高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律.pdf

1958西南石油大学学报（自然科学版）2024 年 2 月 第 46 卷 第 1 期Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition）Vol.46 No.1 Feb.2024DOI：10.11885/j.issn.1674 5086.2021.12.21.01文章编号：1674 5086（2024）01 0170 09中图分类号：TE256文献标志码：A高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律宋 琳1，舒振辉2，吴彦先1，练章华3*，史君林31.中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油新疆油田公司工程技术处，新疆 克拉玛依 834000；3.油气藏地质及开发工程全国重点实验室 西南石油大学，四川 成都 610500摘要：由于高温高压井中，固井工况复杂，套管与水泥环之间会出现缺失现象，导致套管损坏，尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题，以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象，建立了套管 水泥环缺失 套管 水泥环 套管 地层轴对称有限元模型，模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元，岩石和水泥环采用 EDP 本构模型，相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明，该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况，解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题；当套管环空出现环状缺失时，水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性，在深井、超深井中，建议优化水泥环返高，使水泥环不返到井口，减小固井段长度，消除水泥环缺失问题。关键词：水泥环缺失；套管损坏；有限元分析；圈闭流体单元；固井质量The Influence of Cement Sheath Loss on Multi-layer Casing Stress in HighTemperature and High Pressure WellsSONG Lin1,SHU Zhenhui2,WU Yanxian1,LIAN Zhanghua3*,SHI Junlin31.Engineering Technology Research Institute,Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Karamay,Xinjiang 834000,China2.Engineering Department,Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Karamay,Xinjiang 834000,China3.National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,ChinaAbstract:Due to the complex cementing conditions in high temperature and high-pressure wells,there will be a loss betweencasingandcementsheath,resultingincasingdamageandmajoraccidents,especiallyinthecaseofthemulti-layercasing.Takinga high-temperature high pressure and high quantity gas well in the southern margin of Junggar Basin as the research object,Based on the finite element principle and method of nonlinear contact problem of the discontinuous medium,the axisymmetricfinite element model of casing cement sheath loss casing cement sheath casing formation is established by using ANSYS finiteelement analysis software,In this model,the