套管-水泥环-地层力学模型,采用有限元方法研究分析不同地应力条件下椭圆水泥环厚度和弹性模量对套管应力的影响,研究结果表明:在均匀地应力条件下,一定厚度的圆形水泥环对减小套管受力有益,在非均匀地应力条件下,采用椭圆水泥环能有效的减小套管应力.     

蠕变地层中含缺陷套管外挤压力分布的数值模拟

将蠕变地层视为粘弹性体,分别采用Maxwell粘弹性模型和线性强化弹塑性模型,建立了含缺陷套管-水泥环-蠕变地层有限元计算模型,旨在应用数值方法模拟在地质和工程因素及其联合作用下含缺陷套管外壁所受蠕动压力的分布规律,并对这类套管抗非均匀载荷的能力进行了有限元分析.采用逐步超松弛(SOR)迭代法进行了计算,为加快收敛速度,计算程序支持最佳松弛因子的自动快速搜索.算例分析表明,非均匀地应力条件下,最大地应力方向上套管外挤蠕动压力最小,而最小地应力方向上套管外挤蠕动压力最大;磨损缺陷改变了均匀载荷下套管外挤蠕动压力的分布规律,磨损处蠕动压力明显增大;与非均匀载荷相比,磨损是影响套管外蠕动压力分布更为敏感的因素.该数值结果可为复杂条件下含缺陷套管强度设计提供理论指导.     

非均匀地应力作用下套管和水泥环表面受力特性分析

通过数值计算讨论了水泥环弹性模量、水泥环厚度、套管壁厚、不同接触条件等因素对套管和水泥环外载平均水平及非均匀程度的影响。结果表明，水泥环弹性参量对套管及水泥环受力影响很大，水泥环厚度、套管壁厚对自受力分布影响较大，不同接触状况对外载分布均有不同程度的影响。     

非均匀地应力作用下套管和水泥环表面受力特性分析

通过数值计算讨论了水泥环弹性模量、水泥环厚度、套管壁厚、不同接触条件等因素对套管和水泥环外载平均水平及非均匀程度的影响．结果表明，水泥环弹性参量对套管及水泥环受力影响很大，水泥环厚度、套管壁厚对自受力分布影响较大，不同接触状况对外载分布均有不同程度的影响     

蠕变地层套管等效破坏载荷分析

蠕变地层套管损坏的主要原因是套管外壁受到蠕变地层的非均匀载荷作用，套管本体抵抗非均匀载荷能力远远低于套管抗挤强度而产生缩径变形。通过分析蠕变地层套管非均匀载荷的分布形式，并考虑在该非均匀载荷作用下套管的强度特征及固井水泥环力学性能对套管抗非均匀载荷影响的基础上，采用有限单元法，分析了蠕变地层套管本体、固井套管组合体的等效破坏载荷。结果表明，非均匀载荷作用下套管的抗载能力迅速下降，提高固井水泥性能，切实保证固井质量将显著提高套管抵抗非均匀载荷的能力。     

大庆油田泥岩粘弹性本构方程及套管受力计算

选取大庆油田“中342-检21井”泥岩岩心，对其进行浸水实验，用伯格模型来描述其流变特性，在此基础上建立了泥岩粘弹性本构方程．依据线性粘弹性问题的对应原理和套管外挤力弹性解，得到套管外挤力粘弹性问题的解．对岩样的实验数据进行拟合，确定了泥岩流变特征参数，计算出随时间变化的泥岩层套管外挤力．计算结果揭示了大庆油田套管蠕变挤毁机理，还可看出泥岩的水化程度只改变蠕变速度，使套管所受外挤力变化速率加快，并不改变最终外挤力的大小．     

蠕变地层套管等效破坏载荷分析

蠕变地层套管损坏的主要原因是套管外壁受到蠕变地层的非均匀载荷作用,套管本体抵抗非均匀载荷能力远远低于套管抗挤强度而产生缩径变形.通过分析蠕变地层套管非均匀载荷的分布形式,并考虑在该非均匀载荷作用下套管的强度特征及固井水泥环力学性能对套管抗非均匀载荷影响的基础上,采用有限单元法,分析了蠕变地层套管本体、固井套管组合体的等效破坏载荷.结果表明,非均匀载荷作用下套管的抗载能力迅速下降,提高固井水泥性能,切实保证固井质量将显著提高套管抵抗非均匀载荷的能力.     

