楊 釗 孫 銳 王 鵬 邱森淼 葛 薇 蘇子龍
(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院)
目前,隨著大規(guī)模壓裂技術(shù)在各大油田的運(yùn)用,嚴(yán)重的套管損壞問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。套管損壞的本質(zhì)是外載荷超過(guò)了套管的承載極限[1],而影響套管抗擠強(qiáng)度的因素多種多樣,包括非均勻外載、水泥環(huán)缺陷、套管參數(shù)和射孔等[2-8]。同樣由于井眼構(gòu)型的影響,井下套管會(huì)發(fā)生橫向彎曲[9],產(chǎn)生軸向應(yīng)力。當(dāng)井眼曲率增大到一定程度時(shí),套管的彎曲變形由彈性變形過(guò)渡到塑性流動(dòng),常規(guī)的套管力學(xué)分析方法難以準(zhǔn)確描述壓裂套管在三維井眼中的工作狀態(tài),難以準(zhǔn)確分析套管的軸向載荷[10-13],目前廣泛采用的API BUL 5C3標(biāo)準(zhǔn)套管抗擠強(qiáng)度計(jì)算公式未考慮彎曲變形對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響[14]。
為準(zhǔn)確評(píng)估彎曲變形后套管的抗外擠強(qiáng)度,進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用解析法、數(shù)值模擬和套管強(qiáng)度試驗(yàn)等方法對(duì)彎曲段套管的抗擠強(qiáng)度進(jìn)行了探索研究[15-23]。2007年,竇益華等[24]學(xué)者考慮井身結(jié)構(gòu)、載荷及溫度效應(yīng)等因素,通過(guò)研究高溫高壓深井管柱軸向屈曲載荷,得到管柱載荷、應(yīng)力及變形計(jì)算公式。2009年,鄂大辛等[25-26]分析了彎曲過(guò)程中管材的彈塑性變形,推導(dǎo)了最小相對(duì)彎曲半徑計(jì)算公式。2019年,曹銀萍等[27]學(xué)者定量考察了井眼曲率半徑對(duì)扁化率和套管抗擠強(qiáng)度的影響。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用有限元方法對(duì)套管損傷進(jìn)行機(jī)理研究的報(bào)道較多,但少見(jiàn)專門針對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬的報(bào)道,主要通過(guò)理論公式建立力學(xué)模型來(lái)研究井身結(jié)構(gòu)變化對(duì)套管抗擠能力的影響。本文采用有限元分析方法,對(duì)不同井眼曲率半徑下的套管應(yīng)力分布開(kāi)展了數(shù)值研究,得到了地層巖石彈性模量、套管內(nèi)壓和地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)套管應(yīng)力分布的影響規(guī)律,并通過(guò)實(shí)際井眼軌跡進(jìn)行分析論證。所得結(jié)論對(duì)預(yù)防壓裂套管的損壞具有一定的參考意義。
本文研究對(duì)象為松遼盆地徐深氣田,截至2020年1月,徐深氣田芳深區(qū)塊已完鉆并實(shí)現(xiàn)壓裂井48口。該區(qū)塊位于徐西斷裂西側(cè),構(gòu)造整體呈西斷東超的斷陷特征,由深至淺具有明顯繼承性,構(gòu)造形態(tài)上總體可分為東部凹陷區(qū)、中部斜坡區(qū)及西部隆起區(qū)三個(gè)構(gòu)造帶;發(fā)育西北向的背斜和南北向斷層。該區(qū)塊致密氣儲(chǔ)層深,具有高破裂壓力、高停泵壓力及高閉合壓力的特征。
為獲得更佳的增產(chǎn)改造效果,需要進(jìn)行大規(guī)模壓裂。在已完成改造的48口井中,由于在彎曲段套管受力過(guò)大,12口井出現(xiàn)套管損壞變形,其中某井壓裂13段,因套損放棄壓裂2段,影響了泵送橋塞及射孔槍聯(lián)作實(shí)施效果,導(dǎo)致儲(chǔ)層無(wú)法實(shí)現(xiàn)針對(duì)性改造。由于套損情況嚴(yán)重,所有壓裂井中被迫放棄總壓裂段數(shù)達(dá)14段,為此迫切需要研究井身結(jié)構(gòu)變化對(duì)套管安全性的影響并進(jìn)行安全評(píng)估。
根據(jù)材料力學(xué)以及拉梅壁厚理論,在地層圍壓作用下,彎曲套管所受的徑向應(yīng)力σr、環(huán)向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σz分別為:
(1)
(2)
(3)
式中:D為套管外徑,mm;d為套管內(nèi)徑,mm;A為套管截面面積,mm2;po為套管所受到的外壓,MPa;E為套管彈性模量,GPa;r為套管橫截面上某點(diǎn)到套管中心軸的距離,mm;k為井眼曲率,rad/m;Fax為下部井段套管自身重力產(chǎn)生的軸向力,kN。
