局部泥岩均匀吸水套管损坏机理.pdfVIP

维普资讯 大 庆 石 油 学 院 学 报 第31卷 第 6期 2007年 12月 JOURNAIOFDAQING PETR()IEUM INSTITUTE Vol|31 No．6 Dec． 2007 局部泥岩均匀吸水套管损坏机理 罗 敏 ，于 海 ，于 成 ，刘 巨保 (1．大庆石油学院 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2．哈尔滨飞机工业集团，黑龙江 哈尔滨 150060) 摘 要：油 田注水开发过程中泥岩吸水蠕变是引起的局部套损 的主要原因．考虑套管 、地层 、水泥环和浸水泥岩，建 立有水泥环和无水泥环 2种三维有 限元模型，模拟浸水体积分别为0．618，0．977，1．418m。时不同含水质量分数 、体积膨 胀率对套管等效应力的影响．结果表明：随着泥岩含水质量分数的增加，套管达到屈服时所需的泥岩体积膨胀率减小；当 泥岩体积膨胀率一定时，套管等效应力随泥岩含水质量分数的增加而增加 ；不含水泥环与含水泥环相 比，套管等效应力 增加 12．0 ． 关 键 词 ：泥岩蠕变 ；有限元模型 ；套管损坏 ；含水质量分数 中图分类号 ：TE256．2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—1891(2007)06—0077一O4 大庆 、吉林 、玉门油 田套损主要是由注水开发引起 ，且变形段多集 中在浸水泥岩段．注入水进入泥岩 层，改变泥岩层的力学性质和应力状态，导致胶结力逐步消失，产生较强的塑性变形能力，从而产生位移和 变形[1]．对套管平面问题径向变形的机理研究已取得一些进展_2]，但对三维空间套管损坏至今未找到好 的解决方案 ，以往试验研究未将周 围地层的 “复杂力学系统”与套管破坏联系起来_4]．针对套管的局部套 损，拟采用有限元软件建立三维空间有限元模型，考虑泥岩遇水膨胀、力学特性变化等因素，分析局部地层 与套管耦合受力变形 ，为进一步研究局部套损机理和控制措施提供思路． 1 局部地层与套管耦合力学特性 当温度升高或注入水进入泥岩层时，将改变泥岩层的力学性质和应力状态 ，致使泥岩产生位移 、变形 和膨胀 ，增加对套管的外部载荷 ，当套管的抗压强度低于外部载荷时，套管就会被挤压变形 ，乃至错断[5]． 在注采过程 中，特别是在高压注水后 ，泥岩含水质量分数增加 ，其力学特性会有较大的变化 ，主要反映在弹 性模量、内聚力和强度急剧下降，以及泥岩的泊松 比和内摩擦角增加等 ]． 根据马克斯威尔非线性理论 ，用黏弹 (塑)性本构模型描述泥岩 的蠕变力学特性．泥岩的变形特征可 用本构方程描述l3]： e一 exp(w)+ exp( ) 式中 为地层水平应变量 为最大水平主应力；。为垂向应力；w。为岩石极限含水量；W 为地层含水 量 ；t为水浸时间；A为泥岩弹性模量；B为黏性系数 ；以为实验参数 ；N为非线性应力指数． 泥岩变形量决定于地层含水量和水浸时间，当含水量增加到极限值时，地层水平应变量为最大 ，地层 变形量最大 ，致使套管颈缩 ，产生屈服破坏． 2 计算模型及参数 以地层 、套管、水泥环和浸水泥岩为研究对象，主要模拟泥岩均匀水浸 ，套管周 围地层对称吸水．利用 收稿 日期：2007—03—16；审稿人 ：姜民政 ；编辑 ：任志平 基金项 目：黑龙江省教育厅科学技术项 目 作者简介 ：罗 敏(1968--)，女，博士生，副教授 ，主要从事计算力学方面的研究 维普资讯 大 庆 石 油 学 院 学 报 第31卷 2007年 有限元法中的十节点四面体 、八节点六面体空间单元 ，建立考虑水泥环和不考虑水泥 环2种三维空间有限元模型，考虑水泥环的 1／4均匀水浸有限元模型见图 1，模型共 分 31968个单元 、36181个节点．整体模型尺寸为 2．5m×2．5m×13