基于有限元模型的油井套管受力情况分析
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Ｎ ｏ ３。 ．１ ２０１ ０
现代 商 贸 工 业 Ｍｏ ｅｎＢ ｓ ｅ ｒｄ ｄ ｓ ｄｒ ｕｉ ｓ Ｔ ａｅＩ ｕ ｎｓ ｎ
２ １ 第 １ 期 ０ ０年 ３
基 于 有 限 元 模 型 的油 井 套 管 受力情 况 分 析
费奉 泽
（ 江 大 学 物 理 科 学与 技 术 学 院 ， 北 荆 州 ４ ４ ２ ） 长 湖 ３０ ５ 摘 要 ： 管 损 坏 是 制 约 油 气 生 产 的瓶 颈 问题 ， 套 管 外 挤 栽荷 设 计 合 理 与 否 对 套 管 寿 命 具 有 决 定 性 的 作 用 。 前 人 在 套 而 研 究套 管 外挤 栽 荷 时 ， 将 地 层 考 虑 为 正 交 各 向 异 性 、 观 各 向 同性 材 料 ， 有 考 虑 在 垂 直 井 眼 轴 线 平 面 上 岩 石 力 学 性 质 都 横 没 各 向异 性 的 问题 。在 考 虑 这 一 特 点 的 基 础 上 ， 立 了套 管应 力 计 算 的 力 学 及 有 限 元 模 型 。 建 关 键 词 ： 向 异 性 ； 管 应 力 ； 限 元 分 析 各 套 有
大 外 挤 载 荷 不 应 该 超 过 上 覆 岩 层 压 力 ， 正 是 由 于 某 些 深 但 导 固井完成后 ， 管 、 泥环 、 套 水 地层 将形 成 一个 弹 性 组合 层 岩 石 的特 殊 性 质 ， 致 了 均 匀 的 地 层 应 力 载 荷 传 递 到 套 因 体 ， 时 的套 管 受 力 情 况 很 复 杂 ， 合 体 各 部 分 的 几 何 尺 寸 管 时 转 化 成 了 非 均 匀 载 荷 ， 而 导 致 了套 管 的 破 坏 。 此 组 在 非 均 匀 地 应 力 条 件 下 ， 论 地 层 为 各 向 同 性 或 各 向 无 和 弹性 参 数 对 套 管 受 力Baidu Nhomakorabea都 有 影 响 。 通 常 认 为 ， 泥 环 对 套 水
ｌ 有 限元计 算模型
套 管 起 到 加 强 保 护 的 作 用 。而 在 一 般 的 钻 井 设 计 中 ， 于 安 异 性 ， 管 内壁 处 的 应 力 均 呈 现 非 均 匀 分 布 规 律 。其 原 因 基 全的考虑 ， 常忽 略 水 泥 环 的 影 响 。本 文 也 作 此 处 理 ， 以便 更 清 可 能 有 两 点 ： （） 管 的 刚 度 远 远 大 于 地 层 ， 此 ， 管 承 受 了 绝 大 １套 因 套 楚 的认 识地 层力 学 性 质各 向异性 对 套 管应 力 的影 响规 律
［］ 地球 物 理 学报 ，０ ２ Ｊ． ２０ ．
２ 计 算结果 分析
在 均 匀 水 平 地 应 力 条 件 下 ， 果 地 层 为 横 观 各 向 同性 ， 如
一
３ Ｏ 一 ８
部 分 的 地 应 力 载 荷 ， 近 井 地 层 所 占 的 比 重 较 小 ， 管 的 最 而 套
大 应 力 对 地 层 性 质 的变 化 不 太 敏 感 ； （ ） 于水 平 地 应 力 的 非 均 匀 性 比 较 显 著 ， 此 ， 一 ２由 因 在 定 程 度 上 掩 盖 了 地 层 性 质 变 化 带 来 的 影 响 ， 致 套 管 应 力 导 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 ， 层 力 学 性 质 各 向 异 性 对 套 管 的 受 力 有 着 比 较 明 显 地
套管外 挤载荷 设 计 合 理 与否 对 套 管 寿命 具 有 决 定性 的作 且 应力极值增 大 。本算 例 中的套 管最 大 应力增 大 约 １ 。 ６ 用 。在 某 些 地 层 ， 使 按 上 覆 岩 层 压 力 来 设 计 套 管 外 挤 载 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 即 荷 ， 损 挤 毁 问 题 仍 时 有 发 生 。 本 文 拟 在 考 虑 岩 石 力 学 性 影 响 。 同时 ， 一 结 论 也 有 助 于 解 释 一 个 长 期 困 扰 套 管 设 套 这 质 正 交 各 向 异 性 的 基 础 上 ， 立 相 关 的 力 学 及 有 限 元 模 型 ， 计 的 问 题 ， 在 某 些 软 岩 地 层 ， 管 设 计 的最 大 外 挤 载 荷 为 建 即 套 求解地 层各向异性对 套管应力 的影响规律 。 上 覆 岩 层 压 力 ， 套 管 仍 然 被 挤 毁 。从 理 论 上 讲 ， 管 的 最 但 套
