射孔对套管损坏的影响研究.docx
《射孔对套管损坏的影响研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射孔对套管损坏的影响研究.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
射孔对套管损坏的影响研究
1.1射孔对套管损坏的影响分析
1.1国内外油田射孔套管损坏现状
由于长期注水开发, 加之频繁的措施作业及井身结构、完井固井质量、套管材质及腐独等诸多因素的影响, 近几年, 各油田套管损坏速度呈直线上升趋势。
70年代以来，我国油田套管损坏十分严重。
据不完全统计，从1979年初到1983年底，全国套管损坏油气井数已达到3000多口。
到1991年底，全国套管损坏油气井数已超过4500口，1993年底已达10800多口。
近年来，套管的损坏在国外油田也呈上升趋势。
油、气井套管损坏，最早是在玉门油田发现的。
80年代前期，大庆、吉林、江汉等油田先后出现了不同程度的套管损坏。
80年代后期，华北、中原、胜利、青海、长庆、辽河、四川等油田也出现了不同程度的套管损坏。
90年代以来，上述大部分油田套管损坏呈直线上升趋势。
而且，我国西部的吐哈、塔里木等油田也出现了套管变形。
可见，我国多数油田都出现了严重的套管损坏，截至1994年，套管损坏并已达13500多口，给油气生产带来了严重的损失。
为什么我国各油田会出现如此多的套管损坏井呢？
不少油井建成不足1年的时间，有的刚建成1个月就出现了套管严重变形，甚至错断，被迫停产，这些问题值得从理论上和在实际工作中加以总结与研究。
而美国1989年的统计表明，过去10年中，每年美国钻井花费总额平均超过220亿美元，而用于套管的约35亿美元，占年平均开支的16%左右，在所有钻井项目中居第二。
套管的损坏严重妨碍了油田的正常生产，已成为目前国内外石油开采中的一个急需解决的重要问题。
1.2套管损坏的影响
当套管损坏井数达到一定数量后，就会给油田正常开发带来难以弥补的损失。
（1）导致注采井网层系布局越来越不合理
虽然多数套管损坏井尚能带病工作，但难以进行增产、增注措施，使开发方案的规划和实施常受井况限制。
（2）导致原油产量下降
套管损坏影响油田生产有三种情况：
①油水井套管损坏严重的关井停产；②套管损坏轻微的带病生产；③注水井套管损坏不能正常注水，影响油并生产。
（3）导致打更新井重新投资
某处于开发中期的油田采出程度只有 13.1%，但因套管损坏已正式报废的井达80口以上，为了稳产，每年需打调整井60口以上。
1.3射孔对套管强度影响
射孔是完井的重要工艺要求，但射孔对套管强度有很大影响.射孔时由于选择的射孔枪型与套管壁厚配合不当，或者由于套管材质的屈服强度和张力强度过高，套管往往被具有很高穿透力的射孔弹所撕裂或震裂。
通过对多口射孔井的调查表明，位于深孔段的套管，不论钢级如何，均有不同程度的损坏，这些损坏一部分是射孔本身所造成，另一部分是由于射孔后降低了套管的抗挤压强度而造成的。
射孔方式对射孔段套管损坏实践证明，射孔对套管有相当严重的影响。
在孔眼附近应力集中，会使套管发生明显破坏。
射孔引起的套管破损可分为两类：
一是由外挤力引起的射孔套管失稳；二是由轴向拉力和内压力引起的套管强度改变。
1.4研究意义
油水井套管损坏,破坏了完整的注采井网,地层压降逐渐加大,储量控制程度变差,影响了开发方案的继续实施和整体经济效益的提高。
因此套损井是制约油田稳产的一个关键问题。
油层套管是油水井的躯壳，是保持油水井正常生产的通道是进行各项井下工艺措施的依托，是维持油水井寿命的基本条件。
因此，科学的设计、合理的使用、精心的维护好套管，对延长油水井寿命，提高油田开发总体经济效益具有重要的显示意义和长远意义。
2套管射孔强度分析研究基本理论及方法
2.1套管研究类型确定
利用有限元分析软件—“ANSYS”着重分析研究了5½″套管：
钢级N80，壁厚为7.72和9.17；钢级P110，壁厚为9.17和10.54四种规格的套管，在下列三种情况下的内容：
（1）针对N80-7.72、N80-9.17、P110-9.17、P110-10.54三种规格套管的射孔段，分别以一种射孔参数组合，在不同外压条件下的应力场分析研究；
（2）以上四种规格套管，分别以不射孔、射孔和重炮射孔为研究对象，按照实验的加载方式建立模型，进行压屈服条件下的分析研究。
利用有限元分析软件—“ANSYS”对四种规范的套管，在不同的射孔状况和外界条件下，进行应力场分析，求解压屈服条件下套管强度降低情况，并建立仿真靶位进行射孔、重炮补孔，进行套管抗外挤压模拟实验，然后将理论计算结果与实验结果对比分析。
2.1分析研究的具体过程
2.1.1分析研究的基本理论依据
以弹塑性力学中的有限元法为基本理论依据，进行平面应力问题和平面应变问题研究，并采用有限元解法进行平面问题离散化、单元分析和整体分析。
平面问题离散化:
将复杂的弹塑性体看成是由无限个质点组成的连续体，并简化为有限个单元组成的集合体，实行平面问题离散化。
单元分析
1）求出单元节点位移和节点力之间的转换关系 =[K]
式中：
[K]=，[K]——转换矩阵，——单元节点位移，——节点力。
2）求单元应变转换式和单元应变力
单元应变力弹性方程：
应力应变转换式：
3）求单元节点力 =[B]tD
式中：
t——厚度；D=——三角形单元的面积。
4）单元刚度矩阵的性质和特性
物理意义：
单元刚度矩阵中每一个元素是一个刚度系数，它的物理意义是单位节点位移分量所引起的节点力分量。
对称性：
单元刚度矩阵是一个对称矩阵，也就是说，其元素之间有如下关系：
