高傾斜韻律鹽層套管受載載荷分析

高傾斜韻律鹽層套管受載載荷分析

深層鹽膏體開挖是當前石油工程中的一個重要技術(shù)難題之一。由于鹽膏層的滑動和變形，導致許多管道擠壓事故。截至2005年底,我國套管損壞井達50000多口,其中鹽膏層蠕變導致套管損壞的占85%以上。如中原油田從1976年以來,套管損壞井1300多口,與鹽膏層有關(guān)的套管損壞井占60%以上;江漢油田王廣地區(qū)統(tǒng)計的300口井中,因高傾角鹽膏層導致套管損壞的井占90%以上。目前對鹽膏層套管外載計算大多采用上覆巖層應力,同時考慮套管本身的拉應力對套管抗擠強度的影響。但是,大量的事故表明,采用上覆巖層應力來設計鹽層套管仍然是不安全的,鹽層套管損壞的主要原因是鹽層對套管的非均勻擠壓應力。為此,筆者結(jié)合中原油田第三系鹽膏層的地質(zhì)條件,建立了高傾斜韻律鹽層的三維分析計算模型,并根據(jù)套管外水泥的不同膠結(jié)條件,深入探討了鹽層套管承受非均勻載荷的來源、大小及其對套管內(nèi)部應力集中的影響,指出鹽層套管需要依據(jù)非均勻載荷來校核套管強度,從而對復雜條件下鹽層套管非均勻載荷分析和套管設計問題進行深入探討。1變壓力預測及套管外載出現(xiàn)鹽膏層擠毀套管問題的技術(shù)原因是,鹽層蠕變壓力預測、套管外載計算和設計方法沒有科學依據(jù)。其中,準確地分析鹽膏層蠕變變形和蠕變壓力變化規(guī)律、研究套管外載是套管安全設計的關(guān)鍵。1.1穩(wěn)態(tài)重塑兩種方式蠕變試驗研究和理論分析結(jié)果表明,鹽巖蠕變分瞬態(tài)蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變?nèi)齻€階段。在石油工程中,鹽膏層主要表現(xiàn)為瞬態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變,在鉆井和下套管固井后主要受穩(wěn)態(tài)蠕變的影響,依據(jù)蠕變試驗曲線可以確定穩(wěn)態(tài)蠕變速率。1.2模型模擬素質(zhì)分析FLAC3D是美國Itasca咨詢公司根據(jù)Cundall等人提出的顯式有限差分法而編制的有限差分軟件,具有很強的分析功能(尤其對大變形分析)。主要特點為:1)通過對三維介質(zhì)的離散,使所有外力與內(nèi)力集中于三維網(wǎng)絡節(jié)點上,進而將連續(xù)介質(zhì)運動定律轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點上的牛頓定律;2)時間與空間的導數(shù)采用沿有限空間與時間間隔線性變化的有限差分來近似;3)將靜力問題當作動力問題來求解,運動方程中慣性項用來作為達到所求靜力平衡的一種手段。該軟件提供了5種模型用于模擬材料的蠕變特性,筆者用冪指數(shù)模型模擬穩(wěn)態(tài)階段的蠕變速率。˙εcr=Aˉσn(1)ˉσ=(32)1/2(σdijσdij)1/2(2)ε˙cr=Aσˉn(1)σˉ=(32)1/2(σdijσdij)1/2(2)式中,˙εcrε˙cr為穩(wěn)態(tài)蠕變速率;A和n為材料常數(shù);ˉσσˉ為應力強度;σdijdij為應力偏量。應力偏量增量和應變增量的關(guān)系為:Δσdij=2G(˙εdij-˙εcij)Δt(3)式中,G為剪切模量;˙εdij為應變增量的偏量部分;˙εcij為蠕變應變增量部分,其計算式為:˙εcij=32˙εcr(σdijˉσ)(4)2高傾斜節(jié)奏鹽層管理系統(tǒng)的不均勻負荷2.1井眼區(qū)間設計結(jié)合我國中原油田第三系高傾斜韻律鹽層的實際組合狀況,建立了鹽層套管受力分析的幾何模型,見圖1。井眼在高傾斜韻律鹽層中,縱向上鹽層夾在上部泥巖和下部砂巖中間,鹽層厚15m,地層傾角為30°;平面上地層延伸充分大,取100m;鉆頭直徑216mm,考慮鹽層縮徑,井眼直徑取200mm,套管外徑取140mm,水泥環(huán)厚30mm,套管壁厚取10mm。