射孔套管裂纹扩展分析

采用封堵球封堵已压裂地层的射孔,选择性压裂刚射孔的地层是有效的多层压裂方法,被封堵的射孔套管段将受到内压的反复作用,有可能发生低周裂纹扩展。通过有限元方法计算射孔和单孔孔边应力分布,证明单孔可以代表射孔孔边的应力分布。经过计算,将孔边的屈服范围拟合成射孔孔径和内压的函数。应用低周裂纹扩展公式,对屈服范围内的裂纹扩展进行初步分析,分析结果表明,多层多次压裂有可能导致射孔孔边裂纹扩展,最后造成套管断裂。     

内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力分析

为了了解内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力,为现场确定泵压等施工参数提供参考依据,用ANSYS有限元分析软件建立了射孔套管有限元模型,给出了含孔边裂纹射孔套管应力强度因子计算公式,对内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力进行分析计算,得到了临界开裂应力与纵向裂纹长度的关系曲线。研究结果表明,套管最大应力集中在孔边裂纹处,在内压产生的应力作用下裂纹有可能沿轴向产生脆性扩展,因此,孔边裂纹大大削弱了射孔套管的强度;射孔套管临界开裂应力随裂纹长度的增加而减小;在短裂纹区(10 mm相似文献   

超深井非均匀地应力场中射孔套管强度分析

针对非均匀地应力、内压、射孔耦合作用下超深油气井试油和生产过程中经常出现的射孔套管损坏问题,采用有限差分软件建立了射孔套管-水泥环-地层三维地质模型,分析了射孔、内压以及非均匀地应力对超深井射孔后套管强度的影响。研究表明,射孔套管的剩余强度低于未射孔套管的剩余强度;射孔改变了套管应力的分布状态,射孔后套管最大应力发生在射孔处,孔眼处局部应力增大;射孔套管等效应力随内压的增加先降低后增加,存在一个临界值;当套管受非均匀地应力作用时,套管等效应力和变形量增大,且随着应力比的增加,套管等效应力和变形量随之增加,套管更容易发生损坏。该研究为套管的设计和应用提供了理论依据。     

射孔参数对套管损坏规律研究

在油田开发过程中,套管变形已成为影响井筒完整性以及油田长生命周期的重要因素。为解决射孔套损问题,通过有限元方法对射孔套管进行非线性屈服分析,建立了不同射孔参数下的射孔套管三维弹塑性变形模型,模拟了套管在压裂时承受内压和塑性失效的全过程,研究了不同射孔参数下射孔套管屈服破坏的抗内压强度损害系数,通过多元回归方法建立了射孔参数与套管屈服强度损害系数间的预测模型并进行了精度检验,最后采用梯度下降算法进行参数优选。分析结果显示：在射孔参数中应选择少孔数、小孔径及高孔密射孔,以降低对套管的损坏;多元回归法能够满足套管损害预测的精度需求,结合梯度下降法可实现射孔参数组合的优选。研究成果可为现场射孔参数及参数组合优化提供参考。     

稠油热采井注汽及油层出砂对套管的影响

对胜利油田单二区块稠油热采井注汽及油层出砂进行了有限元数值模拟研究,得出如下结论:(1)油层注汽引起岩层温度升高,套管应力增加,易造成套管轴线偏离,发生错断;(2)热采井出砂严重时,出砂区域地层软化,地层骨架失去承载能力,出砂区域内套管轴向应力为压应力,当超过极限应力时,易发生套管弯曲变形、错断和缩径;(3)随着出砂量的增大,套管射孔孔眼应力集中系数增大,当孔边应力达到套管材料的屈服极限时,会导致孔眼塑性破坏。     

定向射孔水力压裂起裂压力研究

现有的定向井水力压裂起裂压力预测模型未同时考虑套管和水泥环的影响。为此,建立了同时考虑套管和水泥环的井周应力分布新模型,在此基础上,利用定向射孔孔周应力模型对起裂压力进行了计算与分析。研究结果表明:定向射孔套管井在最大地应力方位射孔时,套管与水泥环外部地层最容易起裂;随地层弹性模量和泊松比的增大,起裂压力逐渐升高;对比"套管+地层"、"套管+水泥环+地层"2种模型下的起裂压力,发现在考虑水泥环的情况下起裂压力更高。结合渤海油田垦利6-4区块A井现场实际压裂施工情况,将井周应力分布新模型计算得到的起裂压力与实际井底闭合压力进行对比,两者误差为5. 7%,符合现场作业实际。研究结果对于定向射孔水力压裂设计有一定的指导意义。     