奇异矩阵：
单元刚度矩阵是奇异矩阵，其每行元素之和均为零。
其物理意义就是：
在无约束的条件下，单元可作刚体运动。
平面问题的整体分析
整体刚度矩阵中的子块应该是相关单元的单元刚度矩阵中相应子块的迭加。
它具有：
1）对称性：
利用对称性可以在电子计算机中只存储矩阵的上三角部分，从而可以节省近一半的存储量。
2）稀疏性：
整体刚度矩阵的绝大多数元素都是零。
整体网格分得越细，则[K]的稀疏性越突出，利用这特点可设法只存储非零元素，从而节省存储容量。
3）带形分布规律：
整体刚度矩阵的非零元素分布在以对角线为中心的带形区域内。
4）奇异矩阵：
整体刚度矩阵为奇异矩阵的物理意义就是，整体结构可在无约束的条件 下作刚体运动。
主应力计算表达式：
2.2数值模拟计算方法简介
采用大型有限元分析软件“ANSYS”，以实体建模的形式进行分析计算，得出射孔区最大应力值跟地层压力和射孔参数之间的关系曲线。
并应用曲线拟合的方法，最终得到了射孔影响系数K与射孔孔径d孔密q和相位w三者之间的关系式。
2.2.1建模及计算
以外压为10、15、20MPa时5½″套管射孔为例，介绍求解方法和步骤
表2-1 套管机械性能
钢级
杨氏模量Es（Pa）
剪切模量G（Pa）
泊松比u
屈服强度（MPa）
抗拉强度
（MPa）
最小
最大
N80
2.06E+11
78.5E+9
0.3
552
758
689
P110
2.06E+11
78.5E+9
0.3
758
965
862
载荷：
重力加速度：
g=9.8；外压：
10MPa、15MPa、20MPa；内压：
0MPa。
表2-2 5½"套管射孔参数
套管规格
枪型
孔径（mm）
孔密（孔/m）
相位（度）
N80-9.17
89-1
7.8
12
90
180
16
90
180
N80-9.17
Ws-60
7.5
12
90
180
16
90
180
N80-9.17
73-2
8.0
12
90
180
16
90
180
N80-7.72
89-1
7.8
16
90
P110-9.17
73-2
8.0
12
180
射孔区最大应力值及射孔强度影响系数分析结果如下：
表2-3 N80-9.17规格套管在外压10 MPa、内压0 MPa下统计表
外压（MPa）
孔边应力
最大值
（MPa）
孔径（mm）
相位
（度）
孔密
（孔/m）
不射孔应
力最大值（MPa）
降低
系数K
枪型
10.0
180.06
7.5
90
12
82.36
2.1863
Ws-60
184.11
7.8
90
12
2.2354
89-1
195.02
8.0
90
12
2.3679
73-2
181.17
7.5
180
12
2.1998
Ws-60
185.70
7.8
180
12
2.2548
89-1
197.67
8.0
180
12
2.4001
73-2
177.41
7.5
90
16
2.1542
Ws-60
190.25
7.8
90
16
2.3101
89-1
197.21
8.0
90
16
2.3945
73-2
189.34
7.5
180
16
2.2990
Ws-60
194.06
7.8
180
16
2.3563
89-1
202.68
8.0
180
16
2.4610
73-2
压力平均降低系数K=2.3016
表2-4 N80-9.17规格套管在外压15 MPa、内压0 MPa下统计表
外压
（MPa）
孔边应力
最大值（MPa）
孔径
（mm）
相位
（度）
孔密
（孔/m）
不射孔应力最大值（MPa）
降低
系数K
枪型
15.0
262.30
7.5
90
12
121.00
2.1678
Ws-60
268.91
7.8
90
12
2.2224
89-1
273.98
8.0
90
12
2.2643
73-2
265.37
7.5
180
12
2.1932
Ws-60
273.44
7.8
180
12
2.2599
89-1
283.16
8.0
180
12
2.3402
73-2
264.64
7.5
90
16
2.1871
Ws-60
271.56
7.8
90
16
2.2443
89-1
277.87
8.0
90
16
2.2965
73-2
277.10
7.5
180
16
2.2901
Ws-60
280.62
7.8
180
16
2.3192
89-1
295.51
8.0
180
16
2.4423
73-2
压力平均降低系数K=2.2689
表2-5 N80-9.17规格套管在外压20MPa、内压0MPa下统计表
外压
（MPa）
孔边应力
最大值（MPa）
孔径
（mm）
相位
（度）
孔密
（孔/m）
不射孔应力
最大值（MPa）
降低
系数K
枪型
20.0
357.68
7.5
90
12
165.00
2.1678
Ws-60
365.54
7.8
90
12
2.2154
89-1
372.29
8.0
90
12
2.2563
73-2
368.15
7.5
180
12
2.2312
Ws-60
374.84
7.8
180
12
2.2718
89-1
384.26
8.0
180
12
2.3289
73-2
359.71
7.5
90
16
2.1801
Ws-60
370.14
7.8
90
16
2.2433
89-1
377.17
8.0
90
16
2.2859
73-2
380.61
7.5
180
16
2.3067
Ws-60
386.56
7.8
180
16
2.3428
升级会员 