隨著塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地、渤海等多個(gè)油氣田取得了重大油氣發(fā)現(xiàn)，深層、新區(qū)、頁(yè)巖油氣等勘探開發(fā)力度逐漸加大，深井超深井、特殊結(jié)構(gòu)和特殊工藝井、強(qiáng)酸/大排量高壓力反復(fù)酸化壓裂增產(chǎn)改造等工況條件日益復(fù)雜，套管柱失效頻發(fā)，嚴(yán)重制約了油氣田的正常生產(chǎn)[1-2]。70%以上的套管柱失效是由于前期的設(shè)計(jì)、選材和后期不恰當(dāng)?shù)墓こ套鳂I(yè)及增產(chǎn)改造措施造成，如何在設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行套管強(qiáng)度與井筒完整性設(shè)計(jì)，防止套管柱系統(tǒng)損壞，是套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)面臨的重要難題。根據(jù)套管在鉆井、完井、生產(chǎn)等全生命周期中可能出現(xiàn)的各種極端工況進(jìn)行套管載荷計(jì)算與強(qiáng)度分析，優(yōu)化套管設(shè)計(jì)，可以有效避免復(fù)雜深井、高溫高壓井、非常規(guī)頁(yè)巖氣井、特殊工藝與特殊結(jié)構(gòu)井等復(fù)雜工況套管柱失效問題。

 

國(guó)際上較為著名的 Landmark 軟件的 2 個(gè)模塊提供了套管柱設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析功能，即WELLCAT 和 StressCheck[3-4]。它們提供了多種套管柱抗內(nèi)壓、外擠和抗拉的設(shè)計(jì)分析模型[6]，但是其設(shè)計(jì)分析能力仍無(wú)法滿足套管柱全生命周期強(qiáng)度分析的要求。例如，無(wú)法對(duì)引起套損的影響因素如構(gòu)造應(yīng)力、層間滑動(dòng)、蠕變、地層塑性流變和斷層活動(dòng)等進(jìn)行針對(duì)性的力學(xué)分析。

 

國(guó)內(nèi)開展了大量基于 CAE 技術(shù)的套管分析研究工作，但尚未形成基于 CAE 技術(shù)的套管設(shè)計(jì)分析軟件。已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)從不同角度應(yīng)用大型有限元軟件對(duì)套管變形、擠毀與磨損機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)而為套管柱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。例如，非均勻地下應(yīng)力對(duì)套管強(qiáng)度的影響分析[7-8]；考慮巖層、水泥環(huán)和套管實(shí)際所處工況的套管系統(tǒng)力學(xué)模型[9-10]；射孔參數(shù)對(duì)套管應(yīng)力的影響分析[13-14]；熱采井套管承載力分析與套損機(jī)理[11-12]。

 

本文針對(duì)我國(guó)復(fù)雜油氣田開發(fā)中的井筒完整性技術(shù)需求，從套管柱全生命周期服役工況和失效分析入手，建立了三維井眼套管柱動(dòng)態(tài)下入過(guò)程仿真分析模型，實(shí)現(xiàn)了套管柱多工況載荷計(jì)算分析技術(shù)，建立了套管-水泥環(huán)-地層三維有限元模型，初步形成套管柱全生命周期設(shè)計(jì)分析軟件。

 

2、套管柱全生命周期強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維井眼套管柱動(dòng)態(tài)下入過(guò)程仿真技術(shù)

在定向井、水平井及大位移井等油氣井中，管柱下入過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)變化是工程設(shè)計(jì)與作業(yè)中備受重視的因素，對(duì)套管下入能力分析和保證管柱作業(yè)安全有著重要的意義[13-15]。

 

管柱在彎曲井段中受力復(fù)雜，除受重力、彎曲應(yīng)力、管柱內(nèi)外流體壓力外，還要承受浮力和摩擦力等力的作用。此外，管柱下入過(guò)程模擬分析還面臨著管柱與井壁動(dòng)態(tài)接觸、管柱大位移、管柱結(jié)構(gòu)幾何非線性變形等情況，是管柱力學(xué)技術(shù)研究難點(diǎn)的綜合體現(xiàn)。傳統(tǒng)分析方法為避免計(jì)算過(guò)于困難，一般假定管柱已經(jīng)下放到最終位置，再計(jì)算管柱的應(yīng)力狀態(tài)，無(wú)法獲得管柱入井的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本研究假設(shè)管柱的初始狀態(tài)在下入最終位置以上某處與井眼軌跡重合（管柱下放長(zhǎng)度允許用戶指定，可設(shè)置為 10~100 米），模擬管柱下入到最終位置的過(guò)程，同時(shí)為管柱其它工況分析提供初始狀態(tài)。

