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套管损坏问题是制约油田高效开发的主要问题之一,给油田带来巨大的经济损失。本文通过对中原油田盐层特性和套管损坏的统计分析,认为盐层蠕变是造成套管损坏的主要原因之一。因此,开展盐层套管载荷分布规律研究及应用具有重要的意义。
通过大量的资料调研和对取出盐岩岩心分析,认为中原油田深部盐层具有蠕变的特点,当其转换为地层深处的动力时,会对套管产生强烈的破坏作用。在盐层内,套管损坏与盐层的倾角、埋深、厚度等有关。
通过理论推导得出了地应力作用下套管载荷的解析解,结果表明:在均匀地应力作用下套管仅受均匀径向压应力的作用,套管的变形很小,说明均匀载荷不易对套管造成损坏;在非均匀地应力作用下,套管除了受非均匀的径向应力外,还受到一个非均匀的剪切应力,非均匀载荷易导致套管损坏。
利用弹性一粘弹性理论,分析了盐层蠕变对套管载荷的影响,研究结果表明:在流变地层中,套管载荷随时间先增大后减小,最后达到稳定值,这个稳定值就是套管载荷的弹性解:在相同的地应力作用下,井径越小,由蠕变所增加的套管载荷越大,越易发生套管损坏。
分析了套管参数、地层参数以及水泥环对套管载荷的影响,套管壁厚对套管载荷有一定影响,偏差地应力对载荷的非均匀部分有一定影响,地层的弹性模量(泊松比)对套管载荷影响较大:水泥环对套管载荷的影响可能是正面的,也可能是负面的,这要依据刚度比、差异系数和套管厚度等因素。载荷的非均匀部分对套管强度破坏有一定的影响,进行套管设计时应使用等效外挤压力。
建立了一套盐岩蠕变实验的实验方法,观测到了蠕变现象,并获得了不同差应力和不同温度下的蠕变速率,对实验数据回归得到了中原油田盐岩的蠕变本构模型。
利用ANSYS数值模拟软件,建立了盐岩蠕变作用下套管载荷的计算模型,研究了不同井径、不同水泥环等条件下套管载荷的分布规律。用数值方法计算的结果与解析计算的结果吻合较好。数值计算结果表明:有水泥环时的套管载荷比无水泥环时的套管载荷要小;水泥环的强度越高、厚度越大,套管载荷的降低幅度越大。在其他条件相同的情况下,大井眼的稳定载荷大于小井眼的稳定载荷;但大井眼的蠕变载荷要小于小井眼的蠕变载荷。计算了不同差应力下盐层套管的载荷,作用在套管上的径向载荷与位置和蠕变时间有关,最大载荷在最小地应力处,最小载荷在最大地应力处;作用在套管上的切向载荷与蠕变时间和位置有关。在其他条件相同时,差应力增大,可使套管载荷的非均匀程度大幅度增加,套管更易损坏。
将得到的套管载荷的分布规律用于套管三轴应力设计中,并开发了套管设计软件,该设计方法已在中原油田得到推广应用。
根据套管载荷的计算数据,设计并研制了TP130TT高抗挤强度套管,满足了油田开发井的使用要求,解决了套管损坏防治难题。特别是针对盐岩层、射孔井段套管损坏快且严重的井段和区块,油气水井生产使用寿命延长,预计可以延长油气水井生产使用寿命6~8年以上,生产使用寿命将超过10年,推广应用前景广阔。不仅在中原油田,对其他油田的套管损坏预防具有重要的借鉴意义。
针对油水井长井段套损而研究了51/2·套管内下4·套管技术,它有效地解决了套管长距离多处损坏的难题。修复后的油水井形成双层组合套管,套管柱强度提高,套管的受力状态也得到改善,延长了油水井的使用寿命。同时起到了替代更新井作用,与新钻井相比,节约费用三分之二到四分之三。
本研究成果已在中原油田得到推广应用,效果明显,基本解决了盐层套管易发生损坏的难题。