第 1 章 绪 论
1.1 工程背景及研究意义
油气井井筒是由套管、水泥环或环空流体、井壁及附属工具组成的地下结构。井筒在钻井时用于封隔复杂地层，在生产时提供油气流通通道，同时也是井控的重要部件。井筒完整性是指井筒在整个服役周期内(包括钻井、完井、生产和改造等)完成其规定功能的特性。在油气井整个服役周期内，井筒要受到地质、工程和管理等因素的影响，井筒的技术状况会逐渐恶化，甚至出现井筒失效(井筒完整性失效)。井筒失效将影响油气井顺利钻进、井下作业和正常生产，造成油田经济损失、资源浪费，严重时会造成环境污染乃至危及生命安全。井筒失效问题在世界各地油田中普遍存在。例如，港西油田套管损坏井的比例已超过 40%；长庆樊家油田投产 13 年，套管损坏井的比例已达到 34%；大庆油田套管损坏井的数量逐年增加，累计超过了 8000 口[1]；塔里木油田高压气井完整性失效率为 29.8%，单井治理费约为 2000 万[2]；北海 Ekofisk 油田已有 50%的油气井出现套管损坏；俄罗斯的阪长达勒威油田有 30%的油水井因套管损坏而停产；2002~2005 年，英国大陆架上 10%的油气井被迫关闭，83%的生产井由于老化而存在不同程度的完整性问题[3]；2006 年，挪威石油安全局公布 7 个油田完整性检查报告，表明 18%的生产井和注入井存在完整性失效的问题，7%的生产井被迫关井停产[4]；2010 年 4 月 20 日，墨西哥湾深水地平线钻井平台的 Macondo 油井发生井喷，造成 11 人丧生，火灾持续 36 小时，漏油持续 87 天，被定为“美国国家级灾难”，BP 公司赔偿超过 1000 亿美元，水泥环失效是事故发生的重要原因[5-6]。油气井的产量和完整性是当今石油行业面临的最关键问题。近年来，随着深井超深井、高温高压井、海上油气井的增多与石油行业 HSE 观念的深化，井筒完整性越来越受到石油公司和政府的重视。另外，在老油田中，延长油气井服役年限与井筒老化的矛盾日趋突出，很多油田存在井筒失效问题。总之，无论新井还是老井都会存在井筒完整性问题。井筒完整性研究可以使油气井适用性、安全性及经济效益最大化，对于经济有效地开发油气资源、保护环境和保障人员安全具有重要意义。所以，油田经营者和石油服务公司都致力于井筒完整性研究[7]。
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1.2 国内外研究现状
结构完整性是关系到结构安全使用、使用费用和功能的强度、刚度、损伤容限及耐久性等所要求的结构特性的总称[8]。结构完整性研究内容包括检测、评价、剩余寿命预测、力学分析、失效分析和补救措施。油气井是一种经济效益高、潜在风险大的油气勘探开发的结构系统。受油价、EOR 技术等因素驱使，很多油气井超期服役，老化造成的完整性问题备受关注。同时，新井也面临着完整性失效的风险。根据挪威石油标准化组织制定的 NORSOK D-010《钻井和作业的油气井完整性》[9]，油气井完整性的定义为：采用技术的、操作的和管理的等方法，降低在油气井生命周期内地层流体失控流动的风险。它提出和强调了井屏障系统的概念，把井屏障系统分为初级井屏障系统和二级井屏障系统，如图 1.1 所示。初级井屏障系统主要由油管、封隔器和采油树等组成，是控制地层流体的第一道防线。二级井屏障系统主要由不同层次的套管和水泥环等组成，是控制地层流体的第二道防线。常见的油气井完整性问题主要包括：完井管柱泄露、环空增压、套管损坏、水泥环密封失效、井口移动、采油树和安全元件泄露等[10-11]。油气井完整性技术就是通过对钻井、完井和生产等过程中风险因素的识别、评价和控制，确保油气井的安全性和适用性。油气井完整性管理(WIM)给油气井带来了巨大的好处，它降低了油气井失效率和延长了油气井寿命，如图 1.2 所示[10]。
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第 2 章 弹性地层载荷作用下定向井筒力学分析