hydrostatic fluid element is used at the missing part of the cement sheath,theExtended Drucker Prager constitutive model is used for the rock and cement sheath,and the contact mechanics finite elementmodel is used for all the interfaces.The research results show that:the newly established finite element of cement sheath losscan accurately analyze the stress of cement sheath loss casing under complex conditions,and solve the problems of fluid-solidcouplingatthecementsheathlosswherethepreviousmodelcannotsimulate;whenthereistheannularlossbetweenCasingandcement sheath,The maximum stress occurs near the interface where the cement sheath is missing.The lack of cement sheathand the nature of the liquid have a great impact on the casing.In deep and ultra-deep wells,it is recommended to optimize thereturn height of the cement sheath so that the cement sheath does not return to the wellhead,reduce the length of cementingsection,eliminate the problem of cement sheath loss and ensure its wellbore integrity.In addition,maintaining reasonableinternal pressure during mining is also one of the effective measures to prevent and control cement sheath loss.Keywords:absence of cement sheath;casing damage;finite element;hydrostatic fluid element;cementing quality网络出版地址：http：/ 琳，舒振辉，吴彦先，等.高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律J.西南石油大学学报（自然科学版），2024，46（1）：170 178.SONGLin,SHUZhenhui,WUYanxian,etal.TheInfluenceofCementSheathLossonMulti-layerCasingStressinHighTemperatureandHighPressureWellsJ.Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2024,46(1):170178.*收稿日期：2021 12 21网络出版时间：2024 01 17通信作者：练章华，E-mail：基金项目：国家自然科学基金（51974271）第 1 期宋 琳，等：高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律171引言固井水泥环是确保油气井完整性的关键因素之一，固井质量直接影响后续作业和生产。固井时，在水泥浆驱替钻井液的过程中，由于油气井的井眼轨迹复杂，环空呈非线性几何结构，可能会引起钻井液滞留，导致水泥环缺失等固井质量问题，影响油气井的井筒完整性。在塔里木盆地克深、顺北和准噶尔盆地南缘等高温（高于 120C)、高压（大于75 MPa）及超深（超过 6 000 m）油气井中，采用多层套管固井（表层套管、技术套管和油层套管等）的较为常见。地应力、井筒压力和温度等因素对套管的相互影响，令水泥环和套管的受力情况更加复杂，使套损机理变得更加复杂化。近年来，高温高压井中环空带压问题日益严重，其中，固井时出现水泥环缺失是引发套管损坏和环空带压的重要原因，对油气井的完整性和安全性带来潜在影响。因此，有必要深入研究高温高压井中水泥环缺失对多层套管应力的影响。近年来，针对水泥环缺失对套管强度影响的问题，一些学者研究了不同的井况、水泥环缺失角度、缺失形态及水泥环材料性能等对套管的影响规律1 4。