洞察大庆油田套管剪切失效的有限元分析

戊齐食品

大庆油田底标志层面积广阔，层位非常稳定，厚度约为10，层内发育大量化石层，存在水平弱结构面，具有硬岩性薄弱面的特征。近几年来，多个区域在底标志层出现了大面积的集中套损。据不完全统计，2022年以来，标志层套损井约占总套损井数的40%~50%。多种测试方法证，标志层套损以剪切错断和剪切变形为主，由层间滑移所致。有限元分析的相关资讯可以到我们网站了解一下，从专业角度出发为您解答相关问题，给您优质的服务！http://www.nataid.com/

在际生产中，部分井在标志层以下放置水泥面控制器，使标志层不封固，如图所示。此完井方式下，底标志层位置的套管与地层之间水泥环。关于底标志层是否应该封固的问题，各采油厂的观点和做法有所不同，目前尚未统一。以往在套管剪切失效的研究中，一般假设套管和水泥环或地层直接接触，对于未封固层位剪切套损的研究相对较少。为此，本文针对标志层封固和不封固2种方式分别建立了相应的有限元分析模型，研究层间滑移过程中套管和地层的受力和弹塑性变形特征，从力学角度分析更有利于预防和修复标志层套损的方式。

有限元计算采用CM软件的固体力学模块。根据几何和作用力的对称性，取模型的12。地层模型横向长度为1，假设底标志层含剪切弱面且已经破坏，地层分为上下两层，每层厚度05，井眼半径01，套管外径1397。标志层封固模型采用组合体模型，地层、水泥环和套管之间连续；不封固模型采用装备体模型，地层与套管间任何物质，模型初始位置为地层开始剪切套管的位置，相应的接触面设置面接触。剪切套损过程中，套管变形程度较大。为了保证计算精度，对套管格进行细化。套管剪切面附近存在应力集中，对套管剪切面附近的套管、水泥环和地层进行局部细化，得出标志层套管封固与不封固2种模型的格剖分结果，如图所示。

对于模型上部地层中法线方向平行于轴的两个侧面，指定其方向位移为地层滑移量，其他方向地层侧面指定其对应法线方向位移为0。

在油田际生产过程中，套管若出现较小的塑性变形，并不代表套管已经失效，只要套管能保持其完整性且变形程度不影响作业和施工，即认为套管尚未失效。现场际发现的剪切套损，套管已严重塑性变形，因此有限元计算模型应考虑套管屈服后的力学特性。套管应力超过其屈服强度后，进入塑性变形阶段。依据线性强化弹塑性模型，对于合金钢等强化材料，可用2段折线近似际的拉伸曲线，应力￣应变关系为=E（）+E（-）（＞）式中：为套管所受应力，MP；为套管屈服强度，MP；E为线弹性阶段弹性模量，MP；E为强化阶段弹性模量，MP；为套管应变；为套管屈服时的应变。

模型中，材料强化阶段弹性模量取线弹性阶段弹性模量的001倍，模型采用壁厚772的P110套管，弹性模量208GP，泊松比03，屈服强度758MP。水泥环和滑移面附近井眼围岩在剪切套管中也会发生部分破坏，依据摩尔-库伦准则判断水泥环和岩石的破坏程度。水泥环和底标志层岩石参数设定如表所示。

封固与不封固模型的差别，仅在于套管和井壁岩石之间的水泥环。有限元计算结果表明，水泥环在剪切套损过程中，对套管和地层应力分布及变形有很大影响。设定地层滑移量为0~60。通过有限元计算，可以得出2种模型下地层剪切套管过程中套管、水泥环和地层的受力与变形情况。