為了研究鹽層水泥漿受到污染、井眼不規(guī)則、井眼狗腿度過大等工程因素導致的環(huán)空水泥環(huán)分布不均勻和膠結(jié)不良問題,模型把套管外環(huán)空分為4個區(qū)間,根據(jù)不同的工程條件來設置4個區(qū)間的材料。對井眼規(guī)則、固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)情況,4個區(qū)間為均勻的水泥環(huán);當井眼不規(guī)則時,水泥膠結(jié)不良,或者井眼狗腿度過大,導致水泥環(huán)不均勻,就調(diào)整一個或者兩個區(qū)間的材料為鹽巖。套管和環(huán)空、鹽巖建模的平面視圖見圖2。2.3研究的材料和材料常數(shù)對中原油田第三系砂巖巖心做了凱塞爾效應試驗,確定了原始地應力梯度結(jié)果(見表1),測得的砂巖地層的彈性和強度參數(shù)見表2。中原油田第三系鹽層的穩(wěn)態(tài)蠕變參數(shù)試驗結(jié)果為:A=3.9×10-7MPa-4.9·a-1,n=4.9。1)應力邊界條件。地應力依據(jù)試驗的結(jié)果,按照井深3600m的韻律鹽層情況來施加,砂巖地層中的原始地應力:σzz=74MPa,σyy=48MPa,σxx=57MPa;鹽巖中的原始地應力為σxx=σyy=σzz=74MPa。2)模型和材料常數(shù)。研究中,砂巖地層按照彈性模型來分析,彈性參數(shù)依據(jù)試驗結(jié)果(見表2)確定,鹽巖地層按照蠕變模型來分析,蠕變參數(shù)依據(jù)試驗結(jié)果確定,鹽巖的彈性模量為961MPa,泊松比為0.29。套管按照彈性模型來分析,套管的彈性模量取210GPa,泊松比取0.25,目的是研究套管內(nèi)應力的分布和大小,不考慮套管的屈服破壞。水泥環(huán)按照彈性模型來分析,不考慮其破壞強度,彈性模量取2500MPa,泊松比取0.3。2.4水泥環(huán)對套管應力的影響1)在套管外水泥環(huán)均勻、膠結(jié)狀況良好的情況下,鹽層對套管的蠕動應力如圖3所示。2)套管外水泥膠結(jié)不良時,鹽巖對套管產(chǎn)生非均勻的蠕動擠壓應力,在平面視圖的坐標系中,方位角45°、215°方向上蠕動應力較大,而方位角135°、315°方向上蠕動應力較小,如圖4所示。非均勻載荷是由于水泥環(huán)對套管的不均勻支護引起的。3)高傾斜韻律鹽層中,在鹽層和砂巖交界的部位套管受到更強的非均勻擠壓應力,如圖5所示。鹽層和砂巖夾層交界的部位在平面視圖坐標系中,方位角45°、215°方向上是傾斜鹽層產(chǎn)生的蠕動應力,而方位角135°、315°方向是砂巖地層由于套管變形而施加的反作用載荷,和砂巖中的水平最小主應力相當。4)套管內(nèi)的最大切向應力集中情況。鹽層套管在鹽巖蠕動應力的擠壓下,套管內(nèi)最大主應力為切向應力,中間主應力是軸向應力,切向應力隨時間的變化如圖6所示。5)在均勻載荷下套管內(nèi)切向應力也是均勻的,且應力集中最小,如圖7所示。而水泥環(huán)膠結(jié)不良時,套管內(nèi)的切向應力集中提高了近2倍,應力集中出的部位是xy平面內(nèi)和x軸夾135°、315°方位的區(qū)域上,如圖8所示。高傾斜韻律鹽層中,套管內(nèi)切向應力集中提高了近4倍,應力集中部位出現(xiàn)在平面視圖的xy平面上與x軸夾角135°、315°方位上,即三維模型中和砂巖接觸的部位,如圖9所示。2.5高斜傾韻律鹽層和砂巖地層間的巷道流場特征1)鹽層中的原始地應力是均勻的,大小與地層的上覆巖層應力相當。井眼鉆開后,井眼周圍出現(xiàn)應力集中,在差應力的作用下,鹽層發(fā)生蠕變,蠕動應力逐漸趨向于上覆巖層應力。2)在套管外水泥環(huán)膠結(jié)優(yōu)質(zhì)、分布均勻情況下,水泥環(huán)對套管產(chǎn)生均勻的支護作用,減小了鹽層的蠕動應力,擠壓載荷也是均勻的,套管內(nèi)切向應力均勻分布,應力集中程度較低。