固井缺陷对在役磨损套管抗内压强度的影响及风险评估

套管磨损和固井缺陷是钻井过程中必然存在的现象，目前深井、超深井、定向井和水平井钻井作业越来越多，套管磨损和固井缺陷问题尤为突出。关于磨损套管的强度研究，主要是集中在抗外压挤毁方面，而抗内压爆裂相对较少，研究固井缺陷对磨损套管的抗内压强度的影响更少。本研究在现场调研的基础上，应用相似理论建立相似模型和相似准则，通过磨损套管的抗内压实验与弹性塑性有限元分析相结合，研究固井缺陷对磨损套管抗内压强度的影响。将固体力学理论与磨损套管实验结果、有限元分析结果相结合，建立预测磨损套管抗内压强度的关系模型，应用可靠性理论评估在役磨损套管的风险性，为合理制定井控措施提供科学依据。磨损套管在水泥环缺失下工作的弹塑性力学实验和分析具有理论价值，磨损套管的抗内压强度预测有助于风险防范，必将产生显著的经济和社会效益。

在石油矿场上油井中的每一层套管柱一般存在上部无水泥环支撑段和下部有水泥环支撑段，井控措施能否安全实施，均与这两部分套管的抗内压爆破强度有关，正确预测有、无水泥环支撑时套管的抗内压爆破强度，对全面认识套管柱的安全性和合理设计井控措施极其重要。. 在本项目研究中，改进了磨损套管试验装置，实验研究了模型套管在有、无水泥环支撑下外壁处周向应力应变随内压变化的关系。对套管-水泥环-地层完备系统，研究了平面应变轴对称问题的弹性力学理论。对模型和原型套管进行了有限元分析，重点研究原型套管。在无水泥环支撑下，研究了磨损套管爆破时最大MISES应力点的周向角，非均匀磨损区域大小对套管抗内压爆破强度的影响。在有水泥环支撑下，针对磨损套管-水泥环-地层系统、套管-水泥环局部缺失-地层系统和磨损套管-水泥环局部缺失-地层系统，进行了套管抗内压爆破强度的有限元分析。根据ANSYS分析结果，建立了预测抗内压爆破强度的关系模型，并将关系模型转化为功能函数，采用蒙特卡罗模拟法实现了对在役磨损套管的风险评估。主要研究成果和结论如下：. （1）在分析磨损套管的抗内压爆破强度时，可以将非均匀磨损处理为均匀磨损，建立了预测磨损套管抗内压爆破强度的修正公式。. （2）建立了套管-水泥环-地层完备系统的弹性理论，为合理组合套管和水泥石材料的力学性能提供了快捷分析方法，也为有限元分析结果提供佐证。. （3）水泥环一旦出现微小的缺失，磨损套管的抗内压爆破强度急剧下降。当水泥环缺失大约56度，在相同套管磨损量和地层围压下磨损套管的抗内压爆破强最小，并随地层围压增加而减小。. （4）当水泥环缺失大约30度，不同围压下无磨损套管的抗内压爆破强度基本相同，其大小与无水泥环支撑时相同。. （5）在不同围压下，对无磨损套管，水泥环缺失大于140度后套管的抗内压爆破强与无水泥环支撑时相同；对有磨损套管，水泥环缺失量在180度后套管的抗内压爆破强与无水泥环支撑时相同。. （6）建立了有、无水泥环支撑时磨损套管的抗内压爆破强度预测关系模型和风险评估模型，采用蒙特卡罗模拟法实现了对在役磨损套管的风险评估。. （7）已在核心期刊和学术会议上发表相关论文4篇。