當(dāng)井眼曲率較大時(shí),套管發(fā)生彎曲變形,套管外側(cè)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,套管von Mises屈服準(zhǔn)則如下:
(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2>2σs2
(4)
式中:σs表示套管最小屈服強(qiáng)度,MPa。
當(dāng)彎曲井段套管的等效應(yīng)力達(dá)到套管最小屈服強(qiáng)度σs時(shí),套管將被擠毀,于是有:
(5)
將式(1)和式(2)代入式(5)可得:
(6)
將以上公式整理可得:
(7)
式中:pb為彎曲套管的抗擠強(qiáng)度,MPa;pt為實(shí)際套管的抗擠強(qiáng)度,MPa。
根據(jù)建立的彎曲井段套管力學(xué)機(jī)制,利用已知井眼曲率計(jì)算出相應(yīng)的井眼曲率半徑,由此計(jì)算不同井眼曲率半徑下的套管抗擠強(qiáng)度,最終分析井眼曲率半徑與套管抗擠強(qiáng)度之間的關(guān)系。套管鋼級(jí)采用P110,分別選取壁厚7.72、10.54和12.70 mm 3種套管,計(jì)算結(jié)果如圖1所示。
圖1 套管抗擠強(qiáng)度隨井眼曲率半徑的變化曲線Fig.1 Variation curve of casing collapse strength with borehole curvature radius
從圖1可以看出,套管壁厚相同時(shí),套管抗擠強(qiáng)度隨著井眼曲率半徑的增加而增加,套管越不容易變形,套管受力越?。划?dāng)井眼曲率半徑相同時(shí),套管的抗擠強(qiáng)度隨著套管壁厚加厚而增大,說(shuō)明套管壁厚有助于提升套管的抗擠強(qiáng)度,即提升套管抗擠壓的能力。當(dāng)井眼曲率半徑小于300 m,套管抗擠強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)劇烈變化,套管抗擠壓能力下降;當(dāng)井眼曲率半徑大于300 m,套管抗擠強(qiáng)度幾乎不變,說(shuō)明井眼曲率半徑越大對(duì)套管抗擠強(qiáng)度影響越小,井眼曲率半徑300 m為拐點(diǎn)。由此可以大致確定井眼曲率半徑風(fēng)險(xiǎn)范圍,即曲率半徑小于300 m,套管損壞有可能出現(xiàn)。
地層尺寸(長(zhǎng)、寬、高)為800 m×400 m×1 170 m,水泥環(huán)外徑215.9 mm,套管外徑139.7 mm,套管內(nèi)徑121.4 mm。
巖石力學(xué)參數(shù)采用徐深氣田火成巖參數(shù),套管以厚度為9.17 mm的P110套管作為研究對(duì)象,屈服強(qiáng)度為758 MPa,具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 地層、水泥環(huán)和套管的相關(guān)參數(shù)Table 1 Formation,cement sheath and casing parameters
地層-水泥環(huán)-套管的接觸關(guān)系采用面面接觸,即套管外表面與水泥環(huán)內(nèi)表面接觸,水泥環(huán)外表面與地層接觸,摩擦因數(shù)采用0.2。網(wǎng)格模型全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格單元形狀選擇六面體。由于套管是研究的主要目標(biāo),為此以套管最密,水泥環(huán)、地層由內(nèi)向外依次稀疏的原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分;由于將套管、水泥環(huán)分成了三段式,分別為垂直段、彎曲段和水平段,無(wú)法采用全局布種的方法來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,所以采用實(shí)體掃掠的方式沿著整個(gè)井眼軌跡掃略,并通過(guò)鏡像、映射、切割等方式將模型劃分為多個(gè)部分,網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果圖Fig.2 Mesh division result
創(chuàng)建邊界條件:全約束模型底面,模型X、Y軸方向的模型面進(jìn)行位移固定。創(chuàng)建2種載荷:①重力載荷,取9.8 N/kg,②套管內(nèi)表面受到的壓力。創(chuàng)建地應(yīng)力:在初始步給模型施加三向力,參考徐深氣田地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值,取垂向地應(yīng)力為65 MPa,最大水平地應(yīng)力σmax=60 MPa、最小水平地應(yīng)力σmin=55 MPa。參考徐深氣田芳深某井壓裂施工壓力(51 MPa),根據(jù)計(jì)算可得該井套管內(nèi)壁壓力為87 MPa,邊界條件約束結(jié)果如圖3所示。