曹畅等3研究了水泥环缺陷程度与套管承载能力的关系；黄祥峰等4分析了水泥环的弹性模量对套管应力的影响；庞秉谦等5研究管柱套管内壁磨损位置与水泥环缺陷位置对套管应力的影响；邹阿七等6分析水泥环在不同角度缺失时对套管剩余抗内压强度的变化规律；于浩等7针对固井质量对套管的影响进行研究，对缺失情况等不同固井质量下运用 ABAQUS 有限元分析软件进行了仿真分析，为固井质量差导致套管失效提供了理论依据；崔明月等8认为固井质量差，水泥环缺失是套管损坏的原因；练章华等9研究了环状缺失对套管的影响，提出了水泥环全部缺失套损的防控措施；宋烨炜等10采用有限元模拟分析了水泥环的弹性模量、套管偏心率和椭圆度对套管强度的影响。在常规分析的研究基础上，对于近几年出现针对某类特殊地层或其他特殊工况的研究，则是目前国内外研究的热点之一。针对热采井，杨雄文等11对水泥环缺陷引起的套管应力变化进行研究分析；陈勇等12研究了水泥环周向局部破坏对套管力学性能的影响；祝效华等13将温度场与应力场耦合，分析高温热采井水泥环缺陷对套管安全性；Sale-habadi 等14研究了在不同水泥环缺陷的情况下，水泥环热学性能与力学参数对套管应力的影响；赵鹏等15则研究了热采和非热采两种情况不同水泥环缺陷角度对套管受力的影响。对于水平井，Pattillo等16建立了含不同角度下环向缺陷有限元模型，分析了水泥环应力与时间的变化规律；席岩等17分析瞬态温压作用下页岩气水平井水泥环缺失进行研究，表明力 热耦合作用使得套管最大应力出现在缺失处两侧；蒋可等18 19针对页岩气井水平段套管的压裂工况，对水泥环窜槽缺失等井质量差的情况对套损影响进行了研究，固井质量差是套管损坏的主要原因；窦益华等20则分析了第一胶结面和第二胶结面水泥环缺失厚度对套管强度影响。以上研究为水泥环缺失对套管强度的影响做了大量工作，取得了一些理论成果，具有重要的参考价值，然而，在深井、超深井、高温、高压以及高产井中，对多层套管在水泥环缺失套管受力的影响研究较少，在水泥环缺失部位被流体与固体的相互作用影响规律也鲜有报道，目前现场工程师或研究人员只能凭经验保守估算认为缺失部位压力为零，或者直接按液体密度液柱压力计算其外压，直接施加到缺失部位，该方法要么过于保守，要么过于激进。因此，对水泥环缺失处套管应力分析，需要建立较为真实反映现场情况的分析模型，故本文建立了 3 层结构的套管 水泥环缺失 套管 水泥环 套管 地层轴对称有限元模型，该模型创新性地引入了圈闭流体单元解决缺失处流固耦合问题，考虑了多层套管水泥环的应力传递，采用岩土 EDP 本构模型，研究套管与水泥环之间出现环状缺失对套管受力的影响。1 水泥环缺失套管受力分析以新疆准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井作为分析对象，井身结构如图 1 所示，本文针对2 000 m 处 3 层套管结构开展研究。油气井在开采过程中，套管同时承受来自地层的外挤压力（设套管受均匀外挤压力）以及井筒液体的内压，由于水泥环小段的环状缺失（缺失部分一般会被地层中的水充满），在缺失的界面处套管容易发生局部塑性应变损伤破坏，导致套管损坏。172西南石油大学学报（自然科学版）2024 年3!#!$%&32!#!$%&2!#!$%&1500m2000m5600m图 1井身结构图Fig.1Wellbore structure of a well固井质量完好的套管受到了来自地层的外挤压力以及来自套管内的内部压力，套管可以简化为一个平面应变模型，套管的 3 向应力为=piR2i poR2oR2o R2i+(pi po)R2iR2oR2o R2i1r2r=piR2i poR2oR2o R2i(pi po)R2iR2oR2o R2i1r2z=2piR2i poR2oR2o R2i(1)式中：周向应力，MPa；pi内压力，MPa；Ri套管内半径，mm；po外挤压力，MPa；Ro套管外半径，mm；r套管壁上任意一点的半径，mm；r径向应力，MPa；z轴向应力，MPa；泊松比，无因次。套管采用适用于金属材料的 Von Mises 失效准则（第四强度理论），判断是否进入屈服阶段m=(r)2+(r z)2+(z)22(2)式中：m等效应力，MPa。当等效应力超过套管的屈服极限强度时，就认为套管进入了屈服阶段。2 水泥环环空全部缺失的有限元分析2.1 建立新模型的方法和原理为反映真实情况下缺失部位流体与套管、水泥环的耦合作用，本文采用特殊的体积控制的加载方式，引入了圈闭流体单元。圈闭流体单元是一种覆盖在腔体边界面上的表面单元，与腔体内边界共节点，从而形成一个封闭的区域，作用是模拟结构变形与内部流体压力变化之间的耦合效应：通过控制特定区域内的体积变化，将压力控制加载转换为体积控制加载，并利用体积变化来计算所需的压力大小。在采用圈闭流体单元用来模拟被流体充满的腔体结构（图 2）时，考虑了外部载荷、内部流体的压力变化及腔体的变形对内部流体压力的影响，可更准确地分析结构与流体间的相互作用。!