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(dāng)前石油工程中的一個(gè)重要技術(shù)難題之一。由于鹽膏層的滑動(dòng)和變形，導(dǎo)致許多管道擠壓事故。截至2005年底,我國(guó)套管損壞井達(dá)50000多口,其中鹽膏層蠕變導(dǎo)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(jì)的300口井中,因高傾角鹽膏層導(dǎo)致套管損壞的井占90%以上。目前對(duì)鹽膏層套管外載計(jì)算大多采用上覆巖層應(yīng)力,同時(shí)考慮套管本身的拉應(yīng)力對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響。但是,大量的事故表明,采用上覆巖層應(yīng)力來設(shè)計(jì)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(duì)套管的非均勻擠壓應(yīng)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(jì)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(duì)套管內(nèi)部應(yīng)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(qiáng)度,從而對(duì)復(fù)雜條件下鹽層套管非均勻載荷分析和套管設(shè)計(jì)問題進(jìn)行深入探討。1變壓力預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)、套管外載計(jì)算和設(shè)計(jì)方法沒有科學(xué)依據(jù)。其中,準(zhǔn)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1.1穩(wěn)態(tài)重塑兩種方式蠕變?cè)囼?yàn)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€(gè)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?cè)囼?yàn)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(guó)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(qiáng)的分析功能(尤其對(duì)大變形分析)。主要特點(diǎn)為:1)通過對(duì)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(luò)節(jié)點(diǎn)上,進(jìn)而將連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)定律轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點(diǎn)上的牛頓定律;2)時(shí)間與空間的導(dǎo)數(shù)采用沿有限空間與時(shí)間間隔線性變化的有限差分來近似;3)將靜力問題當(dāng)作動(dòng)力問題來求解,運(yùn)動(dòng)方程中慣性項(xiàng)用來作為達(dá)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(yīng)力強(qiáng)度;σdijdij為應(yīng)力偏量。應(yīng)力偏量增量和應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系為:Δσdij=2G(˙εdij-˙εcij)Δt(3)式中,G為剪切模量;˙εdij為應(yīng)變?cè)隽康钠坎糠?˙εcij為蠕變應(yīng)變?cè)隽坎糠?其計(jì)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(fù)荷2.1井眼區(qū)間設(shè)計(jì)結(jié)合我國(guó)中原油田第三系高傾斜韻律鹽層的實(shí)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(dǎo)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(gè)區(qū)間,根據(jù)不同的工程條件來設(shè)置4個(gè)區(qū)間的材料。對(duì)井眼規(guī)則、固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)情況,4個(gè)區(qū)間為均勻的水泥環(huán);當(dāng)井眼不規(guī)則時(shí),水泥膠結(jié)不良,或者井眼狗腿度過大,導(dǎo)致水泥環(huán)不均勻,就調(diào)整一個(gè)或者兩個(gè)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(duì)中原油田第三系砂巖巖心做了凱塞爾效應(yīng)試驗(yàn),確定了原始地應(yīng)力梯度結(jié)果(見表1),測(cè)得的砂巖地層的彈性和強(qiáng)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(yàn)結(jié)果為:A=3.9×10-7MPa-4.9·a-1,n=4.9。1)應(yīng)力邊界條件。地應(yīng)力依據(jù)試驗(yàn)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(yīng)力:σzz=74MPa,σyy=48MPa,σxx=57MPa;鹽巖中的原始地應(yīng)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(yàn)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(yàn)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(yīng)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(qiáng)度,彈性模量取2500MPa,泊松比取0.3。2.4水泥環(huán)對(duì)套管應(yīng)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(duì)套管的蠕動(dòng)應(yīng)力如圖3所示。2)套管外水泥膠結(jié)不良時(shí),鹽巖對(duì)套管產(chǎn)生非均勻的蠕動(dòng)擠壓應(yīng)力,在平面視圖的坐標(biāo)系中,方位角45°、215°方向上蠕動(dòng)應(yīng)力較大,而方位角135°、315°方向上蠕動(dòng)應(yīng)力較小,如圖4所示。