圖3 邊界條件約束結(jié)果圖Fig.3 Boundary condition constraints
根據(jù)模型尺寸、材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)定,建立了如圖4所示的全管柱三維有限元模型。
圖4 全管柱三維有限元分析模型Fig.4 Three-dimensional finite element model of full string
在壓裂過(guò)程中,套管彎曲情況下變形點(diǎn)往往距離裂縫所處位置有一定距離,且大部分套管變形集中在水平井段的根端,為此需要考慮不同曲率半徑條件下套管應(yīng)力分布規(guī)律,在已經(jīng)建立的井身結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型中,設(shè)置曲率半徑分別為100、200、300和400 m,計(jì)算不同曲率半徑下套管應(yīng)力的變化規(guī)律。圖5為套管在不同曲率半徑下的應(yīng)力分布云圖。套管應(yīng)力隨著曲率半徑的變化規(guī)律如圖6所示。
圖5 不同曲率半徑下套管應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud chart of casing stress with different curvature radius
圖6 套管應(yīng)力隨曲率半徑的變化曲線Fig.6 Variation curve of casing stress with curvature radius
從圖5可知,隨著曲率半徑減小,套管變形越來(lái)越明顯,在曲率半徑為100 m時(shí),套管彎曲段受力變形最為顯著;套管受力變形主要集中在造斜點(diǎn)和入靶點(diǎn)初始位置,如圖5局部放大圖所示。
圖6表明:當(dāng)曲率半徑增大時(shí),套管應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì);當(dāng)曲率半徑從100 m增加到200 m時(shí),套管應(yīng)力較為敏感。當(dāng)曲率半徑為100 m時(shí),套管應(yīng)力為701.2 MPa,此時(shí)套管應(yīng)力趨近屈服應(yīng)力值。
套管應(yīng)力變化趨勢(shì)與套管抗擠強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同,通過(guò)理論公式計(jì)算結(jié)果與有限元模型模擬結(jié)果對(duì)比,證明了模擬的正確性,得出了井身彎曲程度越大,對(duì)套管受力變形的影響越明顯的結(jié)論,在理論公式的基礎(chǔ)上又將可能發(fā)生套損的曲率半徑精確到100 m。
儲(chǔ)層巖石的彈性模量大小反映了巖石本身抗擠壓能力的強(qiáng)弱,巖石彈性模量越大,越不容易變形。在大規(guī)模壓裂過(guò)程中,由于壓裂效果不佳,可能需要對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行重復(fù)壓裂,使得該區(qū)域內(nèi)的巖石彈性模量急劇減小,抗擠壓能力也隨之減弱。為了研究不同巖石力學(xué)性能對(duì)套管應(yīng)力的影響,設(shè)置巖石彈性模量取值范圍為15~85 GPa,此處采用曲率半徑為100和300 m的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算。圖7為曲率半徑為300 m時(shí),套管在不同巖石彈性模量下的應(yīng)力分布云圖。套管應(yīng)力隨巖石彈性模量的變化曲線如圖8所示。
圖7表明,當(dāng)巖石彈性模量為15 GPa時(shí),套管變形明顯,當(dāng)巖石彈性模量高于35 GPa時(shí),巖石變形程度較小。
圖7 巖石彈性模量作用下套管應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud chart of casing stress with different rock elastic modulus
圖8表明,隨著巖石彈性模量增大,套管應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì);當(dāng)巖石彈性模量相同時(shí),曲率半徑越大,井身彎曲程度越小,套管應(yīng)力越小。由于不斷壓裂,巖石彈性模量小于35 GPa,套管應(yīng)力急劇增大;當(dāng)巖石彈性模量減小到15 GPa且曲率半徑為300 m時(shí),套管應(yīng)力值為733.6 MPa,接近屈服強(qiáng)度值,套管正在由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)化;當(dāng)曲率半徑為100 m時(shí),套管應(yīng)力值為958.1 MPa,套管已經(jīng)發(fā)生塑性變形,達(dá)到了屈服破壞程度,應(yīng)該停止對(duì)該區(qū)域繼續(xù)壓裂,以防套管發(fā)生損壞,此時(shí)巖石彈性模量15 GPa為風(fēng)險(xiǎn)值;當(dāng)儲(chǔ)層巖石彈性模量大于35 GPa時(shí),套管應(yīng)力變化較小,應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度值,套管處于安全狀態(tài)。