一种非均匀地应力下椭圆井眼套管-水泥环-地层力学特性半解析解

为研究井壁崩落形成椭圆形井眼后套管受力情况,在弹性力学理论的基础上,结合复变函数方法建立了非均匀地应力作用下椭圆形井眼内套管-水泥环-地层组合体应力模型,根据应力边界条件与位移单值条件得到了系统各界面处应力分布的半解析解;并探究了井眼椭圆度、水泥环弹性模量和泊松比对套管外壁径向应力与Mises 应力的影响。研究结果表明：与圆形井眼相比,椭圆形井眼能减小套管所受最大应力,降低应力非均匀度;高泊松比、低弹性模量水泥环也有利于减小套管受力。研究成果对井壁崩落段地层钻井液密度、套管规格选取和固井水泥性能设计具有重要的指导意义。     

大庆泥岩的三轴蠕变试验研究

本文介绍了在华东石油学院钻井岩石力学实验室建立的岩石三轴蠕变试验装置以及部分大庆泥岩岩芯的蠕变试验结果,证明大庆泥岩蠕变服从非线性模式。试验研究表明,围压的减少(即地下应力差增大)将加速泥岩的蠕变,含水量对泥岩的蠕变特性影响特别大,水浸泥岩层将大大加快其蠕变速度。本文提出的由试验所建立的蠕变经验模式及本构方程,为定量分析在地应力作用下,套管的岩压外载依赖于时间的变化情况提供了科学的依据。     

基于数值模拟的套管受力单因素分析

套管损坏一直是油田开发过程中的棘手难题,对套管受力及影响因素进行研究对保证套管安全具有重要意 义。考虑开发过程中储层渗流场与应力场的耦合作用,基于流固耦合理论,建立了套管水泥环围岩组合体系 的数学力学模型,根据单因素理论,通过数值模拟,揭示了套管的径向挤压力随注水压力、套管参数、地层参数和地应 力的变化规律：套管的径向挤压力随注水压力、套管壁厚、地层泊松比、弹性模量的增大而减小;随着套管弹性模量、 直径、地层渗透系数、地应力的增大而增大。研究成果将为油田套管保护和预防套损提供理论指导。     

深井套管抗挤强度分析及计算

根据弯曲梁理论,建立了套管柱受非均布外挤压力作用的力学模型;并应用解超静定问题的正则方程和力法准则对该力学模型进行求解,得到了在非均布外挤压力作用下套管圆周上的弯矩、剪力、轴力、应力和位移的分布规律。计算表明,在非均布外挤压力作用下,套管抗挤毁强度大大降低。该力学模型不仅可以解释深井套管挤毁机理,而且可以改进深井套管抗挤强度设计。     

盐膏层油水井套管损坏机理研究

中原油田大部分油水井套管的损坏发生在盐膏层段,造成套管损坏的根本原因是盐膏层的蠕变.通过盐岩的三轴蠕变实验,建立盐岩变形的本构关系;通过数值模拟计算岩盐蠕变的速度、位移及作用在套管上的非均匀外挤力.     

定向井水泥环力学完整性研究

国内外针对定向井水泥环力学完整性失效分析的研究比较少,通过待定系数法建立了定向井在非均匀地应力下的套管-水泥环-地层应力分布模型,并通过调研国内外关于水泥环理想完整性失效的几种形式,结合对应的失效准则,提出了定向井水泥环力学完整性失效分析的研究思路.不同于井壁稳定问题,水泥环位于套管和地层岩石之间,其所受既有正应力又有剪应力,其剪切塑性破坏和拉伸破坏分析必须在主应力空间下进行,研究结果对于分析定向井水泥环固井设计具有一定的指导意义.     

非均匀地应力下套管偏心对抗挤强度的影响

在常规地层条件下,套管的强度具有足够的富余量,因而一般对套管的偏心影响考虑较少.但在深井及盐膏层地层中,套管偏心的影响不可忽略.针对塔里木油田英买力区块钻进过程中出现的技术套管受挤变形问题,建立有限元模型,分析套管偏心对套管抗挤强度的影响规律,绘制套管偏心与套管最大应力的对应关系图,回归套管偏心与套管最大应力关系的计算公式.研究结果表明,非均匀地应力下,在最大地应力方向,套管偏心距越大,套管抵抗非均匀载荷能力越强;在最小地应力方向,套管偏心距越大,套管越容易挤毁.最后,利用研究结果确定了该区块的最低钻井液密度,从而有效地解决了套管变形问题.