 

三維井眼與管柱有限元模型如圖 1 所示。該模型基于 ABAQUS 有限元平臺(tái)，使用管單元 PIPE31 模擬井眼與管柱的幾何結(jié)構(gòu)與力學(xué)屬性[16-17]。井眼的幾何參數(shù)包括軌跡參數(shù)（由測(cè)深、井斜角、方位角組成）與井眼尺寸。假設(shè)井眼穩(wěn)定，即井眼位移為零。管柱幾何模型

的可變參數(shù)包括：管柱長(zhǎng)度 L（包括各段長(zhǎng) Li）、壁厚 W、套管直徑 D、鋼級(jí) G 等。

 

管柱所受外力包括管柱內(nèi)壓 Pint、外壓 Pex、浮重 Fb和摩擦力 Pf、，為此開發(fā)了管柱接觸屬性、管柱內(nèi)外流體壓力與浮力加載接口，允許用戶根據(jù)管柱不同工況設(shè)置管柱與井壁的接觸屬性、管柱內(nèi)外流體壓力與浮力系數(shù)沿管柱的分布形式。應(yīng)用管中管接觸技術(shù)（Edge-to-Edge）模擬管柱與井壁的相互接觸作用。管柱的內(nèi)外壓力載荷和浮力系數(shù)通過(guò)

ABAQUS 的用戶子程序 DLOAD 進(jìn)行定義加載，并通過(guò)變量 JLTYP 區(qū)分載荷類型。當(dāng)JLTYP==27 時(shí)定義管柱內(nèi)壓載荷；當(dāng) JLTYP==28 時(shí)定義管柱外壓載荷；當(dāng) JLTYP==43 時(shí)定義管柱浮力載荷，浮力系數(shù)計(jì)算公式如下[18]。

 

 

 

其中，K_f表示浮力系數(shù)；Y_o 表示管柱外流體密度； r_o表示套管外半徑； Y_i管柱內(nèi)流

體密度；r_i 表示管柱內(nèi)半徑；Y_s 表示管柱鋼材密度。

 

 

圖 1 三維井眼與管柱有限元模型

 

該技術(shù)以接近套管柱真實(shí)力學(xué)行為的方式，實(shí)現(xiàn)了三維井眼套管柱下入過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬分析，為套管柱其它工況分析提供了初始狀態(tài)。

 

（2）套管柱多工況分析技術(shù)

套管柱全生命周期中一般要承受不同工況載荷，需要采用不同的分析技術(shù)。每種工況由3 個(gè)分析步組成，第 1 步，模擬套管柱與井眼的初始接觸；第 2 步，模擬套管柱下放過(guò)程；第 3 步，模擬套管柱在該工況下承受的載荷。由于套管柱載荷的多樣性，需要針對(duì)不同工況采用不同的分析技術(shù)和設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。例如，固井工況（如圖 2 所示）分析可以采用靜力學(xué)方法分析，假定套管懸掛處位置位移為 0，允許根據(jù)大鉤實(shí)際載荷設(shè)置管柱上端點(diǎn)載荷；油套管泄漏工況（如圖 3 所示）所示可以采用靜力學(xué)方法分析，假定井下封隔器位置的位移為 0，管柱上端點(diǎn)載荷使用坐封時(shí)大鉤載荷的實(shí)測(cè)值；套管柱勻速提升工況則需要采用動(dòng)力學(xué)分析方法，套管柱勻速運(yùn)動(dòng) 60 秒后的軸向載荷。開發(fā)了套管柱強(qiáng)度分析的 14 種抗外擠校核載荷工況、23 種抗內(nèi)壓校核載荷工況和 6 種抗拉校核載荷工況，可以滿足直井、定向井和水平井套管柱設(shè)計(jì)分析要求。

 

 

圖 2 套管柱固井工況內(nèi)外壓力載荷示意圖

 

 

圖 3 油套管泄漏工況內(nèi)外壓力載荷示意圖

 

套管柱抗外擠工況、抗內(nèi)壓工況和抗拉工況的分析方法與邊界設(shè)置見表 1、表 2 與表 3。

 

表 1 套管柱抗外擠工況分析方法與邊界設(shè)置

 

 

表 2 套管柱抗內(nèi)壓工況分析方法與邊界設(shè)置

 

 

表 3 套管柱抗拉工況分析方法與邊界設(shè)置

 

 

 

（3）套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)分析技術(shù)

