《疏松砂岩层套管受力的有限元分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《疏松砂岩层套管受力的有限元分析（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、http:/ -1- 疏松砂岩层套管受力的有限元分析疏松砂岩层套管受力的有限元分析1 肖洲，练章华，陈勇，杨斌，刘昕 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都（610500） E-mail： 摘 要：摘 要：疏松砂岩层段油气井开采过程中，生产层段由于出砂将在套管外部附近形成空洞， 破坏了套管的受力环境， 套管外部失去支撑。 由于上覆地层压力的作用和地层扰动力的作用， 使套管在轴向压力作用下产生屈曲变形， 甚至错断。 为此本文用弹塑性有限元法建立了出砂 层段套管屈曲变形的空间有限元力学模型。根据此模型，分析了套管内的 Von-Mises 应力随 出砂范围变化的变化过程， 定量分析
2、了套管内的应力变化以及套管的侧向位移变化， 这些结 果为预防套管损坏和屈曲变形提供了理论依据。 关键词关键词：油井出砂，套管，变形，有限元 1. 引言引言 套管损坏情况近年来愈发严重。据统计，截止 2005 年底，全国套损井已达 23599 口，占全国总井数的 27.63%。套管平均寿命很短，江汉油田套管使用平均寿命仅 5 年，长庆油田为 9 年 7 个月， 中原油田平均为 6.92 年1。 套损每年给全国各油田造成了数十亿元的经济损失。 通常， 套损是深埋于岩层中油水井套管在岩层地应力和其他物理化学因素作用下的变形和损坏， 除像腐蚀等一类纯化学影响因素外， 其它套损问题几乎都与岩层地应力变化
3、有关2。油井出砂一直以来都是困扰各大油田的一个突出问题。油井出砂的因素很多，使得出砂问题变得非常复杂。这对油井出砂引起的套管变形、错断研究带来了一定的困难。笔者就油井出砂对套管的应力影响作了详细的研究，以期为预防和减小此种套管的损坏提供理论依据。 2. 理论分析理论分析 油层出砂后会造成地层疏松，形成空洞。导致地层支撑的损失，使原来地层承担的一部分重力转嫁给了套管。此时套管受到轴向压力。如果地层倾角足够大的话，地层还有滑移的趋势， 套管还受到横向剪切力作用。 如果将出砂后形成的疏松区域的散砂对套管的约束处理为弹性支撑，那么散砂的作用将简化为弹性基础。设 k 为岩层弹性基础系数，可分析出下面两种
4、情况： （1）当骨架失去支撑作用，砂层对套管的约束较松，套管两端约束可简化为铰链。此时可计算出临界压力为3： +=EJmkhmhEJPcr224 2 22（1） 其中：m-自然数，E-套管弹性模量，J-套管截面惯性矩，h-出砂形成空洞的高度，取值为： ()42221 kEJmmhm+（m=1，2，3） （2） （2）当油层仅在上部或只在下部出砂较严重时，油层套管一部分处于砂岩中，另一部1 本课题得到国家教育部科学技术研究重点项目（205135）的资助。 http:/ -2- 分周围是空洞。两端约束可简化为固定端约束。临界压力为3： +=EImkhmhEJPcr244 2 221634 （3）
5、以上分析可知，套管发生失稳破坏取决于两个因素：一个是套管轴向压力载荷 P，一个是出砂引起的空洞高度 h。 3. 有限元模型建立有限元模型建立 3.1 力学模型的建立力学模型的建立 因为本模型采用的高度非线性材料， 求解时会占用大量机时， 所以在保证一定精确度的前提下，有必要对单元模型网格优化精简。几何模型采用空心圆柱体，外半径为 100m，高200m，出砂层距上覆界面 100m。假设上覆层和下伏层为同类岩层，即图 1 中 A 和 B 为同类岩层，它们的岩石力学参数相同，图 1 中 C 为疏松砂岩层。 3.2 参数设置、载荷、边界条件及网格的划分参数设置、载荷、边界条件及网格的划分 参数设置：岩
6、层弹性模量为 1.3104MPa，泊松比为 0.18，内聚力为 20MPa，内摩擦角为 30。中间疏松砂岩层弹性模量为 2270MPa，泊松比为 0.21。套管采用 N80139.77.72mm。 载荷为上覆岩层自重。上覆岩层重量由公式（4）给出4： Hz=（4） 据青海油田某地层资料，取=2.7g/cm3，H 为上覆层厚度。上覆压力均匀加在圆柱体上底面。由弹性力学理论可知，离井眼中心远场的位移不受影响，因此圆柱面都为零位移边界条件，下底面也为零位移约束。 该模型采用六面体划分网格，套管径向尺寸较小，网格先从套管划分。因为主要关心的是井壁处的变形、位移和应力，所以套管划分相对较细，地层网格相对
7、较稀。中间所夹疏松砂岩层有强的蠕变性，变形很大，网格也划分得较细。这样可以提高运算速度和计算精度，网格模型如图 1。 4. 计算结果分析计算结果分析 油层出砂是多种因素造成的， 目前还不能完全确定各种因素。 出砂引起储层压实亏空， 将使套管受到不均匀的挤压、 剪切等多种复杂载荷， 当外部载荷大于套管自身的抗拉压载荷时， 套管就会发生变形或错断。 图 1 地层-套管网格模型载荷 http:/ -3- 4.1 套管内的套管内的 Von-Mises 应力情况应力情况 分析过程中设定地层倾角为 20，井深为 2000m，其它条件不变的情况下，通过改变出砂引起的空洞高度 h 来分析套管的受力和变形情况。
8、从计算结果可以看出套管的形变情况。图 2 为套管上的 Von-Mises 应力分布，图 2 中 A 区域为套管最大应力区，即套管在该区域发生塑性变形。该区域主要发生在空洞附近，也就是该处的套管最容易损坏失效。 为了能定量的分析随空洞高度的变化套管的 Von-Mises 应力情况，在计算结果中，将套管壁厚中部的 Von-Mises 应力沿套管轴向路径取出进行分析，如图 3 所示。在图 3 中可以看出，在上覆层压实的作用下，井下 1890m 附近，即空洞区套管内应力随空洞高度增大而增大，而在其它部位套管内应力随空洞高度增加而减小，但变化的幅度不大。就某一空洞高度而言，在井下 1850m 到 190
