考虑水泥环完整性的油气井最大允许井口压力计算方法
发布时间：2021-04-04 02:36
在最大允许井口压力计算方法中考虑水泥环的完整性,以厚壁圆筒的弹塑性分析理论为基础,建立了套管-水泥环-地层组合体力学模型,将（内层）水泥环内壁发生破坏作为环空允许带压的限制条件。基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算了某实例井各环空的最大允许井口压力,并将其结果与采用API RP 90标准推荐做法的计算结果进行了对比。计算结果表明:如果环空带压值增大,对于套管-水泥环-地层组合体而言,垂深最深与最浅处的水泥环内壁将最有可能率先发生破坏;采用本文方法的计算结果有可能会小于依据API RP 90标准的计算结果,依据API RP 90标准计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为17.04MPa和6.39MPa,而采用本文方法计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为15.1MPa和17.5MPa。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
弹塑性状态下的厚壁圆筒Fig.2Thickcylinderunderelastic-plasticstate
獠闼?嗷吩诮唤绱Φ木断蛭灰品至?相等；④外层水泥环与地层在交界处的径向位移分量相等；⑤内层水泥环内壁发生屈服的关系式。该问题同样可以取得唯一解。另外，在应用Drucker-Prager破坏准则的组合体力学分析中，需对非线性方程组进行数值求解，Newton-Raphson方法[21]被证明是有效的。4实例计算以海上某常规气井为例，本文将首先依据现应用较广泛的APIRP90标准推荐做法[2]计算其各环空的MAWOP，再根据本文所提出的考虑水泥环完整性的方法计算MAWOP。海上某气井的各个环空如图5所示。该井的隔水导管外径为609.6mm，壁厚为25.4mm，钢级为X52，采用锤入法下入。由于C环空不能实现密封，因此本文仅计算A、B环空的MAWOP。4.1采用APIRP90标准的推荐做法计算MAWOP对于内层环空与最外层环空的最大允许井口压力，APIRP90标准的推荐计算方法如表2、表3所示(其中，MCP表示最小抗外挤强度，MIYP表示最小抗内压强度)。表2APIRP90推荐内层环空最大允许井口压力的计算方法Tab.2MAWOPcalculationmethodrecommendedinAPIRP90fortheinnerannulus内层管柱MCP的75%(75%MCPoftheinnerpipebody)向外第一层套管MIYP的50%(50%MIYPoftheoutercasing)向外第二层套管MIYP的80%(80%MIYPofthenextoutercasing)最大允许井口压力(MAWOP)ABCmin(A,B,C)表3APIRP90推荐最外层环空最大允许井口压力的计算方法Tab.3MAWOPcalculationmethodrecommendedinAPIRP90forthelastouterannulus内层管柱MCP的75%(75%MCPoftheinnerpipebody)外层套管
。如果B环空存在带压现象则会对339.7mm套管外的水泥环产生影响。同理，将水泥环分为两个部分：①泥面至609.6mm隔水导管鞋，即垂深148.8m~218.6m；②609.6mm隔水导管鞋以下至1.90g/cm3固井水泥浆返高以上，即垂深218.6m~1335.9m。首先以垂深1459.2m~2878.4m为例，考虑244.5mm套管外水泥环的完整性，采用套管-水泥环-地层组合体力学分析模型，将水泥环内壁发生破坏作为A环空允许带压的限制条件。基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算MAWOP与垂深的关系如图6所示。本文计算中，地层围岩外径均取为100m；假设A、B环空均充满液体；444.5mm井眼完钻钻井液密度为1.10g/cm3，311.1mm井眼完钻钻井液密度为1.24g/cm3；完井液密度为1.12g/cm3；其他计算条件如表5所示(其中，UTS表示单轴抗拉强度，EDH表示水平地应力当量密度)。由图6可以看出，假设A环空带压值逐渐增大，如果采用Drucker-Prager准则进行判定，首先受到破坏的将是垂深最深处的水泥环内壁；而如果采用拉伸破坏准则，最先被破坏的将是垂深最浅处的水泥环内壁。由此可见，对于一定组成形式的套管-水泥环-地层组合体而言，随着环空带压值增大，垂深最深与最浅处的水泥环内壁将成为较薄弱的两处。图6基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算A环空的最大允许井口压力Fig.6MAWOPprofilesofannulusAaccordingtoDrucker-Pragerandtensilefailurecriterion将以上结论推广应用，采用如表5所示的计算条件，可求得A环空MAWOP为15.1MPa，计算过程见表6。该值小于依据APIRP90标准计算的结果，可见
【参考文献】：
期刊论文
[1]油气井环空允许带压值的计算方法探讨[J]. 何汉平. 钻采工艺. 2018(04)
[2]基于德鲁克-普拉格屈服准则的岩溶顶板安全厚度计算方法[J]. 周帅. 公路工程. 2017(04)
[3]气井环空带压临界控制值研究[J]. 张智,周琛洋,王汉,刘志伟,何雨. 中国安全生产科学技术. 2017(07)
[4]气井环空带压对水泥环力学完整性的影响[J]. 张智,许红林,刘志伟,李巍,施太和. 西南石油大学学报(自然科学版). 2016(02)
[5]页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响[J]. 刘奎,王宴滨,高德利,李星君,张勇. 石油学报. 2016(03)
[6]Drucker-Prager准则参数有效性及第二主应力对强度的影响分析[J]. 张信贵,许胜才,严利娥,孔祥刚,易念平. 应用力学学报. 2015(05)