圖8 套管應(yīng)力隨巖石彈性模量的變化曲線Fig.8 Variation curve of casing stress with rock elastic modulus
在實(shí)際壓裂現(xiàn)場(chǎng),施工壓力將壓裂液注入井中,開(kāi)辟新的油氣通道,套管內(nèi)壁會(huì)因此承受高壓。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂數(shù)據(jù),某井第三段(3 442~3 460 m)逐步提排量至1 m3/min推塞,施工壓力由44 MPa上漲至47 MPa,泵送6 m3基液橋塞到位,橋塞坐封正常,射孔顯示正常,且隨著壓裂段數(shù)不斷增加,施工壓力最高達(dá)到80 MPa左右。
考慮現(xiàn)場(chǎng)施工情況,設(shè)置施工壓力為44、54、64、74和84 MPa,對(duì)應(yīng)套管內(nèi)壁壓力80、90、100、110和120 MPa。由于巖石彈性模量不同導(dǎo)致有軟硬地層之分,巖石彈性模量分別取25 GPa(軟地層)和55 GPa(硬地層),此處采用曲率半徑100 m的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算。圖9是在軟地層條件下套管在不同套管內(nèi)壁壓力下的應(yīng)力分布云圖。在不同軟、硬地層條件下,套管應(yīng)力隨套管內(nèi)壁壓力變化曲線如圖10所示。
圖9 套管內(nèi)壁壓力作用下套管應(yīng)力云圖Fig.9 Cloud chart of casing stress under casing inner wall pressure
圖10 軟、硬地層下套管應(yīng)力隨套管內(nèi)壁壓力變化曲線Fig.10 Variation curve of casing stress with casing inner wall pressure in soft and hard formations
從圖9可以看出,隨著套管內(nèi)壁壓力增加,套管變形程度加劇,且已經(jīng)發(fā)生彈性變形;內(nèi)壓力為100 MPa時(shí),套管開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形,當(dāng)內(nèi)壓力達(dá)到120 MPa時(shí),塑性變形達(dá)到最大化。
從圖10可以看出,套管應(yīng)力隨著套管內(nèi)壁壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),在套管內(nèi)壁壓力達(dá)到100 MPa左右,即施工壓力為64 MPa時(shí),套管應(yīng)力基本上達(dá)到屈服強(qiáng)度值,此時(shí)為風(fēng)險(xiǎn)施工壓力;當(dāng)套管內(nèi)壁壓力小于110 MPa時(shí),軟地層下套管應(yīng)力明顯大于硬地層;相比軟地層,硬地層在相同地應(yīng)力場(chǎng)作用下不易發(fā)生變形,不易改變井身結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài);當(dāng)套管內(nèi)壁壓力大于110 MPa即施工壓力為74 MPa時(shí),套管內(nèi)壁壓力對(duì)套管應(yīng)力影響較大;地層軟、硬程度對(duì)套管應(yīng)力影響較小,在不同地層條件下套管應(yīng)力值接近。綜合來(lái)看,施工壓力小于74 MPa,且地層彈性模量較高時(shí),對(duì)套管的保護(hù)更有效。
在曲率半徑變化過(guò)程中,實(shí)際地層存在地應(yīng)力場(chǎng),3個(gè)方向的地應(yīng)力都對(duì)套管有影響,不可忽略,為此需要研究套管在地應(yīng)力場(chǎng)變化作用下承受的應(yīng)力以及變形規(guī)律。
最小水平主應(yīng)力σmin為60 MPa時(shí),設(shè)置最大水平地應(yīng)力σmax和垂向應(yīng)力σh數(shù)值相同為65、70和80 MPa;最小水平主應(yīng)力σmin為55 MPa時(shí),最大水平地應(yīng)力σmax和垂向應(yīng)力σh分別為60、65和75 MPa,地應(yīng)力差(Δσ=σmax-σmin)分別為5、10和20 MPa,研究3個(gè)主應(yīng)力相互組合下對(duì)套管受力的影響。圖11為不同最小主應(yīng)力條件下套管應(yīng)力隨地應(yīng)力與曲率半徑耦合變化二維曲線圖。套管應(yīng)力三維變化曲線如圖12所示。圖12中A、B面為套管開(kāi)始發(fā)生塑性變形面,即開(kāi)始發(fā)生套損面。