当前套管设计标准(如 API、ΓOCT 和 SY/T)虽然经过一系列修订[157-158]，但是采用此标准设计的套管仍然存在大量失效。现有套管设计方法仅考虑了流体内压与外压、套管浮重和蠕变地层的均匀载荷等，尚没有考虑弹性地层的非均匀载荷。在复杂的地质环境和强烈的工程活动中，地层会出现变形和地应力变化，进而对井筒产生非均匀的挤压作用[31,60]。井筒受弹性地层载荷(或称地应力、地应力变化)作用的主要情形包括：(1) 在构造运动活跃区块中，地层出现现代构造应力(已被地震和应力测量证实)，它将作用到井筒上[159]；(2) 油田工程活动如采油、注水和压裂等引起地应力变化，它将对井筒产生力学作用[160-161]。非均匀地应力是造成井筒失效的重要因素之一[162]。一些学者已经对该问题进行了探讨，通常采用弹性力学或数值模拟的方法，分析了地应力作用下井筒力学状态。但是，当前研究仍然存在以下两点不足：(1) 研究大多针对直井井筒，忽略了定向井筒；(2) 采用单一的分析方法，对研究结果缺少验证。针对当前研究的不足，本章把三维地应力和井眼轨道等纳入考虑因素，采用弹性力学方法，推导地应力作用下直井井筒和定向井筒力学分析的解析式；然后，利用数值模拟对解析解进行对比分析与验证；最后，把该解析解应用于某气田，分析地应力作用下定向井筒的力学状态，并评价井筒完整性。
2.1 直井井筒力学计算
在套管下入油气井后，经过注水泥固井作业，套管、水泥环和地层形成了一个组合的井筒结构。直井井筒承载的地应力可以用水平最大地应力(变化)σH和水平最小地应力(变化)σh表示，套管内壁受井内流体压力 p1作用。在直井中，井筒与水平地应力方向垂直，而且轴向位移近似为零，根据弹性力学理论，该力学问题可以简化为平面应变问题[48]。为了便于计算，作出以下假设：(1) 井眼是规则的圆形；(2) 套管在井眼中居中；(3) 套管和水泥环均无缺陷；(4) 套管、水泥环和地层均为各向同性的弹性材料；(5) 套管、水泥环和地层之间没有相对滑动。建立地应力作用下直井井筒的力学模型，如图 2.1 所示。套管内半径、套管外半径(水泥环内半径)、水泥环外半径(井眼半径)和围岩(井眼周围的地层)外半径依次记作 a、b、c、d。采用弹性力学符号约定，拉应力为正，压应力为负。
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2.2 定向井筒力学计算
地应力作用下直井井筒力学分析可以被简化为平面应变问题进行求解。然而，在定向井中，井轴方向与水平地应力平面不再垂直，定向井筒将在三维地应力空间内变化。目前，国内外尚无分析地应力作用下定向井筒力学状态的解析解[53]。针对地应力作用下定向井筒力学分析的难题，采用坐标变换和弹性力学等方法，推导定向井筒力学分析的近似解析解。对于定向井筒，由于井筒轴向长度远大于横向尺寸，该问题可以近似为广义平面应变问题。于是，可以忽略井眼坐标系下地应力张量中与 z 方向有关的地应力分量。还考虑了套管内壁承受井内流体压力 p1。则建立了地应力作用下定向井筒的广义平面应变力学模型，如图 2.5 所示。
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第 3 章 蠕变地层定向井筒的力学行为与完整性评价.............. 51
3.1 盐膏层蠕变特性 ...... 51
3.2 盐下定向井筒演变过程的数值模拟方法 .......... 53
3.2.1 建模步骤 ....... 53
3.2.2 建模坐标系 .............. 58
3.2.3 有限元模型 .............. 60
3.3 盐下定向井筒力学行为预测 ........ 61
3.4 盐下含工程缺陷井筒完整性评价 ........... 70
3.5 本章小结 ....... 80
第 4 章 穿越断层定向井筒的力学分析与完整性评价.............. 82
4.1 穿越断层定向井筒有限元模型 .... 82
4.2 穿越断层定向井筒力学分析与完整性评价 ...... 87
4.3 穿越断层定向井筒完整性设计控制方法 .......... 9
4.4 本章小结 ....... 96
第 5 章 水平井压裂工况下环空增压预测分析.... 97
5.1 环空增压计算模型 ............. 98
5.2 水平井筒温度分布 ............. 99
5.3 环空体积变化计算............ 101
5.4 环空增压改进算法 ........... 105
5.5 应用与分析 ............ 106
5.6 本章小结 ..... 112
第 5 章 水平井压裂工况下环空增压预测分析