3)水泥漿受到污染、井眼不規(guī)則、井眼狗腿度過大等會導致環(huán)空水泥環(huán)分布不均勻、膠結(jié)不良,鹽層對套管產(chǎn)生了非均勻外擠載荷,套管內(nèi)的切向應力分布也是非均勻的,切向應力集中比均勻載荷時高。4)在高斜傾韻律鹽層中,在鹽層和砂巖夾層交界的部位套管會受到更大的非均勻擠壓載荷,套管內(nèi)切向應力的集中程度更高。5)在韻律鹽層中,砂巖地層沒有蠕變特性,地應力通常為三個不等的主應力,即上覆巖層應力和兩個水平主應力。而鹽巖因為蠕變特性,三個主應力相同且等于上覆巖層應力。在高傾斜的鹽巖和砂巖地層的交界部位,套管受到了鹽層的蠕動應力和砂巖的原始地應力的作用,承受更大程度的非均勻載荷。這是高傾斜韻律鹽層由于特殊的地質(zhì)特點而引起對套管的非均勻載荷。3鹽層管道的設計和強度測試3.1tp130t非均勻載荷下的抗擠系數(shù)結(jié)合中原油田鹽層地質(zhì)條件來具體說明高傾斜韻律鹽層中套管的安全設計和抗擠安全系數(shù)的計算方法。中原油田鹽層套管的外擠載荷,按照高傾斜韻律鹽層條件下非均勻載荷的分析來確定,鹽層深度取3600m,非均勻載荷取完井5a后鹽層的蠕動應力,按照套管內(nèi)100%的掏空條件,生產(chǎn)套管設計為TP130高抗擠套管。在鹽層非均勻載荷下TP130套管內(nèi)三個主應力的變化如圖10所示。由于增加了套管的壁厚、減小了徑厚比,套管內(nèi)的最大切向應力集中降低到874MPa,套管內(nèi)的最大軸向應力也降低到460MPa左右。均勻載荷下套管的抗擠安全系數(shù)計算方法不再適用于鹽層套管,非均勻載荷下套管的抗擠安全系數(shù)可以按照vonMises屈服準則來計算。鹽層套管在非均勻蠕動應力下,5a后套管內(nèi)三個主應力趨于穩(wěn)定,套管內(nèi)壁三個主應力的大小為:σr=0MPa,σz=460MPa,σθ=874MPa,TP130TT套管管體的屈服強度是σs=896MPa,vonMises屈服準則為:σs=1√2√(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2(5)抗擠安全系數(shù)ξ計算式為:ξ=σs/σi(6)σi=1√2√(σθ-σz)2+(σz-σr)2+(σr-σθ)2(7)式中,σi為應力強度。計算得到中原油田鹽層的TP130套管的抗擠安全系數(shù)為1.18。3.2油層套管抗擠試驗中原油田?139.7mm油層套管設計經(jīng)歷了三個階段,第一個階段是油田開發(fā)的初期,按照地層流體壓力來計算外載,沒有考慮鹽層的蠕動應力,設計的油層套管通常為J55×7.72、K55×7.72,抗擠強度33.8MPa,大小和地層的靜水壓力相當;第二個階段考慮了鹽層的蠕動應力特點,取上覆巖層應力為套管外載,設計了P110×9.17的油層套管,抗擠強度76.5MPa,大小和地層的上覆巖層應力相當;前兩個階段設計的套管出現(xiàn)了大量的擠毀事故。第三個階段是自2003年底起,在35個區(qū)塊的643口井全面推廣使用了高抗擠的TP130TT套管,抗擠強度167MPa,目前尚未發(fā)現(xiàn)套管損壞現(xiàn)象。中原油田的鹽層套管設計實踐印證了該研究的數(shù)值模擬結(jié)果,說明在復雜的工程和地質(zhì)條件下鹽層對套管的外擠載荷是非均勻的,按照上覆應力作為外擠載荷來設計套管的方法遠遠不能滿足套管的安全要求,需要依據(jù)非均勻載荷的大小和非均勻程度來設計鹽層套管才是合理和安全的。4非均勻外擠載荷的研究1)巨厚鹽層條件下復雜的鉆完井工程因素會引起對套管的非均勻載荷,這些因素包括井眼不規(guī)則、井眼狗腿度過大和套管外環(huán)空水泥漿污染等。工程因素最終可以歸結(jié)為水泥環(huán)對套管的不均勻支護作用,導致鹽層對套管產(chǎn)生了不均勻的蠕動擠壓應力。2)高傾斜