#$%&图 2被流体充满的腔体结构示意Fig.2Sketch Map of cavity filled with fluid在使用 ANSYS 软件中提供的圈闭流体单元来解决缺失部分水泥环四周完全被固体包围这一流固耦合问题的基础上，采用弹塑性接触问题的有限元法理论、非连续介质非线性接触问题的原理及其方法，建立了多层套管作用下水泥环环向缺失的有限元力学评价模型，该模型可以准确和定量计算不同内压和地应力通过地层 水泥环 技术套管 水泥环等传递到水泥环缺失位置的实际压力。模型中，地层 水泥环、水泥环 技术套管、技术套管 水泥环等界面采用高度非线性的接触力学有限元模型，模型中各界面之间可以有间隙，也可紧密接触，即该模型可模拟水泥环具有微间隙的工况，也可以直接获得接触界面之间的接触压力（地层传递到水泥环缺失位置处的压力），避免了以前学者8 9的模型中将地层 水泥环、水泥环 套管间建立的连续介质模型视为一个整体，从而无法获得来自地层传递到界面的压力的问题。地层岩石及其水泥石计算的材料模式使用常用的线弹性模式时18 19，与实际岩石力学和水泥环的强度变化及其破坏不完全吻合，应采用 Drucker-Prager（DP）模型21 22第 1 期宋 琳，等：高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律173f=I1+J2 k=0I1=1+2+3J2=16(12)2+(23)2+(13)2(3)式中：f屈服准则方程；，k与材料自身内摩擦角和内聚力相关的材料参数，无因次；I1第一应力不变量，MPa；J2第二应力偏量不变量，MPa；1，2，3最大、中间和最小主应力，MPa。ANSYS 提供了对 DP 模型进行了扩展的 EDP模型，在 EDP 模型中需要输入压力敏感参数和材料屈服应力两个参数，这两个参数与黏聚力和内摩擦角之间的关系为23=6sin3 sin(4)y=6C cos3 sin(5)式中：压力敏感参数，无因次；内摩擦角，（）；y材料屈服应力，MPa；C黏聚力，MPa。本文采用使用了 EDP 模型来模拟岩石、水泥环的力学性能。2.2 有限元力学模型根据实际情况和现场资料，建立了套管 水泥环缺失 套管 水泥环 套管 地层轴对称有限元实体模型，见图 3，对应的有限元模型见图 4。按圣维南原理可知，井眼尺寸 57 倍以外区域的地应力场不受影响，因此，研究模型的宽度选取为 4 m，高度选取为 10 m，缺失高度选取为 1 m，缺失宽度选取为 10 mm。整个模型采用 8 节点的单元划分结构网格，不同材料界面之间采用接触单元，总共建立了 6 组接触对，水泥环缺失处采用圈闭流体单元模拟，该模型可以准确分析套管 1、水泥环缺失、套管 2、水泥环、套管 3、水泥环和地层之间的相互接触作用压力的定量关系，能准确分析在不同内压以及复杂条件下水泥环缺失对套管的影响。yo!1!2!310mm1m10m4m!#$%&#$%()x图 3有限元实体模型Fig.3Finite element solid model图 4有限元力学模型Fig.4Finite element mechanical model2.3 边界条件及材料属性根据现场实际的极限工况，最大油压设为120 MPa，对应套压为 60 MPa，环空保护液密度取 1.45 g/cm3，则在计算位置 2 000 m 处的井筒内压为 88 MPa，即在井筒内壁施加 88 MPa，地层压力取最大水平地应力 46 MPa，水泥环缺失位处液体密度为 1.65 g/cm3，则缺失处对应压力为 31 MPa，即给圈闭流体单元施加静水压力 31 MPa，由于模型处于地层中部，模型上下两端进行位移约束。在压力作174西南石油大学学报（自然科学版）2024 年用下，水泥环缺失处液体介质的体积变化通常用压缩率来表示=1VdVdp(6)式中：压缩率，MPa1；V液体介质的体积，m3；p压力，MPa。本文中的缺失处液体按水进行计算。根据现场资料，常见的地层岩石平均弹性模量 24.845.4 GPa，泊松比 0.23，岩石抗拉强度9.38 MPa，岩石密度 2.5 g/cm3，地层破裂压力当量密度 2.6 g/cm3。水泥缺失位置地层岩石 水泥环 套管力学参数如表 1 所示。表 1地层岩石 水泥环 套管力学参数Tab.1Mechanical parameters of formation,cement and casing材料弹性模量/GPa泊松比/无因次内聚力/MPa内摩擦角/（）备注套管210.00.30水泥7.00.239.028水泥环质量良地层45.40.2525.028取自噶尔盆地南缘3 结果分析与讨论3.1 有限元结果分析根据前文所述的力学有限元模型及力学边界条件，得到套管、水泥环和地层的 Von Mises 应力分布，如图 5 所示。由于水泥环缺失部位有流体作用，水泥环完好部位应力大于缺失部位。在 3 层套管中，套管 1 上的应力最大，套管 2 和套管 3 上的应力相对较小，但都处于弹性变形阶段。060120180240300360420480!/MPa#$1#$2#$3图 5套管 水泥环 地层的 Von Mises 应力分布云图Fig.5Von Mises stress contour of casing cement sheath formation为了研究水泥环缺失对套管应力的分布的影响，在水泥环缺失时段沿套管内壁从上至下提取套管内壁的应力，得到水泥环缺失时沿套管内壁处应力变化曲线，如图 6 所示。