致密油压裂套管变形应力特征数值模拟

中国非常规油气资源丰富,是重要的接替资源之一,但由于其储层的致密性,主要通过大规模体积压裂获得工业生产油气流,压裂过程中套管发生复杂的应力变化特征,油气井套管变形也越来越严重,目前对于套管内外壁、射孔簇间、段间等特征的认识尚不清晰。为此,基于压裂特点,提出数值模拟方法,利用实际典型套变井的压裂参数进行模拟和验证。结果表明：在压裂和返排阶段,射孔孔眼处均产生应力集中,但应力梯度变化不大;返排时在射孔簇间套管段与射孔同轴线方向的外壁形成高度应力集中,存在发生椭圆形变形危险;射孔段到射孔簇间段过渡区间,等效应力存在突变拐点,压裂阶段先突减后骤增,返排阶段先突增后骤减,返排时该段剪切应力集中达到峰值,易发生剪切破坏,形成套管错断。压裂阶段水泥环除在射孔孔眼处形成应力集中外,在射孔簇间段的水泥环的环向截面在轴线方位也存在较高的应力分布,造成水泥环一定程度的破坏,返排时水泥环破坏程度被加强,套损率较高。在相同压裂排量条件下,适当提高射孔簇长度、缩短射孔簇间距离、缩短压裂段间距能够有效提高套管的安全性,三塘湖M56区建议Φ139.7 mm P110套管射孔簇长度为1.5～3.0 m,射孔簇间距小于1...     

基于地层流变通式的套管载荷研究

我国流变性地层套管损坏严重,准确了解流变地层套管外载及其影响因素对套管强度设计具有重要意义。为此,基于地层流变通式,采用拉氏变换法对均匀地应力下流变地层位移方程进行了求解,建立了流变地层套管外载荷计算的新方法,分析了不同元件组成的流变模型对套管初始及最终载荷的影响规律。结果表明地层为三个或三个以下元件组成的流变模型时,套管初始载荷为流变模型中不与黏性元件或塑性元件直接并联的弹性元件所产生的套管载荷,最终载荷等于模型中所有弹性元件共同作用产生的载荷。研究成果对流变地层套管设计、延长套管使用寿命及降低套损发生率有一定的指导作用。     

非均匀地应力下蠕变地层套管的载荷与变形关系

蠕变地层中套管载荷与套管变形是两个相互作用的因素,给出了非均匀地应力下蠕变地层套管载荷和变形的解析解。地层蠕变效应是引起各类套管大量损坏的主要原因之一,在非均匀地应力下,如何计算蠕变地层作用于套管上的最终稳定载荷和套管最终变形,这是两个很难解决的课题。将套管看成弹性体,把地层视为无穷大的黏弹性体,利用非均匀地应力条件下蠕变地层的开尔文模型本构关系,运用半逆解法和拉普拉斯变换法,完善了非均匀地应力条件下蠕变地层套管载荷的解析解,进而求出了套管变形的解析解;研究了非均匀地应力下蠕变地层中套管载荷的分布规律和变形的影响因素。结论对蠕变地层中套管的选用有重要的参考价值。     

试油封隔器水力锚剪切强度及咬入套管深度分析

轴向载荷作用下,试油封隔器水力锚与套管咬合发生挤压变形,载荷越大,变形越大,严重时甚至导致水力锚剪切失效。为了解与套管咬合过程中试油封隔器水力锚剪切强度及咬入套管深度,根据水力锚结构特点,由能量守恒定律建立水力锚爪牙剪切应力公式、挤压应力公式和咬入套管深度公式,对比分析了常见规格水力锚爪牙咬入P110和TP140两种不同钢级套管的最大深度。算例分析表明,相同载荷作用下,水力锚爪牙所受挤压应力远大于剪切应力;水力锚爪牙与套管之间最大挤压应力和咬入套管最大深度是管柱内外压差的非线性函数;相同内外压差时,水力锚爪牙咬入P110套管时所产生的最大挤压应力比咬入同规格TP140套管时小的多;但咬入P110套管的深度却是咬入TP140套管的114%。     

断层滑移条件下页岩气井套管变形影响因素分析

目前,中国四川盆地页岩气区水平井多级压裂过程中的套管变形问题日益突出,导致桥塞无法顺利下入,丢段现象突出,严重影响页岩气的高效开发.研究表明,断层滑移剪切套管是造成套管变形失效的主要因素之一,而断层滑移对套管变形量的影响规律有待进一步理清.为研究上述问题,建立了断层界面滑移下的井筒变形数值模型,分析了断层滑移条件下套管...     

套管柱强度设计计算

本文对套管三轴应力设计原理进行了讨论,推导了三轴应力强度公式,对套管柱的受力情况进行了全面分析;同时提出了以等安全系数法为基础的改进等安全系数法,该方法在外载考虑上比等安全系数法更全面合理,设计步骤有所改进。以提出的方法为基础,结合现场实际,在微机上开发了相应的商品化软件,在现场获得了广泛使用。     

页岩气压裂条件下断层滑移及其影响因素

威远-长宁页岩气示范区部分区块套管变形率超过40％,而水力压裂诱发断层滑移是导致套管变形的主要因素之一.明确水力裂缝诱导下断层的激活机制及滑移量,对页岩气压裂过程中预防套管变形具有重要意义,而目前尚缺乏水力压裂下断层滑移量的理论模型.基于此,根据断裂力学理论,分析水力裂缝激活断层产生滑移的作用机制,建立水力压裂下断层滑...     

