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石 油 地 质 与 工 程 2011年 9月 PETROLEUM GEOLOGYANDENGINEERING 第 25卷 第 5期 文章编号：1673—8217(2011)05—0109—03 非均匀地应力下套管挤压变形的有限元分析 秦 杜 ，楼一珊 ，翟晓鹏 ，刘云鹤。，陈 灿 (1．长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北荆州，434023；2．长江大学石油工程学院 3．长庆实业集 团有限公司；4．中国石化 中原油田分公司采油工程研究院) 摘要 ：以地层 一水泥环 一套管组合系统为研究对象，根据弹塑性力学理论 ，通过建立非线性有限元模型，对套管变 形与地应力作用大小及非均匀性之间的关系进行 了研究。分析 了不 同条件下，不 同规格套管的外栽与变形关系， 根据有限元计算结果，绘制 出不 同的最小水平主应力和最大水平主应力配比下的套管变形范围图，能够直观方便 地预测非均匀地应力作用下的套管缩径变形，从而为现场采取合理有效的套管损坏预防措施 以及后续的修井施工 方案提供可靠的依据 。 关键词 ：非均匀地应力；挤压变形 ；套管损坏 ；有限元分析 中图分类号 ：TE831 文献标识码 ：A 中原油田的油气层埋藏深，井深一般位于3000 下减少有限元计算时的节点数和单元总数，由于对 ～ 4000m，岩层厚度大多为 5O～200m，最厚 的岩 称性 ，取模型的 1／4进行分析 ，从而提高计算效 层达 300m 以上 ，由于地应力情况复杂 ，其套管损 率 引。地层水平方向为最大地应力 ，用 表示 ；垂 坏的程度高于其它油 田。据调查 ，中原油 田许多套 直方向为最小地应力 ，用 表示 ，模 型的对称边施 损井 的套损点发生在泥砂岩性层及其 附近地层 ，套 加对称约束 ，有限元模型如 图1。 管的频繁损坏 ，大大影响了油 田的正常生产 ，造成了 巨大的经济损失_l1I。]。因此 ，研究非均匀地应力下泥 砂岩性层段套管的挤压变形具有十分重要的意义。 1 地层一水泥环一套管组合系统力学 模型以及计算参数 按照套管实际变形情况 ，作如下基本假设 ：①套 管变形前是绝对圆形 (即没有椭 圆度)；②水泥环、 套管均视为均匀壁厚 圆筒 ，且与井眼 中心同心 ；③ 软地层 、水泥环 、套管均为各 向同性材料 ；④套管和 图 1 套管一水泥环一地层的有限元模型 水泥环胶结 良好 ，将该边界视为完全接触。 根据 以上假设建立力学模型，在套管变形井段 套管常用的钢级及其相应的物性参数 、水泥环 深处取地层 一水泥环 一套管的横截平面来进行套管 参数和地层参数均来源于油田现场提供的生产数据 破坏机理研究。对于下入井 内的套管 ，其外部注有 和试验数据，研究 中选取钢级 PllO外径 139．7mm 水泥与地层紧密结合 ，相互之间不能滑动 ，由：于二套管 壁厚 1O．54mm 的套管进行有限元仿真分析 。根据 及水泥环径 向尺寸远小于轴 向尺寸 ，根据岩石力学 现场经验 ，泥砂岩性地层套管变形较大 ，因此 ，在建 和弹塑性力学理论 ，软地层 、水泥环 、套管系统力学 立非均匀地应力下的套管变形 的力学模型时，选用 耦合问题可视为平面应变 问题来研究，当地层边界 泥砂岩性地层作为研究对象。具体的套管、水泥环、 超过井眼半径 的5～6倍以后对井周应力 的影响很 地层的力学参数见表 1。 小，所以地层宽度取4rn，为井 眼直径的20倍 ，以消 除边界效应 ]。地层 一水泥环 一套管组合系统的整 收稿 日期 ：2011—04—06 作者简介 ：秦杜，1986年生，在读硕士研究生，主要从事岩石力 个模型采用 Plane82单元 ，在保证求解精度 的前提 学和套管损