水泥环套管射孔力学的有限元法分析计算

油井开发层段射孔对套管力学性能影响较大,油井开采中后期射孔套管损坏严重。建立水泥环—套管射孔模型并应用Ansys有限元软件计算分析射孔套管应力变化和套管性能,分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因。射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小。水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,可以有效减小套管产生的应力。均匀载荷下射孔套管的应力随外压的增加而增加,不同类型的套管应力变化较大。射孔套管的应力随着孔径的增加而明显增加。非均匀载荷对射孔套管影响较均匀载荷明显,套管的抗挤强度较均匀外压时明显减小。在非均匀外压较大时,应采用P110套管,以提高射孔套管的抗挤强度。     

页岩气直井体积压裂过程套管失效的数值模拟

页岩气等致密油藏开发过程中常采用分簇射孔和复合桥塞分段大型水力加砂压裂的方式来改造储层,在作业过程中出现了大量的油层套管失效现象,导致正常的完井增产作业无法进行,严重影响了增产效果,降低了完井质量。为此,运用ABAQUS有限元分析软件建立地层-水泥环-套管的三维有限元模型,模拟计算压裂后套管Mises应力及变形分布。通过对有限元结果分析和对比压裂后MIT多臂测井曲线,认为套管失效原因为压裂后局部地层岩石强度非均匀降低,套管受挤压变形,致使套管截面椭圆度和弯曲曲率过大,导致井下工具下入遇阻遇卡。最后提出压裂过程中应该根据地层岩性和地应力参数选择合理的完井方式、压裂层段或分段方式和长度,加强随压裂监测技术,实时优化压裂分段、分簇工艺和施工压力参数,为页岩气压裂引起套管失效的防治提供理论依据。     

高温高压深井完井射孔段套管断裂力学分析

高温高压深井射孔段套管在完井投产作业过程中的失稳破坏是目前迫切需要解决的难题。将射孔段套管看作带有"圆孔"形贯穿裂纹(射孔孔眼)的无限大圆柱筒壳体,根据断裂力学理论,按混合法将圆柱筒壳体的平衡方程、几何方程和物理方程加以综合,推导出了射孔段套管在内、外压联合作用下的基本方程。引入复变函数,借助贝塞尔函数乘积形式的马丢函数,采用数值法直接求解射孔段套管的基本微分方程,得到了带环向裂纹射孔段套管射孔孔眼附近的应力场和位移场,从而导出了射孔段套管拉伸应力场和弯曲应力场的应力强度因子,据此提出了射孔段套管安全评价分析的断裂判据。为高温高压深井完井射孔段套管的损伤机理和疲劳寿命分析提供理论依据和技术支持。     

射孔对套管强度的影响

射孔是造成套管损坏的重要原因之一 ,它的影响特点和程度取决于多种因素。利用有限元ANSYS分析软件 ,对 139 7和 177 8mm套管在压裂、注水和常规开采情况下 ,不同的射孔孔径、射孔密度和射孔相位给套管强度造成的影响作了分析。结果表明 ,射孔后套管内的应力随射孔孔径、射孔密度和射孔相位的增加而增大 ,并使套管的抗拉、抗压强度降低 ;但在一定射孔孔径、射孔密度和射孔相位下 ,射孔产生的最大应力和应变不超过允许的范围。分析研究结果为套管柱的合理设计提供了一定的理论依据     

压裂工况下重复射孔套管强度安全性分析

为了解压裂工况下重复射孔套管强度安全性,为泵压控制提供依据,以139. 7 mm×9. 17 mm的P110套管为例,采用孔密16孔/m、90°相位角、10 mm孔径射孔,用ANSYS软件建立重复射孔套管有限元模型,考虑重复射孔孔眼和原射孔孔眼沿轴向、螺旋线向和周向相切等3种不利分布,根据压裂工况特点,考虑内、外压和温度应力共同作用,分析了重复射孔套管的强度安全性。分析结果表明:3种不利分布重复射孔套管强度平均降低约11. 4%,重复射孔孔眼和原射孔孔眼轴向相切为最不利分布,强度降低约19. 2%,另外孔眼轴向两端应力明显大于孔眼环向两端应力。研究结果可为重复射孔压裂施工提供参考。     

