基于地层成拱效应的水泥环对套管应力影响规律研究

煤田地质与勘探
网络首发时间：2024-08-16 07:04:04

作者

安峰辰苗智博孟思炜魏子莹
单位

中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院中国石油大学（北京）理学院中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司山东方大新材料科技有限公司
摘要

【目的】随着对天然气需求的增长以及开采技术的进步，油气钻井深度不断刷新记录。随着钻井深度的增加，地应力急剧增加，因此超深油气井套管损伤问题日益突出。为了提高套管在高地应力条件下的承载力，通常采用大壁厚高强套管来解决这个问题，但收效甚微。【方法】通过套管-水泥环-地层系统的有限元模型，证实在套管系统中成拱效应的存在以及柔性水泥环对套管的保护作用。在此基础上，通过参数分析，研究不同地层、水泥环的材料参数及其厚度对系统内应力传递机制的影响。【结果和结论】结果表明：柔性固井水泥通过允许套管附近地层发生有限变形的形式使地层能够承担地应力，进而减小套管所承担的载荷；刚性固井水泥通过限制套管附近地层发生变形来承担地应力，从而将使套管与其共同承担地应力。在前者的受力体系中，固井水泥的弹性模量越小，套管应力越小，属于主动拱效应；而在后者的受力体系中，固井水泥的弹性模量越大，套管应力越小，属于被动拱效应。然而，主动拱效应场景中的应力减小幅度远远大于被动拱场景。因此，主动拱效应对套管具有更好的保护效果，而且，在硬地层中要比软地层中明显。此外，水泥环泊松比及其厚度对套管应力也有一定的影响，但影响程度不及水泥环弹性模量。鉴于此，认为采用柔性水泥固井的条件应为地层是否具备成拱条件，即地层是否具有抗剪强度，而非地层本身的软硬程度。
关键词

水泥环弹性模量套管应力有限元模型成拱效应
文章目录

1 成拱效应
2 套管-水泥环-地层系统模型
2.1 力学模型及其假设
2.2 “套管-水泥环-地层”系统的几何模型
2.3 材料属性定义
2.4 网格划分方案、载荷及约束条件
3 有限元模拟结果
4 套管最大应力的影响因素分析
4.1 水泥环弹性模量对套管最大应力的影响
4.2 水泥环泊松比对套管最大应力的影响
4.3 水泥环壁厚对套管最大应力的影响
5 讨论
6 结论
符号注释：
引用格式

安峰辰,苗智博,孟思炜,等.基于地层成拱效应的水泥环对套管应力影响规律研究[J/OL].煤田地质与勘探,1-7[2024-08-16].http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1155.p.20240814.1623.002.html.