套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)力學(xué)模型可以更準(zhǔn)確地模擬套管實(shí)際工況，為此建立套管-水泥環(huán)-地層三維參數(shù)化分析模型（如圖 4 所示），模型由上部地層、可能產(chǎn)生套損的活躍地層和下部地層，允許用戶根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置地層厚度與地層巖石力學(xué)屬性參數(shù)，地層與套管柱傾角，垂向、水平最大和最小地應(yīng)力和巖石上覆壓力，以及水泥環(huán)力學(xué)屬性。第一接觸面與第二接觸面的接觸模型采用最大切應(yīng)力失效準(zhǔn)則，線性損傷演化規(guī)律，如圖 5 所示。

 

 

圖 4 套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)參數(shù)化有限元模型

 

 

圖 5 第一接觸面與第二接觸面的接觸模型

 

針對(duì)塔里木油田山前高陡構(gòu)造膏鹽層經(jīng)常發(fā)生套管變形問題，膏鹽地層本構(gòu)模型采用Drucker-Prager(廣義 Mises 屈服準(zhǔn)則)模型，應(yīng)用上述模型對(duì)超深井套管受力進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖 6 所示，在上層硬質(zhì)地質(zhì)層內(nèi)，套管內(nèi)側(cè)第二主應(yīng)力方向出現(xiàn)最大應(yīng)力區(qū)域，明顯大于其他區(qū)域應(yīng)力水準(zhǔn)，外側(cè)第一主應(yīng)力方向上出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。在中部地層膏鹽巖區(qū)域內(nèi)，遠(yuǎn)離上下地層界面的位置上，出現(xiàn)相對(duì)高應(yīng)力區(qū)域，這是由于遠(yuǎn)離上下地層的強(qiáng)約束區(qū)，故應(yīng)力水準(zhǔn)上升。套管柱傾斜工況下，膏鹽巖地層塑性流動(dòng)對(duì)套管柱形成剪切效應(yīng)，套管與水泥環(huán)的剪切應(yīng)力會(huì)顯著提升，造成膠結(jié)面切向應(yīng)力顯著增大，影響膠結(jié)面的完整性。

 

 

圖 6（a）套管外部 Mises 云圖（b）套管內(nèi)層 Mises 分布云圖 （c）套管下部?jī)?nèi)側(cè)應(yīng)力分布

 

4、套管柱設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)了套管柱設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)，選擇 ABAQUS 軟件作為套管柱設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇 SQL Server，軟件開發(fā)語(yǔ)言采用 Python。目前已經(jīng)開發(fā) 4 大功能模塊，共 36 個(gè)子模塊（如表 4 所示）。圖 7 為套管柱設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)界面。

 

表 4 深水套管柱設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)功能模塊

 

 

 

l圖 7 套管柱設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)界面

 

5、套管柱設(shè)計(jì)分析案例

三塘湖盆地某水平井套管柱下入分析。該開發(fā)井為水平井，井身結(jié)構(gòu)如圖 8 所示，斜深 2199.5m，垂深 1490.9m，水平段長(zhǎng) 500m, 最大井斜角 90.57°。該井二開生產(chǎn)套管選用Φ139.7m 鋼級(jí) N80(壁厚 7.72mm)套管。強(qiáng)度分析結(jié)果表明（如圖 9（a）所示），井口套管懸掛處應(yīng)力最大，Mises 應(yīng)力最大值為 79.1MPa；垂直段至造斜段處以及造斜段至水平段的過(guò)渡帶均存在應(yīng)力集中段，其中造斜段至水平段的摩擦力最大（如圖 9（b）所示），存在套管下入困難風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

圖 8 三塘湖盆地某水平井井身結(jié)構(gòu)

 

 

圖 9（a）套管柱 Mises 應(yīng)力分布圖 圖 9（b）套管柱摩擦力分布圖

 

6、結(jié)論

實(shí)現(xiàn)了三維井眼套管柱下入過(guò)程模擬分析技術(shù)，該技術(shù)以井身結(jié)構(gòu)、井眼測(cè)斜和管柱等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)生成三維井眼管柱有限元模型，可以對(duì)套管柱下入過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，并為套管柱力學(xué)其它工況研究提供初始狀態(tài)。開發(fā)了套管柱強(qiáng)度分析的 14 種抗外擠校核載荷工況、23 種抗內(nèi)壓校核載荷工況和 6 種抗拉校核載荷工況，可以滿足直井、定向井和水平井套管柱設(shè)計(jì)分析要求。建立了套管-水泥環(huán)-地層三維參數(shù)化分析模型，允許用戶根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置套管、水泥環(huán)、地層巖石力學(xué)屬性參數(shù)與第一、二界面接觸屬性，進(jìn)行套損演變過(guò)程分析。初步形成油氣井套管柱全生命周期設(shè)計(jì)分析軟件。

 

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