9、0m 之间 Von-Mises 应力剧烈变化，从 150MPa 左右突然增加到套管屈服极限 551MPa 以上（图 3 中虚线位置为 551MPa），套管变形或剪切错断将会在这些部位附近发生， 且应力比较大的区域都集中在空洞中上部附近。 这种应力的急剧变化和分布的强烈不均匀， 对套管强度的影响很大。 因此出砂对套管的应力分布和变化产生了很大的影响。这和油田实际情况一致。 图 2 套管内 Von-Mises 应力随出砂引起空洞的高度 h 变化结果 4.2 套管侧向位移情况套管侧向位移情况 从图 2 中可以看出，套管向两侧面呈“S”形变，在最大应力处，套管变形最大。将套管侧向位移沿套管轴向路经取出
10、进行分析，如图 4 所示。套管侧向位移约6mm 左右。 http:/ -4- 图 3 套管内 Von-Mises 应力情况 图 4 套管侧向位移随空洞高度变化情况 从井底向上看， 在井下1970m左右套管开始负侧向偏移， 偏移幅度逐渐增大， 在约1900m处套管偏移方向突然转向正侧向，且偏移幅度更大，在约 1880m 处套管又逐渐转向负侧向偏移。出砂引起得空洞越大，套管侧向位移越大，变形越严重。在井下 1890m，即空洞区域，套管变形最大，且向正向弯曲，在此段上部，套管向负向弯曲。在这些区域，套管最容易变形和剪切破坏。因此应该在这些部位采用特殊套管或增加套管钢级以减小套管的损坏。 5. 结论与
11、建议结论与建议 （1）本文建立的出砂层段套管屈曲变形的空间有限元模型，为套管屈曲变形分析提供了简便的方法。 （2）通过有限元模型，详细分析了套管在油层出砂后的 Von-Mises 应力情况和侧向位移情况。 油井出砂对套管的损坏有很大影响， 空洞区域附近套管变形、 损坏严重， 其Von-Mises应力变化很大，均超过了套管的屈服应力值 551MPa，套管内 Von-Mises 应力随空洞高度的增加而增大，但增加幅度不大。套管侧面呈“S”形变，掏空范围越大套管侧向位移越大，变形越严重。 套管的受力和形变不仅在出砂段受到影响， 在空洞附近一定范围内都会受到影响。 （3）为了减小套管损坏，建议采取如下
12、措施：1），研制先进的防砂工具，在出砂段下入工具防砂，或在孔眼中充填砾石，达到防砂的目的；2），合理控制生产压差，减少出砂或不出砂；3），在高应力区采用更高钢级的套管，增加套管壁厚或采用特殊套管来减小套管的变形、损坏。 http:/ -5- 参考文献参考文献 1 李平全.油气田生产开发期套管的损坏原因分析.石油管工程.2006,12（5）：110. 2 章根德，何鲜.油井套管变形损坏机理.石油工业出版社. 3 赵洪山，管志川.出砂井套管损坏机理及预防措施研究.石油天然气学报.2005，27（5）：823825. 4 王仲茂，卢万恒，胡江明.油田油水井套管损坏的机理及防治.石油工业出版社 5 代
13、丽，徐守余.油水井套损的地质综合因素.2005，16（3）：331334. 6 练章华，赵国珍，张先普 等.套管破坏的计算机仿真软件研究.天然气工业，1998，18（2）：3538. 7 付丽霞，朱伟，薛改珍.套管错断的原因、实例及解决的办法.国外油田工程.2002,18（19）：3542. The Finite Element Analysis of Casing Mechanical Proerty in Unconsolidated Sand Xiao Zhou, Lian Zhanghua, Chen Yong, Yang Bin, Liu Xin Southwest Petroleu
14、m University, Chengdu (610500) Abstract In the process of oil&gas well exploitation in unconsolidated sand, hole will be formed because of sanding near the casing exterior in pay formation, so the force condition of casing will be disturbed. The casing exterior loses sustainment. In the case of pres
15、sure of overlying formation and disturbing force of formation, the casing will be buckled, even sheared. Author simulated the finite element model of casing buckling in sanding formation by elastoplasticity finite element in this paper. According to the model, author analyzed the process of variation of Von-Mises stress with the variation of sanding degree, quantitatively analyzed the stress variation of casing exterior and the lateral displacement variation. We can conclude some theory for preventing casing failure and buckling. Keywords: well sand
