李自平

（中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠，黑龍江 大慶 163001）

1 概述

大慶油田嫩二底標(biāo)志層面積廣闊，層位非常穩(wěn)定，厚度約為10 m，層內(nèi)發(fā)育大量化石層，存在水平弱結(jié)構(gòu)面，具有硬巖性薄弱面的特征[1-6]。近幾年來(lái)，多個(gè)區(qū)域在嫩二底標(biāo)志層出現(xiàn)了大面積的集中套損。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2008年以來(lái)，標(biāo)志層套損井約占總套損井?dāng)?shù)的40%～50%[7]。多種測(cè)試方法證實(shí)，標(biāo)志層套損以剪切錯(cuò)斷和剪切變形為主，由層間滑移所致[8-13]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，部分井在嫩二段標(biāo)志層以下放置水泥面控制器，使標(biāo)志層不封固[14-15]，如圖1所示。此完井方式下，嫩二底標(biāo)志層位置的套管與地層之間無(wú)水泥環(huán)。關(guān)于嫩二底標(biāo)志層是否應(yīng)該封固的問(wèn)題，各采油廠的觀點(diǎn)和做法有所不同，目前尚未統(tǒng)一[16-18]。以往在套管剪切失效的研究中，一般假設(shè)套管和水泥環(huán)或地層直接接觸[19-26]，對(duì)于未封固層位剪切套損的研究相對(duì)較少。為此，本文針對(duì)標(biāo)志層封固和不封固2種方式分別建立了相應(yīng)的有限元模型，研究層間滑移過(guò)程中套管和地層的受力和彈塑性變形特征，從力學(xué)角度分析更有利于預(yù)防和修復(fù)標(biāo)志層套損的完井方式。

圖1 標(biāo)志層不封固示意

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型和邊界條件

有限元計(jì)算采用Comsol Multiphysics軟件的固體力學(xué)模塊。根據(jù)幾何和作用力的對(duì)稱性，取模型的1/2。地層模型橫向長(zhǎng)度為1 m，假設(shè)嫩二底標(biāo)志層含剪切弱面且已經(jīng)破壞，地層分為上下兩層，每層厚度0.5 m，井眼半徑0.1 m，套管外徑139.7 mm。標(biāo)志層封固模型采用組合體模型，地層、水泥環(huán)和套管之間連續(xù)；不封固模型采用裝備體模型，地層與套管間無(wú)任何物質(zhì)，模型初始位置為地層開(kāi)始剪切套管的位置，相應(yīng)的接觸面設(shè)置面接觸。剪切套損過(guò)程中，套管變形程度較大。為了保證計(jì)算精度，對(duì)套管網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化[27]。套管剪切面附近存在應(yīng)力集中，對(duì)套管剪切面附近的套管、水泥環(huán)和地層進(jìn)行局部細(xì)化，得出標(biāo)志層套管封固與不封固2種模型的網(wǎng)格剖分結(jié)果，如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格剖分

對(duì)于模型上部地層中法線方向平行于x軸的兩個(gè)側(cè)面，指定其x方向位移為地層滑移量，其他方向地層側(cè)面指定其對(duì)應(yīng)法線方向位移為0。

2.2 材料力學(xué)參數(shù)

在油田實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，套管若出現(xiàn)較小的塑性變形，并不代表套管已經(jīng)失效，只要套管能保持其完整性且變形程度不影響作業(yè)和施工，即認(rèn)為套管尚未失效?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)的剪切套損，套管已嚴(yán)重塑性變形，因此有限元計(jì)算模型應(yīng)考慮套管屈服后的力學(xué)特性。套管應(yīng)力超過(guò)其屈服強(qiáng)度后，進(jìn)入塑性變形階段。依據(jù)線性強(qiáng)化彈塑性模型，對(duì)于合金鋼等強(qiáng)化材料，可用2段折線近似實(shí)際的拉伸曲線，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為

式中：σ為套管所受應(yīng)力，MPa；σs為套管屈服強(qiáng)度，MPa；E為線彈性階段彈性模量，MPa；El為強(qiáng)化階段彈性模量，MPa；ε為套管應(yīng)變；εs為套管屈服時(shí)的應(yīng)變。

模型中，材料強(qiáng)化階段彈性模量取線彈性階段彈性模量的0.01倍，模型采用壁厚7.72 mm的P110套管，彈性模量208 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度758 MPa。水泥環(huán)和滑移面附近井眼圍巖在剪切套管中也會(huì)發(fā)生部分破壞，依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則判斷水泥環(huán)和巖石的破壞程度。水泥環(huán)和嫩二底標(biāo)志層巖石參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 水泥環(huán)、地層巖石力學(xué)參數(shù)

3 仿真模擬結(jié)果

封固與不封固模型的差別，僅在于套管和井壁巖石之間的水泥環(huán)。有限元計(jì)算結(jié)果表明，水泥環(huán)在剪切套損過(guò)程中，對(duì)套管和地層應(yīng)力分布及變形有很大影響。設(shè)定地層滑移量為0～60 mm。通過(guò)有限元計(jì)算，可以得出2種模型下地層剪切套管過(guò)程中套管、水泥環(huán)和地層的受力與變形情況。

3.1 應(yīng)力分布

Mises應(yīng)力是衡量材料綜合應(yīng)力狀態(tài)的參數(shù)，地層滑移量為60 mm時(shí)套管的Mises應(yīng)力如圖3所示。