[7]连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算[J]. 初纬,沈吉云,杨云飞,李勇,高德利. 石油勘探与开发. 2015(03)
[8]水泥环力学完整性系统化评价方法[J]. 赵效锋,管志川,廖华林,吴彦先. 中国石油大学学报(自然科学版). 2014(04)
[9]考虑腐蚀的环空带压井生产套管安全评价[J]. 张智,黄熠,李炎军,张超,曾春珉. 西南石油大学学报(自然科学版). 2014(02)
本文编号：3117571
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
弹塑性状态下的厚壁圆筒Fig.2Thickcylinderunderelastic-plasticstate
獠闼?嗷吩诮唤绱Φ木断蛭灰品至?相等；④外层水泥环与地层在交界处的径向位移分量相等；⑤内层水泥环内壁发生屈服的关系式。该问题同样可以取得唯一解。另外，在应用Drucker-Prager破坏准则的组合体力学分析中，需对非线性方程组进行数值求解，Newton-Raphson方法[21]被证明是有效的。4实例计算以海上某常规气井为例，本文将首先依据现应用较广泛的APIRP90标准推荐做法[2]计算其各环空的MAWOP，再根据本文所提出的考虑水泥环完整性的方法计算MAWOP。海上某气井的各个环空如图5所示。该井的隔水导管外径为609.6mm，壁厚为25.4mm，钢级为X52，采用锤入法下入。由于C环空不能实现密封，因此本文仅计算A、B环空的MAWOP。4.1采用APIRP90标准的推荐做法计算MAWOP对于内层环空与最外层环空的最大允许井口压力，APIRP90标准的推荐计算方法如表2、表3所示(其中，MCP表示最小抗外挤强度，MIYP表示最小抗内压强度)。表2APIRP90推荐内层环空最大允许井口压力的计算方法Tab.2MAWOPcalculationmethodrecommendedinAPIRP90fortheinnerannulus内层管柱MCP的75%(75%MCPoftheinnerpipebody)向外第一层套管MIYP的50%(50%MIYPoftheoutercasing)向外第二层套管MIYP的80%(80%MIYPofthenextoutercasing)最大允许井口压力(MAWOP)ABCmin(A,B,C)表3APIRP90推荐最外层环空最大允许井口压力的计算方法Tab.3MAWOPcalculationmethodrecommendedinAPIRP90forthelastouterannulus内层管柱MCP的75%(75%MCPoftheinnerpipebody)外层套管
。如果B环空存在带压现象则会对339.7mm套管外的水泥环产生影响。同理，将水泥环分为两个部分：①泥面至609.6mm隔水导管鞋，即垂深148.8m~218.6m；②609.6mm隔水导管鞋以下至1.90g/cm3固井水泥浆返高以上，即垂深218.6m~1335.9m。首先以垂深1459.2m~2878.4m为例，考虑244.5mm套管外水泥环的完整性，采用套管-水泥环-地层组合体力学分析模型，将水泥环内壁发生破坏作为A环空允许带压的限制条件。基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算MAWOP与垂深的关系如图6所示。本文计算中，地层围岩外径均取为100m；假设A、B环空均充满液体；444.5mm井眼完钻钻井液密度为1.10g/cm3，311.1mm井眼完钻钻井液密度为1.24g/cm3；完井液密度为1.12g/cm3；其他计算条件如表5所示(其中，UTS表示单轴抗拉强度，EDH表示水平地应力当量密度)。由图6可以看出，假设A环空带压值逐渐增大，如果采用Drucker-Prager准则进行判定，首先受到破坏的将是垂深最深处的水泥环内壁；而如果采用拉伸破坏准则，最先被破坏的将是垂深最浅处的水泥环内壁。由此可见，对于一定组成形式的套管-水泥环-地层组合体而言，随着环空带压值增大，垂深最深与最浅处的水泥环内壁将成为较薄弱的两处。图6基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算A环空的最大允许井口压力Fig.6MAWOPprofilesofannulusAaccordingtoDrucker-Pragerandtensilefailurecriterion将以上结论推广应用，采用如表5所示的计算条件，可求得A环空MAWOP为15.1MPa，计算过程见表6。该值小于依据APIRP90标准计算的结果，可见
【参考文献】：
期刊论文
[1]油气井环空允许带压值的计算方法探讨[J]. 何汉平. 钻采工艺. 2018(04)
[2]基于德鲁克-普拉格屈服准则的岩溶顶板安全厚度计算方法[J]. 周帅. 公路工程. 2017(04)
[3]气井环空带压临界控制值研究[J]. 张智,周琛洋,王汉,刘志伟,何雨. 中国安全生产科学技术. 2017(07)
[4]气井环空带压对水泥环力学完整性的影响[J]. 张智,许红林,刘志伟,李巍,施太和. 西南石油大学学报(自然科学版). 2016(02)
[5]页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响[J]. 刘奎,王宴滨,高德利,李星君,张勇. 石油学报. 2016(03)
[6]Drucker-Prager准则参数有效性及第二主应力对强度的影响分析[J]. 张信贵,许胜才,严利娥,孔祥刚,易念平. 应用力学学报. 2015(05)
[7]连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算[J]. 初纬,沈吉云,杨云飞,李勇,高德利. 石油勘探与开发. 2015(03)
[8]水泥环力学完整性系统化评价方法[J]. 赵效锋,管志川,廖华林,吴彦先. 中国石油大学学报(自然科学版). 2014(04)
[9]考虑腐蚀的环空带压井生产套管安全评价[J]. 张智,黄熠,李炎军,张超,曾春珉. 西南石油大学学报(自然科学版). 2014(02)
本文编号：3117571
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