0123450100200300400500600!1!2!3#$/MPa%&(/m)*+,-)*+./)*+,-图 6水泥环缺失时沿套管内壁处应力变化曲线Fig.6Internal stress variation curve of casing along path whencement sheath is missing图 6 中，应力曲线在水泥环缺失与水泥环完好的交界面处发生了突变，这是因为套管外壁在水泥环完好段处，受到的是地层传到套管外壁的压力，而在水泥环缺失处，受到的是液体压力。由于流体的压力和地层传递到套管外壁的应力不一致，从而导致水泥环缺失与水泥环完好的交界面处发生剪切作用，出现了应力集中。此外，由图 6 还可以看出，套管 1 和套管 3 在水泥环完好段套管内壁处的应力大于水泥环缺失段套管内壁处的应力；而在套管 2 内壁处，应力分布规律正好相反，水泥环缺失套管内壁处的应力大于水泥环完好段内壁处的应力。在多层套管水泥环作用情况下，由于套管 1 上的应力最大，因此，后文重点对套管 1 进行分析。本文研究的 3 层套管 3 层水泥环和地层之间共存在 6 个界面（图 7），不同接触界面接触压力曲线见图 8。&1&2&3&4&5&6!#$%图 73 层套管和 3 层水泥环结构界面示意Fig.7Structural interface of three-layer casing and three-layercement sheath由图 8 可见，由于水泥环的缺失，不同的界面的接触压力均有增加。在界面 1 处，因缺失段地应力不能通过水泥环传到套管，因此，该处接触压力第 1 期宋 琳，等：高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律175为 0。界面 2 的接触压力因水泥环缺失增加得最为明显，接触压力最大的是靠近地层的界面 5 和界面 6，主要是来自地层的地应力，其次是界面 1 和界面 2，主要是来自于井筒内的压力，而中间的界面 3和界面 4 的接触压力偏小。01234502468101214!1!2!3!4!5!6#$%&/m()*/MPa+,-./+,-01+,-./图 8接触界面接触压力Fig.8Contact pressure of different contact interfaces3.2 不同套压下的计算结果分析套压对套管应力强度有较大影响，分别取井口套压为 0、10、20、30、40 和 60 MPa（对应的井筒内压分别为 28、38、48、58、68 和 88 MPa），研究套管 1上的应力分布情况。不同套压下套管 1 内壁 Von Mises 应力在垂向位置的分布见图 9，套管 1 内壁应力和剪切力随套压的变化规律见图 10。01234502004006000aMP10aMP20aMP30aMP40aMP60aMP!#$/m%&/MPa()*+(),-()*+图 9不同套压下套管 1 内壁 Von Mises 应力在垂向位置的分布Fig.9Von Mises stress distribution along vertical direction ofcasing 1 inner wall under different casing pressures由图 9 和图 10 可知，套管 1 内壁 Von Mises 应力随套压的增加而增加。分析表明，当套管受到的地层外部压力一定时，在水泥环缺失段，随着套压的增大套管内的应力逐渐增大，从而增强了界面剪切作用。当水泥环缺失交界处的应力会超套管屈服强度时，该区域的套管进入塑性屈服阶段。因此，在生产过程中，控制套压保持在合理的范围是防止水泥环缺失处套管变形的有效措施。0102030405060200300400500!#$%!&%!#(%101520253035)*/MPa!/MPa100+,/MPa)*图 10套管 1 内壁应力和剪切力与套压的关系Fig.10Stress variation law of casing 1 inner wall underdifferent casing pressures3.3 水泥环缺失处不同流体计算结果分析在水泥环缺失的地方通常都被流体工作介质充满，但工程中常将该流体按不可压缩处理，从而导致计算的应力在水泥环缺损位置的最小，这是由于流体不可被压缩，会将来自地层的压力直接传递到套管 1，同时，套管 1 内部会受到来自井筒的压力，二者会相互抵消一部分，故使得此处应力值反而更小。另外，计算时，流体的体积弹性模量设为定值（2.15103MPa），但是在实际的固井中，水泥环处的液体内不可避免地会混入气泡，使体积弹性模量显著减小，此外，还存在一个极端情况，缺失处全部是气体填充。缺失处全部是气体填充时，将流体单元的材料设置为气体，密度为 334 kg/m3，各层套管的 VonMises 应力分布如图 11 所示。346380410470500530545549!