论文部分内容阅读
环空带压和气窜是一个世界性难题,井筒完整性失效是导致环空带压和气窜的主要原因。水泥环力学完整性是井筒完整性的重要组成部分,在油气井开发过程中,水泥环在套管内压力和地层应力作用下破损而造成环空封隔失效,影响油气井后期的安全生产。目前建立的水泥环应力分布模型主要针对直井,无法对定向井水泥环做出合理评价。因此,开展定向井水泥环应力分布模型的研究,建立水泥环力学完整性评价模型,对保证水泥环结构完整具有重要意义。本文在调研前人研究成果的基础上,根据油气井建井过程和候凝过程中水泥浆体状态的变化,并结合水泥环与套管和井壁围岩之间的相互作用力关系,推测了在候凝结束时刻水泥环界面存在初始作用力。考虑套管-水泥浆-井壁围岩组合体层状结构特点和受力情况相似性,利用厚壁圆筒理论和广义平面应变应力理论,采用结构力学的求解思路,由位移连续条件求解出不同子问题的解。以水泥环初始应力状态为起点,然后将套管内压力和地层应力变化时增加的水泥环应力叠加到水泥环初始应力状态上,建立了定向井水泥环应力分布模型；另外,模型借助拉伸失效准则和Mohr-Coulomb强度破坏准则分析了水泥环力学完整性。本文利用建立的定向井水泥环应力分布模型分析了塔里木油田两口井后期作业套管内压力和地层应力变化时水泥环应力分布规律,并利用拉伸失效准则和Mohr-Coulomb强度破坏准则对水泥环力学完整性进行了评价,取得了一定的成果。本文在室内实验,理论研究和现场实例应用的基础上,形成的结论如下：(1)本文结合候凝过程中水泥浆体状态变化和水泥环与套管和井壁围岩之间的相互作用力关系进行分析,认为水泥环界面初始作用力与地层孔隙压力相等。(2)根据厚壁圆筒理论和广义平面应变应力理论,采用结构力学思路,以水泥环初始应力状态为起点,将套管内压力和地层应力变化时产生的水泥环应力增量叠加到水泥环初始应力状态上,推导出了后期作业时定向井水泥环内任一点应力的理论解和对应主应力的力学模型。(3)利用定向井固井水泥环应力分布模型的理论解,可以定量分析在后期作业不同工况下水泥环的应力分布。同时,还可以利用拉伸失效准则和Mohr-Coulomb强度破坏准则,评价水泥环力学完整性。(4)在其他条件一定情况下,井斜角越大,最大主应力将增大,最大剪切应力降低；方位角不影响水泥环应力分布。(5)通过现场实例计算,在初始作用力状态、套管内压力与地层应力在一定范围内变化时,水泥环不会发生拉伸失效,但会出现一定的塑性屈服。若水泥环的变形量超过塑性屈服极限或塑性屈服后套管因内部压力降低发生收缩,都将造成水泥环封隔失效。