再生老井二次射孔和三次射孔套管强度安全性评价

老井再生需利用原井筒进行二次甚至三次射孔,增加射孔穿深、孔径,以提高压裂效果。为研究多次射孔套管的剩余强度,以冀东某再生老井实际工况为例,应用有限元软件为套管模型定义强化的MISES屈服准则,10倍细化孔边网格,经网格无关性测试,分析多次射孔套管的剩余强度。对比新旧孔轴向、环向和螺旋线向相切等不利分布的分析结果,轴向相切是重复射孔套管剩余强度降低的最不利分布;采用二次16孔/m射孔的?139.7 mm壁厚9.17、10.54 mmP110套管,剩余强度分别降低21%和22%;三次分别采用32、32、16孔/m射孔的?139.7 mm壁厚9.17 mmP110套管,剩余强度降低36%,三次均采用16孔/m射孔的?139.7 mm壁厚10.54 mmP110套管,剩余强度降低30%。初步量化了多次射孔套管剩余强度降低幅度,可为老井再生井筒安全性评价提供参考,并形成了再生老井重复射孔段套管安全性评价推荐方法。     

含微裂纹油井套管的抗内压断裂强度预测

API 5C3抗内压屈服设计的基本原理是管内壁屈服即失效,实际上,管内壁开始屈服并不会丧失密封和结构的完整性,内壁屈服在实际试验和现场应用中都体现不出来,爆裂能真实体现套管丧失密封的完整性.当裂纹深度大于管壁厚的5%时,失效形式是一种裂纹扩展失稳,应采用基于断裂力学理论的裂纹失稳断裂公式来预测套管的断裂压力,并与ISO的韧性爆裂压力对比,以二者中小者为准.ISO10400:2007给出了油井套管的JIC值,由JIC和油井套管临界应力强度因子KIc的关系可求得油井套管的KIC值,根据KIC与预测断裂压力的失效评估图(failure assessment diagram,FAD)就可以预测出不同裂纹深度油井套管的抗内压断裂强度.FAD为油井套管的抗内压设计提供了一种重要的参考依据.     

多重叠套管射孔性能试验与现场应用

应用套管完井的油气井,根据不同的目的封堵不同的层位。有些异常高压地层需要通过多层套管固井封堵;有些超深井需要保证井口安全,套管直接回接到井口,存在潜能的油气井层位被多层复合套管封堵。为了挖潜,或是利用油气井层位注水,或是重新认识部分层位,都需要进行多层复合套管射孔。分析了油气井的多层复合套管状况及存在的技术难题,研究多层套管的射孔工艺,进行了多层套管射孔地面打靶功能性试验,现场实施多层复合套管射孔应用试验,验证多层套管射孔的作业效果。     

水力射孔对套管强度的影响研究

水力射孔技术是一种新型的完井方式，深穿透水力射孔技术辅助定向水力压裂可以实现油气层改造和油气井增产。但是，水力射孔套管会在孔眼处造成应力集中，使得局部应力过大而削弱了套管和水泥环的强度，可能会影响套管的使用寿命。因此，文章利用有限元软件建立了射孔套管的三维有限元模型，分析了水力射孔后套管管体的应力分布，重点研究了水力射孔参数-孔密、孔径、孔深、射孔方位角等对套管强度的影响规律。分析结果表明，沿着最大水平地应力方向深穿透水力射孔，选择合适的孔密、孔径可将射孔对套管的损害降至最小。研究结果为提高水力射孔完井设计水平提供了一定的参数依据。     

煤层顶板水平井分段多簇穿层压裂数值模拟

煤层顶板水平井分段压裂技术是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术。文中基于流-固耦合原理,考虑分段多簇压裂时缝间应力干扰作用和射孔簇裂缝间压裂液动态分配,建立三维裂缝穿层扩展计算模型,研究了多簇射孔条件下裂缝动态延伸情况。结果表明：单簇射孔压裂形成的裂缝半长和宽度均较大,且裂缝尖端位于煤层顶板内,顶板内裂缝向前延伸后,由高应力顶板向低应力煤层中穿层扩展;三簇射孔条件下,当射孔簇间距小于15 m或压裂液排量低于8 m³/min时,中间裂缝不能获得有效的压裂液分配而发育不充分;对于煤层顶板水平井,射孔簇增多会导致压裂液分流,部分射孔簇将无法形成有效裂缝或无法穿层扩展,导致射孔簇效率降低。因此,对于多簇施工,应综合考虑压裂液排量、簇间距,以促进裂缝均匀扩展。研究成果可为煤层顶板水平井分段压裂施工优化设计提供依据。     