/MPa44035102025303542!/MPa1585889197100103105108!/MPa94a1#$b2#$c3#$图 11水泥环缺失处充满气体时不同套管的 Von Mises应力分布云图Fig.11Von Mises stress contour of different casings when themissing part of cement sheath is filled with gas由于缺失段是气体，可以压缩性高，缺失部位的应力分布规律与图 5 所示的规律有所不同，这是176西南石油大学学报（自然科学版）2024 年由于地层压力不能有效传到套管上，井筒的压力也不能有效的传递到水泥环上，因此，在套压作用下，水泥环完好与缺失的界面产生剪切作用，在水泥环缺失段产生了较高应力。3 层套管中套管 1 应力仍是最大，最大位置转移到水泥环缺失位置，但套管 2 因接受不到来自井筒内的压力，从而套管 2 应力较小。图 12 所示为不同流体性质套管 1 内壁在水泥环缺失段 Von Mises 变化曲线。23460490520550!#$%&%()*+2150MPa2000MPa1500MPa1000MPa500MPa400MPa01/MPa2345/m,-.$%/%图 12不同流体性质套管 1 内壁在水泥环缺失段 VonMises 变化曲线Fig.12Von Mises variation curve of cash 1 inner wall of casingwith different fluid properties in the missing section ofcement sheath由图 12 可见，随着体积弹性模量的减小，水泥环缺失部位的流体的抗压缩能力减弱，从地层传递到油层套管 1 的应力不断减小，使得套管 1 的应力逐渐增加，此时套管 1 在缺失段是高应力区，在水泥环缺失的交界面附近应力最高，当缺失处流体变为气体时，在水泥环缺失段仅受到井筒内压的作用，产生鼓胀效应，套管在固井质量差的水泥环缺失段产生了较高应力，易发生局部损伤破坏。因此，若水泥环缺失且缺失部位填充为气体，在井筒内压较大时，套管更容易损坏。图 13 为接触应力在不同界面水泥环缺失处的分布图。由图 13 可知，各界面的接触压力的变化同时受到井筒内压地层压力的影响，当水泥环缺失位置为气体时，井筒的压力不能完全传递到水泥环，因此界面 2 的接触压力减小最明显，其他界面 3 和界面 4 的接触压力减小，界面 5 和界面 6 是接触压力最大的界面。综合分析可知，固井时，应该优化水泥返高，表层套管和外层套管外水泥应返到井口，生产套管的水泥返深应综合考虑后续工作的开展，可以不返回到井口。()2()3()4()5()6024681012!#$%&14*+,-/MPa()图 13接触应力在不同界面水泥环缺失处的分布Fig.13Contact pressure distribution of different interfaces atthe missing position of cement sheath4 结论1）引入圈闭流体单元，建立了套管 水泥环缺失 套管 水泥环 套管 地层轴对称有限元模型，为套管损坏机理研究提供了参考依据。2）当套管与水泥环之间出现环状缺失时，最大应力发生在水泥环缺失的交界面附近，缺失部位流体性质对结果影响较大，缺失部位应尽量填充液体。3）内压对水泥环全部缺失段套管的受力影响较大，生产套管内的应力值随内压增加而增加。4）在深井、超深井中，为保证井筒完整性，建议优化水泥环返高，使水泥环不返到井口，减小固井段长度，消除水泥环缺失问题，从而延长套管的使用寿命。参考文献1彭泉霖，何世明，章景城，等.水泥环缺陷对套管强度影响研究现状及展望J.钻采工艺，2015，38（4）：35 37.doi：10.3969/J.ISSN.1006-768X.2015.04.10PENG Quanlin,HE Shiming,ZHANG Jingcheng,et al.Research on the influence of defective cement ring on ca-sing strengthJ.Drilling&Production Technology,2015,38(4):3537.doi:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2015.04.-102敬俊，单鸿斌，祝效华，等.交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响J.断块油气田，2023，30（4）：685 691，697.doi：10.6056/dkyqt202304022JING Jun,SHAN Hongbin,ZHU Xiaohua,et al.Impact ofcement sheath defects on casing in the reservoir section 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