由圖3可知：模型中應(yīng)力都集中于套管剪切面附近，套管上的應(yīng)力明顯大于井壁圍巖應(yīng)力。封固的套管Mises應(yīng)力較不封固更為集中，且應(yīng)力隨距剪切面距離增加而下降的幅度更大。有水泥環(huán)套管在距離錯(cuò)斷口20 cm位置，最大Mises應(yīng)力下降至96.14 MPa；無(wú)水泥環(huán)套管在距離錯(cuò)斷口20 cm位置，最大Mises應(yīng)力下降至711.01 MPa。

套管剪切變形時(shí)，套管和水泥環(huán)對(duì)地層產(chǎn)生反作用力抵抗地層滑移。標(biāo)志層封固與不封固情況下套管剪切過(guò)程中的反作用力如圖4所示。

圖3 標(biāo)志層和套管Mises應(yīng)力

圖4 標(biāo)志層套管剪切過(guò)程中的反作用力

在剪切套損過(guò)程中，地層所受反作用力與地層滑移量大致呈折線段，套管和水泥環(huán)在地層出現(xiàn)較小滑移后即進(jìn)入屈服階段，地層所受反作用力隨滑移量的增長(zhǎng)速度大幅降低。由于水泥環(huán)的作用，封固套管和水泥環(huán)在地層滑移產(chǎn)生的反作用力，明顯高于不封固條件下僅套管產(chǎn)生的反作用力。

然而，套管和水泥環(huán)產(chǎn)生的反作用力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層滑移動(dòng)力。地層發(fā)生滑移，至少需要克服錯(cuò)斷面間的摩擦阻力。假設(shè)嫩二底標(biāo)志層深度700 m，上覆地層巖石密度2 200 kg/m3，單井平均面積（單位面積井?dāng)?shù)的倒數(shù)）1 600 m2/口，層間摩擦因數(shù)取0.1，得出單井面積地層滑動(dòng)的摩擦阻力為2.41×106kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于套管和水泥環(huán)的反作用力。

地層發(fā)生剪切錯(cuò)斷后，地層不會(huì)無(wú)休止滑動(dòng)。隨著地層的滑移，層間滑移的動(dòng)力逐漸釋放，直至不足以使層間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。標(biāo)志層不封固模型的套管和地層之間存在間隙，地層滑移量等于套管和地層兩側(cè)間隙時(shí)才開(kāi)始剪切套管，而相同滑移量條件下標(biāo)志層封固模型的套管已經(jīng)嚴(yán)重變形，因此標(biāo)志層不封固模型的套管反而更有利于預(yù)防套損。

3.2 套管和地層變形程度

套管局部變形程度越大，對(duì)生產(chǎn)和作業(yè)的影響越大，套管也越難以修復(fù)[28-30]。地層滑移量為60 mm時(shí)2種模型的塑性變形區(qū)域如圖5、圖6所示。

圖5 標(biāo)志層封固模型下塑性變形區(qū)域

圖6 標(biāo)志層不封固模型下塑性變形區(qū)域

有限元計(jì)算結(jié)果表明，2種模型下地層巖石破壞區(qū)域都相對(duì)較小，地層僅在剪切錯(cuò)斷口附近出現(xiàn)小范圍的破壞。套管塑性變形范圍較大，封固模型的套管塑性變形集中于距剪切錯(cuò)斷口約5 cm以內(nèi)范圍，但變形程度較大；不封固模型的套管塑性變形集中于距剪切錯(cuò)斷口約30 cm處。

圖7為地層滑移量為60 mm時(shí)，2種模型下距錯(cuò)斷面不同位置處套管側(cè)面內(nèi)壁的水平位移量。

圖7 距錯(cuò)斷面不同位置處套管側(cè)面內(nèi)壁水平位移量

由圖7可知：封固模型中，套管形態(tài)變化速度較快，變形更為集中，60 mm地層滑移量產(chǎn)生的套管位移量都集中于距錯(cuò)斷面0.1 m以內(nèi)，距錯(cuò)斷面0.1 m處套管位移為59.9 mm，套管主要變形范圍約0.2 m；不封固模型中，錯(cuò)斷面貼地層一側(cè)套管內(nèi)壁幾乎不變形，不貼地層一側(cè)套管逐漸變形，距錯(cuò)斷面0.2 m處套管位移為44.2 mm，套管變形較為分散，距離增加到0.4 m時(shí)才趨于不變，套管主要變形范圍約0.8 m。因此，有水泥環(huán)套管在剪切錯(cuò)斷過(guò)程的變形程度較無(wú)水泥環(huán)套管更大，套損修復(fù)更為困難。非油層部位的嫩二底標(biāo)志層常發(fā)生剪切套損，標(biāo)志層不封固更有利于剪切套損的預(yù)防和修復(fù)。

4 結(jié)論

1）標(biāo)志層封固與不封固對(duì)套管剪切失效過(guò)程中套管受力和變形的影響較大，有水泥環(huán)套管的受力和變形更為集中，套損后修復(fù)更為困難。

2）標(biāo)志層封固模型的套管和水泥環(huán)在地層滑移過(guò)程中能產(chǎn)生更多的反作用力，但對(duì)抵抗地層滑移起到的阻力相對(duì)很小。無(wú)水泥環(huán)套管和地層存在間隙，為地層滑移留出緩沖空間。從力學(xué)角度上看，嫩二段標(biāo)志層不封固更有利于標(biāo)志層剪切套損的預(yù)防和修復(fù)。

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