非均勻載荷是由于水泥環(huán)對(duì)套管的不均勻支護(hù)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(qiáng)的非均勻擠壓應(yīng)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(biāo)系中,方位角45°、215°方向上是傾斜鹽層產(chǎn)生的蠕動(dòng)應(yīng)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(yīng)力相當(dāng)。4)套管內(nèi)的最大切向應(yīng)力集中情況。鹽層套管在鹽巖蠕動(dòng)應(yīng)力的擠壓下,套管內(nèi)最大主應(yīng)力為切向應(yīng)力,中間主應(yīng)力是軸向應(yīng)力,切向應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖6所示。5)在均勻載荷下套管內(nèi)切向應(yīng)力也是均勻的,且應(yīng)力集中最小,如圖7所示。而水泥環(huán)膠結(jié)不良時(shí),套管內(nèi)的切向應(yīng)力集中提高了近2倍,應(yīng)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(yīng)力集中提高了近4倍,應(yīng)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(chǎng)特征1)鹽層中的原始地應(yīng)力是均勻的,大小與地層的上覆巖層應(yīng)力相當(dāng)。井眼鉆開后,井眼周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中,在差應(yīng)力的作用下,鹽層發(fā)生蠕變,蠕動(dòng)應(yīng)力逐漸趨向于上覆巖層應(yīng)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(duì)套管產(chǎn)生均勻的支護(hù)作用,減小了鹽層的蠕動(dòng)應(yīng)力,擠壓載荷也是均勻的,套管內(nèi)切向應(yīng)力均勻分布,應(yīng)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(huì)導(dǎo)致環(huán)空水泥環(huán)分布不均勻、膠結(jié)不良,鹽層對(duì)套管產(chǎn)生了非均勻外擠載荷,套管內(nèi)的切向應(yīng)力分布也是非均勻的,切向應(yīng)力集中比均勻載荷時(shí)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(huì)受到更大的非均勻擠壓載荷,套管內(nèi)切向應(yīng)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(yīng)力通常為三個(gè)不等的主應(yīng)力,即上覆巖層應(yīng)力和兩個(gè)水平主應(yīng)力。而鹽巖因?yàn)槿渥兲匦?三個(gè)主應(yīng)力相同且等于上覆巖層應(yīng)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(dòng)應(yīng)力和砂巖的原始地應(yīng)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(diǎn)而引起對(duì)套管的非均勻載荷。3鹽層管道的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度測(cè)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(shè)計(jì)和抗擠安全系數(shù)的計(jì)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(dòng)應(yīng)力,按照套管內(nèi)100%的掏空條件,生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)為TP130高抗擠套管。在鹽層非均勻載荷下TP130套管內(nèi)三個(gè)主應(yīng)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(yīng)力集中降低到874MPa,套管內(nèi)的最大軸向應(yīng)力也降低到460MPa左右。均勻載荷下套管的抗擠安全系數(shù)計(jì)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(zhǔn)則來計(jì)算。鹽層套管在非均勻蠕動(dòng)應(yīng)力下,5a后套管內(nèi)三個(gè)主應(yīng)力趨于穩(wěn)定,套管內(nèi)壁三個(gè)主應(yīng)力的大小為:σr=0MPa,σz=460MPa,σθ=874MPa,TP130TT套管管體的屈服強(qiáng)度是σs=896MPa,vonMises屈服準(zhǔn)則為:σs=1√2√(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2(5)抗擠安全系數(shù)ξ計(jì)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(yīng)力強(qiáng)度。計(jì)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(yàn)中原油田?139.7mm油層套管設(shè)計(jì)經(jīng)歷了三個(gè)階段,第一個(gè)階段是油田開發(fā)的初期,按照地層流體壓力來計(jì)算外載,沒有考慮鹽層的蠕動(dòng)應(yīng)力,設(shè)計(jì)的油層套管通常為J55×7.72、K55×7.72,抗擠強(qiáng)度33.8MPa,大小和地層的靜水壓力相當(dāng);第二個(gè)階段考慮了鹽層的蠕動(dòng)應(yīng)力特點(diǎn),取上覆巖層應(yīng)力為套管外載,設(shè)計(jì)了P110×9.17的油層套管,抗擠強(qiáng)度76.5MPa,大小和地層的上覆巖層應(yīng)力相當(dāng);前兩個(gè)階段設(shè)計(jì)的套管出現(xiàn)了大量的擠毀事故。第三個(gè)階段是自2003年底起,在35個(gè)區(qū)塊的643口井全面推廣使用了高抗擠的TP130TT套管,抗擠強(qiáng)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(shè)計(jì)實(shí)踐印證了該研究的數(shù)值模擬結(jié)果,說明在復(fù)雜的工程和地質(zhì)條件下鹽層對(duì)套管的外擠載荷是非均勻的,按照上覆應(yīng)力作為外擠載荷來設(shè)計(jì)套管的方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)計(jì)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(fù)雜的鉆完井工程因素會(huì)引起對(duì)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(duì)套管的不均勻支護(hù)作用,導(dǎo)致鹽層對(duì)套管產(chǎn)生了不均勻的蠕動(dòng)擠壓應(yīng)力。2)高傾斜