第7讲-岩石力学-井筒完整性失效原因及力学设计

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80 80 80
55
60 65 70
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20 15 10
90
95 100 100
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80
5
0
105
110
盐膏层套管强度设计
固井以后盐岩应力 松弛导致套管水泥环外 挤压力的变化过程依然 可以采用盐岩的位错蠕 变模型进行分析。
B
h
盐岩
H
Q vs C exp RT
效通常是由过高径向应力造成的，它会产生压缩毁坏与拉伸断裂。 过高的（径向或切向）诱导应力可引起环状或径向水泥环破损（或断裂），并
造成液压封隔失效。
井筒压力变化的影响
井筒压力35MPa时水泥环应力、应变
井筒压力70MPa时水泥环应力、应变 35MPa：一界面处水泥环Von Mises应力达到了 49.6MPa，塑性变形，最大应变0.0278%； 70MPa：大部分水泥环Von Mises应力达到了49.6MPa ，塑性变形，塑性应变0.131%，影响界面胶结质量； 90MPa：整个水泥环Von Mises应力都达到了49.6MPa
三、井筒完整性力学设计方法
四、案例分析
水泥环胶结失效的响因素
特定井下条件：井眼尺寸、套
管性能、岩石机械性能、预计 载荷变化
井内压力大幅变化：试压、钻
井液比重加大、套管射孔、酸 化压裂、天然气产出
温度变化：地热井生产、注入
蒸汽、高温高压
地层载荷：滑移、断层、压实
水泥环基本力学特征的影响
水泥环完整性力学分析
在井筒压力Pi以及接触压力Pc1的作用下，套管应变为：
①
②
因为套管轴向应变相比套管长度，可以忽略，则
③
将③带入①中可以求的：
④
水泥环完整性力学分析
套管径向应变为：
⑤
将套管定义为薄壁筒，根据薄壁筒原理：
且
其中P=Pi-Pc1
⑥
将⑥带入⑤中可以求套管径向变形量为：
⑦
水泥环完整性力学分析
射孔，压裂、酸化
井筒压力变化、试油人为因素
腐蚀因素
提纲
一、概述 二、井筒完整性失效原因分析
三、井筒完整性力学设计方法
四、案例分析
水泥环完整性力学分析
水泥环井周应力分布
分析套管-水泥环界面应力条件，图中Pc1为套管-水泥环界面形成的接触 压力，Pi为套管内井筒压力。
套管-水泥环整体模型
套管
水泥环
， 整个水泥环发生塑性变形，最大塑性应变0.254%
井筒压力90MPa时水泥环应力、应变 ，破坏水泥环力学完整性和水力密封性。
井筒温ຫໍສະໝຸດ Baidu变化的影响
温度对水泥环完整性具有两大方面的影响：温度导致水泥环产生附加应力，超 过强度易产生裂缝；温度降低水泥环的强度，增加水泥环的渗透性； 温度变化引起的应力应变会导致水泥产生裂缝，在水泥环的第一、第二界面形 成79.4微米的微环隙。
压力上升到 110MPa 左右时，水泥环内表面射孔部位会显示螺旋破坏趋势， 130MPa
时射孔完整螺旋贯通，破坏区范围较大。
在压裂施工中，水泥环完整性有极限临界水压，突破临界水压，水
泥环失效（水泥环力学特征需优化）。
基于弹塑性的水泥环完整性分析
弹性模量对水泥环完整性的影响
E=4GPa
E=6GPa
Pmax=80MPa 、Pmin=50MPa时水泥环破坏状态
Pmax=80MPa、 Pmin=80MPa时水泥环破坏状态
基于弹塑性的水泥环完整性分析
地应力差及液柱压力对水泥环完整性的影响
水平最大地应力（MPa） 水平最小地应力（MPa） 水平应力差（MPa） 80 50 30 极限水压（MPa） 85
套损形态
套管穿孔
腐蚀：一般是由于含有 高矿化度浅层水、细菌 、硫酸菌和酸化改造造 成的。
套损形态
地质因素 钻井因素
主要包括盐层塑性流动， 泥页岩遇水 膨胀， 断层活动，以及构造应力场等 在试油期间，地质因素对
套管安全性的影响。
主要包括井眼不规则 管杆磨损和组合设计
试油与开发因素
高矿化度的地层水腐蚀和 电化学腐蚀等
