基于有限元模型的油井套管受力情況分析
2010-12-31 00:00:00費奉澤
現代商貿工業 2010年13期
摘要:套管損壞是制約油氣生產的瓶頸問題，而套管外擠載荷設計合理與否對套管壽命具有決定性的作用。前人在研究套管外擠載荷時，都將地層考慮為正交各向異性、橫觀各向同性材料，沒有考慮在垂直井眼軸線平面上巖石力學性質各向異性的問題。在考慮這一特點的基礎上，建立了套管應力計算的力學及有限元模型。
關鍵詞:各向異性;套管應力;有限元分析
中圖分類號:TB
文獻標識碼:A
文章編號:1672-3198(2010)13-0380-01
套管損壞是油田開發中后期面臨的重大技術難題，近年來呈現愈演愈烈之勢，對石油安全生產構成嚴重威脅。套管外擠載荷設計合理與否對套管壽命具有決定性的作用。在某些地層，即使按上覆巖層壓力來設計套管外擠載荷，套損擠毀問題仍時有發生。本文擬在考慮巖石力學性質正交各向異性的基礎上，建立相關的力學及有限元模型，求解地層各向異性對套管應力的影響規律。
1 有限元計算模型
固井完成后，套管、水泥環、地層將形成一個彈性組合體，此時的套管受力情況很復雜，組合體各部分的幾何尺寸和彈性參數對套管受力都有影響。通常認為，水泥環對套管起到加強保護的作用。而在一般的鉆井設計中，基于安全的考慮，常忽略水泥環的影響。本文也作此處理，以便更清楚的認識地層力學性質各向異性對套管應力的影響規律。
圖1給出了組合體力學模型示意圖。顯然，與常規的力學模型相比，變化就在于各個方向彈性參數的不同。
此時組合體應力狀態的解析求解是比較困難的，因此采用有限元方法。根據組合體的幾何特征和受力特點，充分利用其對稱性，取1/4部分為研究對象，建立圖2所示有限元模型。地層邊界分別施加最大、最小水平地應力載荷，同時在其相對邊界處施加水平位移和垂直位移約束。根據圣維南原理，應力分布只在離載荷作用處很近的地方才發生顯著變化，在離載荷較遠處只有極小的影響。所以取地層寬度為井眼半徑的10倍，以消除邊界效應。數值計算結果表明，這種做法是合理的。模型中選用適應能力強的三角形單元，網格劃分采用手工分網與自動分網相結合的方式，依據內密外疏的原則進行。套管外徑取為177.8mm，內徑為157.1mm，套管彈性模量210 GPa，泊松比0.26，地層彈性模量E1=30 GPa，E2=20 GPa，G12=7.5 GPa。
2 計算結果分析
在均勻水平地應力條件下，如果地層為橫觀各向同性，那么套管所受的應力也是均勻分布的。而當地層為各向異性性質時，套管內壁處的應力則由均勻轉化為非均勻分布，且應力極值增大。本算例中的套管最大應力增大約16%。說明地層的各向異性性質對套管受力狀態有著比較明顯的影響。同時，這一結論也有助于解釋一個長期困擾套管設計的問題，即在某些軟巖地層，套管設計的最大外擠載荷為上覆巖層壓力，但套管仍然被擠毀。從理論上講，套管的最大外擠載荷不應該超過上覆巖層壓力，但正是由于某些深層巖石的特殊性質，導致了均勻的地層應力載荷傳遞到套管時轉化成了非均勻載荷，因而導致了套管的破壞。
在非均勻地應力條件下，無論地層為各向同性或各向異性，套管內壁處的應力均呈現非均勻分布規律。其原因可能有兩點:
(1)套管的剛度遠遠大于地層，因此，套管承受了絕大部分的地應力載荷，而近井地層所占的比重較小，套管的最大應力對地層性質的變化不太敏感;
(2)由于水平地應力的非均勻性比較顯著，因此，在一定程度上掩蓋了地層性質變化帶來的影響，導致套管應力的變化并沒有均勻地應力狀態下顯著。
綜合以上分析可知，當水平兩向地應力均勻或差別不大時，地層力學性質各向異性對套管的受力有著比較明顯的影響，在設計套管外擠載荷時，應該給予充分考慮。而當水平兩向地應力差別較大時，地層力學性質各向異性對套管應力的影響就比較小了，多數情況下可以忽略。但對于某些特殊的地質條件，若各向異性顯著，應作進一步深入研究。
3 結語
(1)建立了適合于力學性質各向異性地層套管應力計算的力學及有限元模型。
(2)在均勻水平地應力條件下，地層力學性質各向異性對套管的受力有著比較明顯的影響，使套管應力由均勻分布轉化為非均勻分布，且應力極值增大。因此，在進行套管外擠載荷設計時，應該充分考慮地層巖石的各向異性，同時這也有助于解釋套管所受外擠載荷超過上覆巖層壓力問題。
(3)水平兩向地應力差別較大時，地層力學性質各向異性對套管受力影響不大，在套管設計中可忽略。
參考文獻
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