圖12 地應(yīng)力耦合曲率半徑對(duì)套管應(yīng)力影響三維圖Fig.12 Three-dimensional diagram of coupling influence of in-situ stress and curvature radius on casing stress
由圖11可知,曲率半徑小于200 m時(shí),地應(yīng)力差對(duì)套管應(yīng)力影響顯著,地應(yīng)力差越大,套管應(yīng)力增加越快;曲率半徑大于200 m時(shí),地應(yīng)力差值對(duì)套管應(yīng)力影響很小。隨著最小主應(yīng)力由55 MPa增加到60 MPa,套管整體應(yīng)力值增大。
圖11 不同最小主應(yīng)力下套管應(yīng)力隨地應(yīng)力場(chǎng)與曲率半徑耦合變化曲線Fig.11 Coupling variation curve of casing stress with in-situ stress field and curvature radius with different minimum principal stresses
圖12表明:套管在最小主應(yīng)力60 MPa作用下,隨著曲率半徑增大,三維平面變得不平整,說(shuō)明地應(yīng)力差對(duì)套管受力影響在增大;曲率半徑為40 m、地應(yīng)力差為15 MPa時(shí),套管在地應(yīng)力和內(nèi)壓作用下受力達(dá)到758 MPa,達(dá)到屈服極限;曲率半徑為40 m、地應(yīng)力差為15 MPa、套管受力758 MPa的點(diǎn)位于三維坐標(biāo)系套損面A面,三維圖版里的坐標(biāo)越過(guò)A面,那么套管就會(huì)發(fā)生塑性變形;最小主應(yīng)力變?yōu)?5 MPa,套管受力變化規(guī)律基本相同;套損面變?yōu)锽面,在曲率半徑為40 m、地應(yīng)力差為20 MPa時(shí),套管在地應(yīng)力和內(nèi)壓作用下受力達(dá)到758 MPa。綜合來(lái)看,應(yīng)盡量采用曲率半徑大于40 m的井身結(jié)構(gòu),以有效降低施工壓力和地應(yīng)力作用對(duì)套管的破壞。
針對(duì)徐深氣田實(shí)際井眼軌跡設(shè)計(jì)結(jié)果,考慮到套損變形的主要部位,即在造斜點(diǎn)以下的套管部分,建立由造斜點(diǎn)至水平段的地層-套管-水泥環(huán)三維有限元模型,相應(yīng)套管網(wǎng)格劃分模型如圖13所示。
圖13 近水平段套管網(wǎng)格模型Fig.13 Casing mesh model near horizontal section
儲(chǔ)層部位垂向應(yīng)力為70 MPa,最大主應(yīng)力為75 MPa,最小主應(yīng)力為70 MPa,套管的內(nèi)壓為80 MPa。其他參數(shù)和設(shè)置同井眼曲率半徑下的套管受力模型相同,實(shí)際儲(chǔ)層和套管的應(yīng)力分布云圖如圖14所示。
圖14 應(yīng)力云圖Fig.14 Cloud chart of stress
由圖14可以看出,套管在地應(yīng)力和內(nèi)壓作用下,最大受力發(fā)生在造斜點(diǎn)位置,這是垂向初始位置的固定約束,地層在地應(yīng)力變化和內(nèi)壓的累計(jì)效應(yīng)引起的。此外,在套管的尾端也存在較大的應(yīng)力集中,這是因?yàn)槲捕嗽诘貞?yīng)力和內(nèi)壓作用下發(fā)生變形,而套管尾端與井眼尾端的井壁相擠壓引發(fā)的。對(duì)于水平段位置的套管,可以看出其受力較小,不易發(fā)生套損。
從計(jì)算結(jié)果整體來(lái)看,在套管的造斜點(diǎn)位置盡量采用高強(qiáng)度材質(zhì)管柱,并配合使用良好的固井質(zhì)量,以降低套損風(fēng)險(xiǎn)。
(1)當(dāng)曲率半徑增大時(shí),套管應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì);套管受力變形集中在敏感位置,即造斜點(diǎn)和入靶點(diǎn)初始位置。
(2)巖石的彈性模量由于不斷壓裂而小于35 GPa,套管應(yīng)力急速增大,巖石彈性模量下降到15 GPa且曲率半徑為100 m時(shí),套管發(fā)生屈服破壞。
(3)施工壓力小于74 MPa且地層彈性模量較大為硬地層時(shí),套管的使用壽命越長(zhǎng)。
(4)采用大于40 m的曲率半徑鉆井可以有效降低施工內(nèi)壓和地應(yīng)力作用對(duì)套管的應(yīng)力破壞。
(5)在套管的造斜點(diǎn)和入靶點(diǎn)初始位置采用高強(qiáng)度材質(zhì)管柱可以降低套損風(fēng)險(xiǎn)。