非常规天然气:致密气、页岩气等勘探开发需要对储层进 行大型酸化压裂改造对层间封隔的需求； 酸性油气藏：松辽、川渝、海外区块，CO2、H2S对水 泥环的腐蚀； 储气库：周期性注采作业、水泥环应力变化大； 海外复杂油气勘探开发：海外复杂井~~~~。
提纲
一、概述 二、井筒完整性失效原因分析
井筒完整性失效原因及力学设计
卢运虎
学习目标
• 掌握井筒完整性的概念； • 了解井筒完整性失效原因； • 学会利用力学的方法设计井筒完整性。
提纲
一、概述 二、井筒完整性失效原因分析
三、井筒完整性力学设计方法
四、案例分析
概念
井筒完整性定义
井筒完整性是指在油气井使用周期全过程，应用技术、操作及组织方面的解决方案 降低地层流体发生非控制泄露的风险。
E=8GPa
E=10GPa
E=12GPa
E=14GPa
在加载路径、井筒液柱压力等因素一定条件下，随着水泥环的弹性模量增加，水 泥环失效风险增加，即降低水泥环弹性模量，可提高水泥环承载压裂极限压力的能力 ---------优化水泥浆配方，实现材料优选
基于弹塑性的水泥环完整性分析
地应力差及液柱压力对水泥环完整性的影响
研究意义
水泥环完整性研究的迫切性
近年来全球大型油气产区发生过井筒完整性失效或出过井筒完整性问题的井比例高 达45%； 层间封隔的环空完整性失效占总体失效井比例的20%。
研究意义
加拿大阿尔伯特省Peace River地区气窜及环空带压情况
南阿尔伯特的浅层气井 、东阿尔伯特的重油井 和ROCKY山的深层气 井，都存在SCP。
井筒 管柱
完整性
二界面胶结 井眼条件
高温、高压 低压、易漏 盐岩层、盐膏层等
复杂地层
多压力层系 腐蚀性流体
研究意义
井筒完整性主要问题：
①持续的环空力；②完井管柱渗漏；③完井管柱发生腐
蚀；④固井套管柱腐蚀；⑤水泥环剥落；⑥套管头发生
移动；⑦采油树与套管头连接处密封不良等。
研究意义
井筒温度变化的影响
高温作用后水泥石基质的完整性、均质性遭到破坏，随着温度的变化，水泥环
的强度降低，且随养护时间变化不明显； 高温作用下水泥石的渗透率增加，进一步加剧水泥环的失效风险。
井筒温度变化的影响
地层酸性流体腐蚀的影响
CO2和H2S在湿环境下与碱性水泥环发生酸碱反应，腐蚀后的水泥石强度严重下降；
研究内容
否
井筒完整性 套管柱完整 性 相对直接 易于解决 水泥柱完整 性
失效
Gas
综合效应 相对复杂
Channel
研究内容
管柱
井身结构优化
管串结构优化 套管选择 选择气密封扣 附件选择 套管头选择 井斜控制
设计选材
防磨工艺及措施
套管入井管理
保障措施
研究内容
将水泥环定义为厚壁筒，根据厚壁筒原理：
且
⑧
水泥环径向变形量为：
⑨
根据套管径向变形量等于水泥环径向变形量，联立⑦和⑨可以求的：
⑩
水泥环完整性力学分析
水泥环完整性失效破坏准则
最大拉应力准则
90
莫尔-库伦准则
破坏区域
水泥环抗拉强度
破 坏 区 域
St
安 全 区 域
套管-水泥环界 面应力状态 水泥环-地层界 面应力状态
套 管 错 断
纵 向 开 裂
四 周 开 裂
腐 蚀 穿 孔
套损形态
缩径：套管直径变小，均匀地 应力作用下，软岩流变、膨胀
形成强大的外挤压力所导致。
套 损 变 形
挤扁：套管呈椭圆形，受 到非均匀挤压或是套管磨 损造成的。
弯曲：变形段套管轴线偏移， 多是由于套管某段受单向力作 用引起的。
套损形态
套管破损
n eq
套管
A
盐膏层套管强度设计
盐层地层套管外挤压力分析
随着盐岩埋深的增加，盐岩松弛导致套管外挤压力趋于稳 定的时间明显缩短，这主要是由于盐层越深，地层温度越高， 盐岩松弛速率越快所导致的。
盐膏层套管强度设计
盐层地层套管外挤压力分析
1.00 0.95
97.5％
套管蠕变压力与地应力比
水泥环完整性研究的迫切性
井筒效益无法保障！！！
研究意义
2010年4月20日22：00时，BP公司位于墨西哥湾“Deepwater Horizon深水地平线”钻井平台252-01井发生井喷爆炸事故。
事故造成11人死亡，17人受伤，大面积海域受到严重 污染，世界上最先进的Missssippi Canyon钻井平台烧毁， 经济损失惨重，油气资源大量浪费……