图 １给出 了组 合体 力 学模 型 示 意 图。显然 ， 与常规 的
３ 结 语
角形单元 ， 网格划 分采 用 手工 分 网与 ｔ 动分 网相 结 合 的方 ｌ ［ ３川 刘 斌 ， 道 瑛 。 宁 洁等 ． 同 围压 下 岩石 中 泊松 比 的各 向 异 性 １ 席 葛 不 式 ， 据 内 密 外 疏 的 原 则 进 行 。套 管 外 径 取 为 １ ７ ８ 依 ７． ｍｍ， 内
径 为 １７ １ ５． ｍｍ， 管 弹 性 模 量 ２ ０ＧＰ ， 松 比 ０ ２ ， 层 ［ ３李 军 ， 套 １ ａ泊 ．６地 ２ 陈勉 ， 广 清 ， 辉 ． 张 张 易坍 塌 地 层 椭 圆形 井 眼 内套 管 应 力 的 弹性 模 量 Ｅ —３ Ｐ ， ｚ ２ Ｐ ， ｌ＝ ７ ５ＧＰ 。 １ ０Ｇ ａＥ 一 ０Ｇ ａ Ｇ ｚ ． ａ 有 限 元 分 析 ［ ． 油 大 学 学报 （ 刀 石 自然 科 学版 ） ２ ０． ，０ ５
图 １ 岩石 力学 性质
圈 ２ 套 管 一地 层 组 合 体 有 限无 模 型 示 意 图
各 各 向 异 性 条 件 下 套 管 一 地 层 组 合 体
受 力示意 圈
（ ） 立 了 适 合 于 力 学 性 质 各 向 异 性 地 层 套 管 应 力 计 １建 力学模 型相 比， 化就在于各个 方 向弹性参 数的不同 。 变 算的力学及有 限元模型 。 此时组合体应 力 状态 的解 析求解 是 比较 困难 的 ， 因此 （） 均 匀 水 平 地 应 力 条 件 下 ， 层 力 学 性 质 各 向 异 性 ２在 地 采用有 限元方 法。根 据组 合 体 的几 何特 征 和受 力 特点 ， 充 对套管 的受 力有着 比较 明 显 的影响 ， 使套 管应 力 由均 匀分 分 利 用 其 对 称 性 ， １４部 分 为 研 究 对 象 ， 立 图 ２所 示 有 取 ／ 建 布转化 为非均匀分 布 ， 应力 极值 增 大。 因此 ， 且 在进行套管 限元 模 型 。地 层 边 界 分 别 施 加 最 大 、 小 水 平 地 应 力 载 荷 ， 最 外 挤 载荷 设 计时 ， 该 充 分 考 虑 地 层 岩石 的各 向异 性 ， 应 同时 这 同 时 在 其 相 对 边 界 处 施 加 水 平 位移 和 垂 直 位 移 约 束 。根 据 也 有 助 于解 释套 管所 受 外 挤载 荷超 过 上覆 岩 层 压力 问 题 。 圣维南原理 ， 应力分 布 只 在离 载荷 作 用处 很 近 的地方 才 发 （ ） 平两 向 地 应 力 差 别 较 大 时 ， 层 力 学 性 质 各 向 异 ３水 地 生 显 著 变 化 ， 离 载 荷 较 远 处 只 有 极 小 的 影 响 。 所 以 取 地 在 性 对 套 管 受 力 影 响 不 大 ， 套 管 设 计 中可 忽 略 。 在 层宽度为井眼半径 的 １ Ｏ倍 ， 消除边 界效 应 。数值 计算 结 以 果表 明 ， 这种做 法是 合 理 的。模 型 中选用 适 应 能力 强 的三 参 考 文 献
■２ ｝ 一 晨量ｔ Ｉ ｔ ■ ■■■ 硝 曩 掌聃
的影 响 ， 在设 计 套 管 外 挤 载 荷 时 ， 该 给 予 充 分 考 虑 。 而 当 应 水 平 两 向地 应 力 差 别 较 大 时 ， 层 力 学 性 质 各 向 异 性 对 套 地 管 应 力 的 影 响 就 比 较 小 了 ， 数 情 况 下 可 以 忽 略 。但 对 于 某 多 些特殊的地质条件， 若各向异性显著， 应作进一步深入研究。