基于小型测压分析的体积改造压裂设计

裂缝扩展模型的选择对于压裂设计和施工至关重要。基于小型测压分析,在确定储层、井筒等参数的基础上,综合测井解释、岩石力学等,分别建立并校正了离散裂缝网络模型和多缝模型。通过净压力拟合反演不同模型下的裂缝参数,并与微地震数据对比。结果显示:玛湖区块由于其岩石、应力、天然裂缝等条件的限制,体积改造并未形成裂缝网络,离散裂缝网络模型也不适用其体积改造的模拟,传统双翼对称裂缝对该区块裂缝描述更为准确;因此现场实际操作中应根据区块具体分析,不应盲从和盲目选择模型。     

利用绕层固井装置提高页岩气井套管完整性

针对页岩气井多级压裂过程中断层滑移实际,设计一种可绕套变地质风险段的固井装置,采用Shell-Solid耦合方法建立套管剪切变形数值模型,计算剪切变形后套管内径沿轴向变化,并对比分析不同工程条件下常规固井与绕层固井的保护效果.结果表明:断层滑移后套管最小内径出现在套管滑移面附近,模拟形态与多臂井径和铅模测量形态较为一致...     

套管连接螺纹的受力分析与改善措施

套管在轴向拉力作用下，连接螺纹的各牙受力很不均匀，从而严重制约了套管接头的承载能力．针对套管螺纹的结构特点，建立了连接螺纹在轴向拉力作用下的力学模型，分析了各牙螺纹的受力和变形特点．在此基础上，给出了改善套管螺纹受力分布的具体方法，并从便于进行螺纹加工的角度出发，提出了外螺纹螺距不变，内螺纹变螺距的近似方案，最后用有限元法验证了这种方案的可行性．为改进套管螺纹设计，提高套管螺纹连接质量提供了依据．     

剪切对轴压临界载荷的影响的新方法

剪切对轴压稳定临界载荷的影响,可用微分方程来解决。本文是应用摄动法来处理这个问题。由于剪切力的影响,相当于梁的抗弯刚度产生一附加刚度,因此,剪切对轴压稳定临界载荷的影响,可由不计剪切影响时的解答进行摄动处理来得到。     

考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的组合梁单元

通过简单的运动学假设,提出了考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁位移法单元.由于组合梁存在多种变形的耦合作用,低次单元16DOF(自由度)应力精度较低,而具有5次Hermite多项式形函数的高次单元26DOF能以较少的单元数达到满意的精度.算例分析表明,忽略钢梁的剪切变形可能会导致显著的误差.     

宁209井区裂缝控藏体积压裂技术研究与应用

为了解决页岩气开发面临的改造体积有限、产量递减快及储量动用程度低等难题,提出裂缝控藏体积压裂工艺技术。该技术通过减小簇间距、增加裂缝条数来加大缝控面积,形成连片控制区域,立体动用储层,大幅度提高一次可采储量。对该技术进行工艺设计优化,通过精细分段优化射孔位置、孔眼节流优化射孔孔数、渗流和应力干扰优化簇间距、气水置换和高强度加砂优选纳米压裂液、有效压力优化支撑剂、实验回归优化暂堵剂用量,优化结果为：6簇射孔,每簇6孔×60°×6孔/ft,簇间距6~8 m,单段段长40~50 m;采用纳米压裂液体系,先纳米滑溜水段塞打磨,后纳米线性胶连续加砂,加砂强度大于3.0 t/m;采用70/140目石英砂+40/70目陶粒（3：7）小粒径组合支撑剂,可适当提升石英砂比例。该技术在长宁地区宁209X-x井进行试验应用,折算1 500 m水平段测试产量26.6×10⁴ m³/d,相比邻井提升103%,增产效果显著,为页岩气井的高效开发提供借鉴。     

页岩压裂剪切裂缝形成条件及其导流能力研究

页岩气藏清水压裂形成的缝网中存在大量非支撑剂充填裂缝,粗糙裂缝面的剪切错位是其主要的导流机理。理论分析了剪切裂缝形成条件及裂缝错位程度,并通过实验研究了缝面错位程度和粗糙度对导流能力的影响。理论分析表明,水力裂缝诱导天然裂缝发生剪切滑移的条件是裂缝内净压力超过地层水平主应力差。高应力差、低杨氏模量和低泊松比地层中的天然裂缝易形成较大的错位程度。在压剪闭合状态下形成最大错位的有利天然裂缝角度是arccotKf/2。实验结果表明,页岩裂缝发生滑移错位,导流能力可提高2个数量级以上;但错位程度的影响存在随机性。粗糙度较大的裂缝更易形成高导流能力,但没有绝对的相关性,粗糙度对剪切裂缝导流能力仅在低闭合应力条件下影响显著。软页岩缝面凸起易破碎,粗糙度相近情况下软页岩错位裂缝的导流能力可比硬页岩的低一个数量级以上。     

考虑自由段受荷的锚杆变形和承载特性研究

针对锚杆端部的拉拔荷载由锚固段的锚固体和自由段的锚固体共同承受的特点,采用反映土锚界面抗剪强度衰减的双折线模型,基于荷载传递理论推导得到锚杆抗拔力与位移之间的解析关系式,工程实例计算结果验证了理论推导的正确性.计算结果表明:自由段受荷后对锚杆的刚度和承载力都有明显的提高,且随着自由段长度的增加,其承载力会有所提高,但锚杆整体刚度却在降低,因此在预应力锚杆的设计与施工中应合理地选择自由段长度.     

钢与高强混凝土连续组合梁连接件的布置方式

采用ANSYS通用有限元软件,针对钢与高强混凝土连续组合梁本身结构及受力性能的复杂性,考虑材料非线性,提出了一个对钢与高强混凝土连续组合梁从加载到破坏的全过程非线性分析模式,对钢与高强混凝土连续组合梁连接件设计进行分析.研究连接件的布置方式对连续组合梁的影响,完善钢与高强混凝土连续组合梁中抗剪连接件的设计理论.