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大慶油田底標(biāo)志層面積廣闊，層位非常穩(wěn)定，厚度約為10m，層內(nèi)發(fā)育大量化石層，存在水平弱結(jié)構(gòu)面，具有硬巖性薄弱面的特征。近幾年來，多個區(qū)域在底標(biāo)志層出現(xiàn)了大面積的集中套損。據(jù)不完全統(tǒng)計，2008年以來，標(biāo)志層套損井約占總套損井?dāng)?shù)的40%~50%。多種測試方法證實(shí)，標(biāo)志層套損以剪切錯斷和剪切變形為主，由層間滑移所致。
在實(shí)際生產(chǎn)中，部分井在標(biāo)志層以下放置水泥面控制器，使標(biāo)志層不封固，如圖所示。此完井方式下，底標(biāo)志層位置的套管與地層之間無水泥環(huán)。關(guān)于底標(biāo)志層是否應(yīng)該封固的問題，各采油廠的觀點(diǎn)和做法有所不同，目前尚未統(tǒng)一。以往在套管剪切失效的研究中，一般假設(shè)套管和水泥環(huán)或地層直接接觸，對于未封固層位剪切套損的研究相對較少。為此，本文針對標(biāo)志層封固和不封固2種方式分別建立了相應(yīng)的有限元分析模型，研究層間滑移過程中套管和地層的受力和彈塑性變形特征，從力學(xué)角度分析更有利于預(yù)防和修復(fù)標(biāo)志層套損的方式。
有限元計算采用Comsol Multiphysics軟件的固體力學(xué)模塊。根據(jù)幾何和作用力的對稱性，取模型的1/2。地層模型橫向長度為1m，假設(shè)底標(biāo)志層含剪切弱面且已經(jīng)破壞，地層分為上下兩層，每層厚度0.5m，井眼半徑0.1m，套管外徑139.7mm。標(biāo)志層封固模型采用組合體模型，地層、水泥環(huán)和套管之間連續(xù)；不封固模型采用裝備體模型，地層與套管間無任何物質(zhì)，模型初始位置為地層開始剪切套管的位置，相應(yīng)的接觸面設(shè)置面接觸。剪切套損過程中，套管變形程度較大。為了保證計算精度，對套管網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。套管剪切面附近存在應(yīng)力集中，對套管剪切面附近的套管、水泥環(huán)和地層進(jìn)行局部細(xì)化，得出標(biāo)志層套管封固與不封固2種模型的網(wǎng)格剖分結(jié)果，如圖所示。
對于模型上部地層中法線方向平行于x軸的兩個側(cè)面，指定其x方向位移為地層滑移量，其他方向地層側(cè)面指定其對應(yīng)法線方向位移為0。
在油田實(shí)際生產(chǎn)過程中，套管若出現(xiàn)較小的塑性變形，并不代表套管已經(jīng)失效，只要套管能保持其完整性且變形程度不影響作業(yè)和施工，即認(rèn)為套管尚未失效。現(xiàn)場實(shí)際發(fā)現(xiàn)的剪切套損，套管已嚴(yán)重塑性變形，因此有限元計算模型應(yīng)考慮套管屈服后的力學(xué)特性。套管應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度后，進(jìn)入塑性變形階段。依據(jù)線性強(qiáng)化彈塑性模型，對于合金鋼等強(qiáng)化材料，可用2段折線近似實(shí)際的拉伸曲線，應(yīng)力￣應(yīng)變關(guān)系為σ=Eε（ε≤εs）σs+El（ε-εs）（ε＞εss）式中：σ為套管所受應(yīng)力，MPa；σs為套管屈服強(qiáng)度，MPa；E為線彈性階段彈性模量，MPa；El為強(qiáng)化階段彈性模量，MPa；ε為套管應(yīng)變；εs為套管屈服時的應(yīng)變。
模型中，材料強(qiáng)化階段彈性模量取線彈性階段彈性模量的0.01倍，模型采用壁厚7.72mm的P110套管，彈性模量208GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度758MPa。水泥環(huán)和滑移面附近井眼圍巖在剪切套管中也會發(fā)生部分破壞，依據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則判斷水泥環(huán)和巖石的破壞程度。水泥環(huán)和底標(biāo)志層巖石參數(shù)設(shè)定如表所示。
封固與不封固模型的差別，僅在于套管和井壁巖石之間的水泥環(huán)。有限元計算結(jié)果表明，水泥環(huán)在剪切套損過程中，對套管和地層應(yīng)力分布及變形有很大影響。設(shè)定地層滑移量為0~60mm。通過有限元計算，可以得出2種模型下地層剪切套管過程中套管、水泥環(huán)和地層的受力與變形情況。
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