中图分类号 ： Ｂ Ｔ 文献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ２３ ９ （０ ０ １．３ ００ １ ７—１ ８ ２ １ ） ３０ ８— １
套 管损坏是油 田开 发 中后期 面 临 的重 大技 术难 题 ， 近 那 么 套 管 所 受 的应 力 也 是 均 匀 分 布 的 。而 当 地 层 为 各 向 异 年 来 呈 现 愈 演 愈 烈 之 势 ， 石 油 安 全 生 产 构 成 严 重 威 胁 。 性 性 质 时 ， 管 内壁 处 的应 力 则 由 均 匀 转 化 为 非 均 匀 分 布 ， 对 套
现代 商 贸 工 业 Ｍｏ ｅｎＢ ｓ ｅ ｒｄ ｄ ｓ ｄｒ ｕｉ ｓ Ｔ ａｅＩ ｕ ｎｓ ｎ
２ １ 第 １ 期 ０ ０年 ３
基 于 有 限 元 模 型 的油 井 套 管 受力情 况 分 析
费奉 泽
（ 江 大 学 物 理 科 学与 技 术 学 院 ， 北 荆 州 ４ ４ ２ ） 长 湖 ３０ ５ 摘 要 ： 管 损 坏 是 制 约 油 气 生 产 的瓶 颈 问题 ， 套 管 外 挤 栽荷 设 计 合 理 与 否 对 套 管 寿 命 具 有 决 定 性 的 作 用 。 前 人 在 套 而 研 究套 管 外挤 栽 荷 时 ， 将 地 层 考 虑 为 正 交 各 向 异 性 、 观 各 向 同性 材 料 ， 有 考 虑 在 垂 直 井 眼 轴 线 平 面 上 岩 石 力 学 性 质 都 横 没 各 向异 性 的 问题 。在 考 虑 这 一 特 点 的 基 础 上 ， 立 了套 管应 力 计 算 的 力 学 及 有 限 元 模 型 。 建 关 键 词 ： 向 异 性 ； 管 应 力 ； 限 元 分 析 各 套 有
大 外 挤 载 荷 不 应 该 超 过 上 覆 岩 层 压 力 ， 正 是 由 于 某 些 深 但 导 固井完成后 ， 管 、 泥环 、 套 水 地层 将形 成 一个 弹 性 组合 层 岩 石 的特 殊 性 质 ， 致 了 均 匀 的 地 层 应 力 载 荷 传 递 到 套 因 体 ， 时 的套 管 受 力 情 况 很 复 杂 ， 合 体 各 部 分 的 几 何 尺 寸 管 时 转 化 成 了 非 均 匀 载 荷 ， 而 导 致 了套 管 的 破 坏 。 此 组 在 非 均 匀 地 应 力 条 件 下 ， 论 地 层 为 各 向 同 性 或 各 向 无 和 弹性 参 数 对 套 管 受 力Baidu Nhomakorabea都 有 影 响 。 通 常 认 为 ， 泥 环 对 套 水
ｌ 有 限元计 算模型
套 管 起 到 加 强 保 护 的 作 用 。而 在 一 般 的 钻 井 设 计 中 ， 于 安 异 性 ， 管 内壁 处 的 应 力 均 呈 现 非 均 匀 分 布 规 律 。其 原 因 基 全的考虑 ， 常忽 略 水 泥 环 的 影 响 。本 文 也 作 此 处 理 ， 以便 更 清 可 能 有 两 点 ： （） 管 的 刚 度 远 远 大 于 地 层 ， 此 ， 管 承 受 了 绝 大 １套 因 套 楚 的认 识地 层力 学 性 质各 向异性 对 套 管应 力 的影 响规 律
［］ 地球 物 理 学报 ，０ ２ Ｊ． ２０ ．
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在 均 匀 水 平 地 应 力 条 件 下 ， 果 地 层 为 横 观 各 向 同性 ， 如
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部 分 的 地 应 力 载 荷 ， 近 井 地 层 所 占 的 比 重 较 小 ， 管 的 最 而 套
