基于有限元模型的油井套管受力情况分析

基于有限元模型的油井套管受力情况分析

套管损坏是制约油气生产的瓶颈问题,而套管外挤载荷设计合理与否对套管寿命具有决定性的作用。前人在研究套管外挤载荷时,都将地层考虑为正交各向异性、横观各向同性材料,没有考虑在垂直井眼轴线平面上岩石力学性质各向异性的问题。在考虑这一特点的基础上,建立了套管应力计算的力学及有限元模型。

标签：各向异性;套管应力;有限元分析

套管损坏是油田开发中后期面临的重大技术难题,近年来呈现愈演愈烈之势,对石油安全生产构成严重威胁。套管外挤载荷设计合理与否对套管寿命具有决定性的作用。在某些地层,即使按上覆岩层压力来设计套管外挤载荷,套损挤毁问题仍时有发生。本文拟在考虑岩石力学性质正交各向异性的基础上,建立相关的力

学及有限元模型,求解地层各向异性对套管应力的影响规律。

1 有限元计算模型

固井完成后,套管、水泥环、地层将形成一个弹性组合体,此时的套管受力情况很复杂,组合体各部分的几何尺寸和弹性参数对套管受力都有影响。通常认为,水泥环对套管起到加强保护的作用。而在一般的钻井设计中,基于安全的考虑,常忽略水泥环的影响。本文也作此处理,以便更清楚的认识地层力学性质各向异性

对套管应力的影响规律。

图1给出了组合体力学模型示意图。显然,与常规的力学模型相比,变化就在于各个方向弹性参数的不同。

此时组合体应力状态的解析求解是比较困难的,因此采用有限元方法。根据组合体的几何特征和受力特点,充分利用其对称性,取1/4部分为研究对象,建立图2所示有限元模型。地层边界分别施加最大、最小水平地应力载荷,同时在其相对边界处施加水平位移和垂直位移约束。根据圣维南原理,应力分布只在离载荷作用处很近的地方才发生显著变化,在离载荷较远处只有极小的影响。所以取地层宽度为井眼半径的10倍,以消除边界效应。数值计算结果表明,这种做法是合理的。模型中选用适应能力强的三角形单元,网格划分采用手工分网与自动分网相结合的方式,依据内密外疏的原则进行。套管外径取为177.8mm,内径为157.1mm,

套管弹性模量210 GPa,泊松比0.26,地层弹性模量E1=30 GPa,E2=20

GPa,G12=7.5 GPa。

2 计算结果分析

在均匀水平地应力条件下,如果地层为横观各向同性,那么套管所受的应力也是均匀分布的。而当地层为各向异性性质时,套管内壁处的应力则由均匀转化为非均匀分布,且应力极值增大。本算例中的套管最大应力增大约16%。说明地层的各向异性性质对套管受力状态有着比较明显的影响。同时,这一结论也有助于解释一个长期困扰套管设计的问题,即在某些软岩地层,套管设计的最大外挤载荷为上覆岩层压力,但套管仍然被挤毁。从理论上讲,套管的最大外挤载荷不应该超过上覆岩层压力,但正是由于某些深层岩石的特殊性质,导致了均匀的地层应力载

荷传递到套管时转化成了非均匀载荷,因而导致了套管的破坏。

在非均匀地应力条件下,无论地层为各向同性或各向异性,套管内壁处的应力

均呈现非均匀分布规律。其原因可能有两点:

(1)套管的刚度远远大于地层,因此,套管承受了绝大部分的地应力载荷,而近井地层所占的比重较小,套管的最大应力对地层性质的变化不太敏感;

(2)由于水平地应力的非均匀性比较显著,因此,在一定程度上掩盖了地层性质变化带来的影响,导致套管应力的变化并没有均匀地应力状态下显著。

综合以上分析可知,当水平两向地应力均匀或差别不大时,地层力学性质各向异性对套管的受力有着比较明显的影响,在设计套管外挤载荷时,应该给予充分考虑。而当水平两向地应力差别较大时,地层力学性质各向异性对套管应力的影响就比较小了,多数情况下可以忽略。但对于某些特殊的地质条件,若各向异性显著,

应作进一步深入研究。

3 结语

(1)建立了适合于力学性质各向异性地层套管应力计算的力学及有限元模型。

(2)在均匀水平地应力条件下,地层力学性质各向异性对套管的受力有着比较明显的影响,使套管应力由均匀分布转化为非均匀分布,且应力极值增大。因此,

在进行套管外挤载荷设计时,应该充分考虑地层岩石的各向异性,同时这也有助于解释套管所受外挤载荷超过上覆岩层压力问题。

(3)水平两向地应力差别较大时,地层力学性质各向异性对套管受力影响不大,在套管设计中可忽略。

参考文献

[1]川刘斌,席道瑛,葛宁洁等.不同围压下岩石中泊松比的各向异性[J].地球物理学报,2002.

[2]李军,陈勉,张广清,张辉.易坍塌地层椭圆形井眼内套管应力的有限元分析[J].石油大学学报(自然科学版),2005.