在高温高压井中，环空温度升高通常会引起较大的环空压力增大，这一现象被称为环空带压或环空增压。现有的环空增压预测方法不适宜分析生产套管与井壁之间的环空增压问题；没有考虑井筒的温度分布；没有考虑流体的热力学参数随温度变化等。随着水平井压裂工况的增多，有必要具体地研究该工况下环空增压的预测问题。本章将综合考虑水平井筒的温度分布、热弹性变形及流体的热力学参数随温度变化等因素，建立水平井生产套管的环空增压预测模型；应用于页岩气水平井，分析压裂工况下环空增压的规律和套管的极端载荷。针对水平井压裂工况，提出了水平井生产套管环空增压的预测方法和改进算法，预测的流程图如图 5.1 所示。#p#分页标题#e#
5.1 环空增压计算模型
环空压力变化量由三部分组成：流体热膨胀所致压力、环空体积变化所致压力和流体流入或流出所致压力。这三部分对环空压力变化量的影响不同，流体热膨胀所致压力占主导地位；环空体积增大会降低环空压力；在密闭环空中，流体流入或流出所致压力等于零。在环空增压问题上，一般认为油管-套管、套管-套管或套管-井壁之间的环空是密闭的。把环空温度变化、体积变化和流体的热力学参数等代入式(5.5)，即可求解环空增压。对于钻井过程，当钻井液循环时，井筒与围岩温度较低；当停止循环时，围岩远处热量不断向井筒周围聚集，使得井筒与围岩温度逐渐升高[209-210]。同理，对于水平井压裂过程，压裂液的注入和停注也会引起井筒与围岩温度变化。获得井筒与围岩温度分布是预测环空增压的前提条件。为了建立井筒温度场及环空增压的计算模型，作出以下假设：(1) 水平段固井质量差或压裂施工等造成了套管外存在局部环空；(2) 在水平段中，井筒与围岩温度沿着井轴呈轴对称分布(在近井地带忽略地温梯度)；(3) 套管内壁和围岩外边缘为定温边界，压裂后环空流体是密闭的，不考虑对流换热，套管、环空和围岩之间属于热传导；(4) 生产套管内压和围岩外边缘地应力是恒定的。
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结论
本文通过对弹性地层载荷、地层蠕变、断层错动和水力压裂等不同工况下定向井筒的力学分析和完整性评价研究，得到了以下主要结论：
(1) 弹性地层载荷作用下定向井筒力学问题的解析解考虑了三维地应力、井眼轨道和流体压力等因素的影响，且与数值模拟结果基本吻合。
(2) 弹性地层载荷作用下水泥环和套管的载荷包括外挤压力和剪切力，水泥环最大外挤压力位于水平最大地应力方位，套管最大外挤压力位于水平最小地应力方位，套管容易从水平最小地应力方位发生屈服。
(3) 综合利用加载方式、单元生死、表面效应单元等数值模拟技术，提出了蠕变地层定向井筒演变过程的数值模拟方法，包括初始地层、钻进、固井、完井和生产等五个演变过程，能够较全面地预测蠕变地层定向井筒的力学行为。
(4) 蠕变地层中理想井筒的外挤压力和等效应力随着时间先急剧增大，后缓慢增大，最终趋于稳定。在蠕变稳定后，水泥环外挤压力约等于上覆岩层压力，套管外挤压力略小于上覆岩层压力，而大于依据设计标准的计算值。
(5) 蠕变地层中含工程缺陷井筒的失效机理是地层蠕变作用到含缺陷的井筒上，引起了井筒应力集中和非对称变形；应采用相适应的井筒完整性评价方法。除了采用高钢级、厚壁套管之外，本文提出了增大环空压力和套管内压、使用套管内支撑工具等新的设计控制方法。
(6) 所建立的穿越断层定向井筒非线性接触模型，可用于分析穿越断层定向井筒的力学行为。在断层面附近约-2.0~2.0 m 范围内，套管轴向应力和应变的变化剧烈，极大值出现在断层面附近约±0.5 m 的位置，而非断层面上；断层面附近套管左侧和右侧、上侧和下侧的拉压状态发生改变。在断层面附近上侧、下侧及两翼的位置出现了套管应力集中，套管最大等效应力随着断层位错量的增加而增大。在断层面附近采用低弹性模量水泥甚至不固井，以及降低定向井与断层面之间穿越角，可望提高井筒完整性。(7) 综合考虑了水平井筒的温度分布、热弹性变形以及流体热膨胀系数与压缩系数变化等诸多因素的影响，建立了水平井生产套管环空增压的预测模型。在水平井压裂工况下，生产套管的环空增压随着井温升高而呈二次多项式关系增长。生产套管的极端载荷包括压裂液在环空内形成的圈闭压力和压裂后环空增压。
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参考文献（略）