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套管外 挤载荷 设 计 合 理 与否 对 套 管 寿命 具 有 决 定性 的作 且 应力极值增 大 。本算 例 中的套 管最 大 应力增 大 约 １ 。 ６ 用 。在 某 些 地 层 ， 使 按 上 覆 岩 层 压 力 来 设 计 套 管 外 挤 载 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 即 荷 ， 损 挤 毁 问 题 仍 时 有 发 生 。 本 文 拟 在 考 虑 岩 石 力 学 性 影 响 。 同时 ， 一 结 论 也 有 助 于 解 释 一 个 长 期 困 扰 套 管 设 套 这 质 正 交 各 向 异 性 的 基 础 上 ， 立 相 关 的 力 学 及 有 限 元 模 型 ， 计 的 问 题 ， 在 某 些 软 岩 地 层 ， 管 设 计 的最 大 外 挤 载 荷 为 建 即 套 求解地 层各向异性对 套管应力 的影响规律 。 上 覆 岩 层 压 力 ， 套 管 仍 然 被 挤 毁 。从 理 论 上 讲 ， 管 的 最 但 套
图 １给出 了组 合体 力 学模 型 示 意 图。显然 ， 与常规 的
３ 结 语
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图 １ 岩石 力学 性质
圈 ２ 套 管 一地 层 组 合 体 有 限无 模 型 示 意 图
各 各 向 异 性 条 件 下 套 管 一 地 层 组 合 体
受 力示意 圈
（ ） 立 了 适 合 于 力 学 性 质 各 向 异 性 地 层 套 管 应 力 计 １建 力学模 型相 比， 化就在于各个 方 向弹性参 数的不同 。 变 算的力学及有 限元模型 。 此时组合体应 力 状态 的解 析求解 是 比较 困难 的 ， 因此 （） 均 匀 水 平 地 应 力 条 件 下 ， 层 力 学 性 质 各 向 异 性 ２在 地 采用有 限元方 法。根 据组 合 体 的几 何特 征 和受 力 特点 ， 充 对套管 的受 力有着 比较 明 显 的影响 ， 使套 管应 力 由均 匀分 分 利 用 其 对 称 性 ， １４部 分 为 研 究 对 象 ， 立 图 ２所 示 有 取 ／ 建 布转化 为非均匀分 布 ， 应力 极值 增 大。 因此 ， 且 在进行套管 限元 模 型 。地 层 边 界 分 别 施 加 最 大 、 小 水 平 地 应 力 载 荷 ， 最 外 挤 载荷 设 计时 ， 该 充 分 考 虑 地 层 岩石 的各 向异 性 ， 应 同时 这 同 时 在 其 相 对 边 界 处 施 加 水 平 位移 和 垂 直 位 移 约 束 。根 据 也 有 助 于解 释套 管所 受 外 挤载 荷超 过 上覆 岩 层 压力 问 题 。 圣维南原理 ， 应力分 布 只 在离 载荷 作 用处 很 近 的地方 才 发 （ ） 平两 向 地 应 力 差 别 较 大 时 ， 层 力 学 性 质 各 向 异 ３水 地 生 显 著 变 化 ， 离 载 荷 较 远 处 只 有 极 小 的 影 响 。 所 以 取 地 在 性 对 套 管 受 力 影 响 不 大 ， 套 管 设 计 中可 忽 略 。 在 层宽度为井眼半径 的 １ Ｏ倍 ， 消除边 界效 应 。数值 计算 结 以 果表 明 ， 这种做 法是 合 理 的。模 型 中选用 适 应 能力 强 的三 参 考 文 献
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的影 响 ， 在设 计 套 管 外 挤 载 荷 时 ， 该 给 予 充 分 考 虑 。 而 当 应 水 平 两 向地 应 力 差 别 较 大 时 ， 层 力 学 性 质 各 向 异 性 对 套 地 管 应 力 的 影 响 就 比 较 小 了 ， 数 情 况 下 可 以 忽 略 。但 对 于 某 多 些特殊的地质条件， 若各向异性显著， 应作进一步深入研究。
中图分类号 ： Ｂ Ｔ 文献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ２３ ９ （０ ０ １．３ ００ １ ７—１ ８ ２ １ ） ３０ ８— １
套 管损坏是油 田开 发 中后期 面 临 的重 大技 术难 题 ， 近 那 么 套 管 所 受 的应 力 也 是 均 匀 分 布 的 。而 当 地 层 为 各 向 异 年 来 呈 现 愈 演 愈 烈 之 势 ， 石 油 安 全 生 产 构 成 严 重 威 胁 。 性 性 质 时 ， 管 内壁 处 的应 力 则 由 均 匀 转 化 为 非 均 匀 分 布 ， 对 套