复合磨损套管爆裂失效机理及剩余强度预测

超深井、水平井、大位移井等复杂油气井服役工况异常恶劣,套管复合磨损严重,将对井筒完整性构成巨大威胁,且磨损套管剩余强度难以精准预测。为此,基于塔里木盆地塔中北坡顺南区块501井套管磨损数据及P110管材应力—应变本构关系,建立了充分考虑钻杆本体和接头联合造成的磨损模式、夹角、磨损重叠深度及磨损深度的复合磨损套管有限元力学模型,并开展了多种复合磨损模式下套管弹塑性变形、屈服、裂纹萌生、扩展及爆裂行为模拟,得到了不同复合磨损套管应力分布、剩余抗内压屈服强度及爆裂强度。研究结果表明：(1)月牙夹角在0°～90°时,应力干涉削弱应力集中,月牙夹角在90°～180°时,应力干涉增强应力集中,这种交互作用机制导致磨损套管剩余强度随着月牙夹角增加而先增加后降低;(2)裂纹萌生并起始于等效应力最大的位置即磨损月牙中心,并垂直于最大环向应力沿径向从套管内壁向外壁扩展,且裂纹一旦萌生,裂纹将迅速扩展并发生爆裂失效;(3)灰色关联度分析确定了复合磨损套管剩余强度对磨损深度、月牙夹角、复合磨损形式、月牙重叠深度的敏感性,分析结果表明磨损深度是决定套管剩余强度的主控因素。结论认为,该认识为套管强度设计与优化提供...     

射孔测试改造联作套管强度热结构耦合分析

高温高压深井试油多采用射孔测试改造联作的方式,施工时井底温度会降低很多,从而引起热应力。以SL16井为例,考虑了非均匀地应力与储层改造降温的耦合作用,进行了射孔测试改造联作套管强度热结构耦合场分析,建立了射孔套管-水泥环-地层三维空间有限元分析模型,采用ANSYS有限元软件的间接法分析了射孔套管在温度场和非均匀地应力共同作用下的应力。结果认为,射孔套管内最大等效应力随套管内壁温度与地层初始温度差值的增大而增大;射孔套管内最大等效应力总是在最小地应力方向取得最大值。     

射孔水泥环套管力学性能的分析计算

油田生产中射孔对套管力学性能影响较大,生产层段射孔套管损坏严重.建立水泥环-套管射孔模型,计算分析射孔套管应力变化.由分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因.射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小.水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,随水泥环厚度增加,套管应力减小,抗挤强度增加.油田生产中,为节约成本,对射孔层段应该采用厚壁套管合并提高固井技术,保证水泥环与套管的牢固,可以提高射孔套管抗挤强度.射孔套管的孔密对套管水泥环应力影响较大,射孔套管-水泥环应力随射孔密的增加而增加.射孔相位角对套管应力影响较大,钻井完井应采用螺旋布孔,并保持相位角接近120°,可以提高射孔套管的抗挤强度.     

页岩气水平井多级压裂过程中套管变形研究综述

针对页岩气水平井多级压裂过程中出现的套管变形问题,运用力学实验手段以及数值分析方法,计算了多级压裂过程中套管强度以及应力变化,研究了环空束缚流体、岩性界面、温压交变、地层滑移对套管应力以及应变的影响。研究表明：页岩气井压裂过程中套管变形以剪切变形和挤压变形为主,变形点具有从趾端到跟端不断增多的分布特点,且部分位置变形情况随时间推移不断加剧;环空束缚流体、岩性界面显著提升了套管应力,但不是导致套管应力超过屈服强度的充分原因;套管应力超过屈服强度后,温压交变将会加剧挤压变形程度;断层沿天然裂缝或层理弱面滑移导致套管发生剪切变形,增加套管厚度或者采用分段固井方式有利于降低套管剪切变形风险。研究成果可为压裂过程中套管完整性设计及控制提供参考,具有重要理论和工程意义。