常规水泥石
常规水泥石具有先天缺陷的脆性材料，地层围岩应力和井筒应力作用下会破裂形 成宏观裂纹，致使水泥环的封隔作用彻底失效。 应力应变曲线：应力增大到一定程度时水泥石突然崩裂, 应力应变曲线为一条较 陡的直线, 符合脆性材料应力应变曲线特征，高刚度，低强度。
水泥环基本力学特征的影响
垂直径向裂缝通常是由切线应力造成的，它会产生拉伸断裂，水泥环的胶结失
错断：套管受力后在水平方向错断开，这种变形主要是由
于套管受强大的剪切力造成的。
破裂：套管受内压力作用产生裂缝或裂开，套管裂开一般分 为纵向开裂和四周开裂。
套损形态
套管穿孔
磨损：深井、超深井下技术 套管固井后还需继续加深钻 井，技术套管要长期承受钻 杆的旋转和纵向摩擦，钻杆 与套管内壁磨损十分严重。
水泥环腐蚀破坏后，井内管柱失去保护屏障，腐蚀形成窜流通道，造成气体泄漏。
固井一二界面胶结强度的影响
r4
po
r3
q3
q4
r2
q2
r1
pi
套管 水泥环
rp 2
井壁围岩
水泥石体积收缩形成微环隙
水泥石体积收缩与地层、套管变形不协调，导致界面出现微环隙； 胶结面强度低，且与水泥浆密度关联大。低密度和高密度水泥石比常规密 度水泥石二界面胶结强度低，体积收缩率越大，胶结强度越低。
射孔造成水泥环完整性破坏
非增韧水泥射孔段裂缝1
非增韧水泥射孔段裂缝2
射孔所产生的冲击作用导致水泥环震裂破坏，形成扩散微裂纹
套损形态
套管损坏形态
套 管 变 形
套 管 破 损
套 管 穿 孔
根据套管损 坏形态大致 可以分析出 引起套管损 坏的原因。
磨 损 穿 孔
缩 径 变 形
挤 扁 变 形
弯 曲 变 形
水泥环
在井下温度变化环境中具 有较好的温度适应能力 水泥环完整性不受破 坏，抗压强度不衰退 水泥环体积不发生变化，不出 现体积收缩或后期过度膨胀
力学稳 定性 腐蚀环 境下的 稳定性
水泥环 的长期 耐久性
体积稳 定性
在井下腐蚀环境具有 较强的抗腐蚀能力
温度稳 定性
应力稳 定性
在井下载荷条件下具有较好
研究意义
罗家16H井位于重庆开县高桥镇晓阳村境内，由川东钻探公司川钻 12队承钻。2003年12月23日21时55分突然发生井喷，预计天然气无阻流 量为400-1000万方/日，硫化氢浓度达到100ppm以上。失控的有毒气体 迅速扩散，导致在短时间内发生大面积灾害，损失惨重。 据统计，井喷事故涉及4个乡镇，30个村，9.3万余人，6.5万余人被 迫疏散转移，门诊治疗27011人（次），住院治疗2142人（次），243位 人员遇难…… （经济、资源损失等）
0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
80 70 60 50 40 30 20 10 0 -50 0 50
安全区域
D R
100 150
若 cement St ，水泥环切向发生拉伸破坏；
若 R D，水泥环发生剪切破坏。
水泥环完整性力学分析
基于弹塑性的水泥环完整性分析
在考虑射孔、压裂等复杂工况，基于弹塑形理论进行有限 元数值模拟。
的交变应力承载能力
保障油气井安全、提速、提产、提效
研究内容
影响井筒完整性的因素包括套管完整性、水泥环完整性和地层因素3个环节 前置液 水泥浆 后置液 水泥石 完整充填 一界面胶结 管柱完整 井眼规则 套管扶正 长封固段 小间隙 大环空 有效顶替
固井 液体
考虑因素：
射孔（孔径、孔密） 封隔器 压裂施工
射孔孔眼 封隔器 射孔孔道 套管 水泥环 地层
稠油热采 复杂盐层动态应力 断层错动地层
套管-水泥环-地层系统几何模型
基于弹塑性的水泥环完整性分析
模拟井筒液柱压力下水泥环完整性特征
随着水压逐渐升高，水泥环破坏从射孔周围开始，并逐渐发展。
废弃井盐水和气体泄露 表层套管焊接处窜气
仅在加拿大西部，就有 18000多口井表层套管 环空带压或窜流，有许 多井需要关井甚至停产
生产套管焊接处窜气 所在的地理位置
研究意义
水泥环完整性研究的迫切性
复杂天然气井:川渝地区、塔里木油田、松辽盆地深层天然气
勘 探 开 发 目 标 趋 于 复 杂
环空带压问题；