交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响.pdf

断块油气田第3 0 卷第4 期FAULT-BLOCKOIL&GASFIELDdoi:10.6056/dkyqt202304022交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响2023年7 月敬俊1,单鸿斌1,祝效华1,孙汉文1,许尔跃2（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都6 10 50 0;2.中海油服墨西哥公司，墨西哥坎佩切州卡门6 6 550）基金项目：国家自然科学基金青年基金项目“复杂传热环境中海洋高温高压井井口抬升机理研究”(52 0 0 4 2 3 0)；四川省自然科学基金项目“深井遇卡钻具高温熔融快速解卡机理及其影响因素研究”(2 3 NSFSC2101)摘要水泥环缺陷可能诱导储气库井储层段套管在循环注采条件下发生失效。为了揭示水泥环缺陷对储气库井储层段套管完整性的影响，基于弹性力学理论，在储气库并极限压力条件下，考虑循环注采引起的井筒交变热载荷，建立了“套管-含缺陷水泥环-地层”有限元模型。结合中国北部某储气库井作业工况，分别研究在注气（压力50 MPa、温度3 0)和采气（压力2 8 MPa、温度16 0)条件下，水泥环缺陷形态及其几何参数对储气库井套管应力分布状态的影响规律。结果表明：水泥环点蚀缺陷的环向开度、轴向长度及纵向裂纹的环向开度对套管安全性影响明显；横向剪切错断和微环隙导致套管安全性明显降低，在高温采气生产时套管最大应力接近P110的屈服强度；储气库井注采周期中，下限压力因温度和围压的影响对储层段套管安全性影响更明显，危及储气库井注采过程的安全运行。研究结果可为由生产井改建、新建储气库井储层段套管的完整性提供判断依据。关键词储气库；含缺陷水泥环；套管安全性；极限压力；交变热载荷；井筒温度场中图分类号：TE822Impact of cement sheath defects on casing in the reservoir section of gas storage well(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;Abstract:Under the condition of continuous injection-production cycle,the casing in the reservoir section of gas storage well maybe induced to failure by cement sheath defects.In order to reveal the influence of cement sheath defects on the integrity of casing inreservoir section of gas storage wells,based on the theory of elastic mechanics and considering the wellbore alternating thermal loadcaused by injection-production cycle,the finite element models of casing-cement sheath with defects-formation under the limitpressure in gas storage wells are established.Combined with the operating conditions of a gas storage well in northern China,theinfluence law of cement sheath defects morphology and geometric parameters on casing stress distribution in gas storage wells isstudied under the conditions of gas injection pressure of 50 MPa with temperature of 30 C and gas production pressure of 28 MPa withtemperature of 160 C.The results show that circumferential opening angle and axial length of cement sheaths corrosion defects andthe circumferential opening angle of longitudinal crack have an obvious impact on the casing safety.Transverse shear and micro-cracks lead to a significant reduction in casing safety.It is close to the Pl10 yield strength in high temperature gas production.Andin the injection-production cycle of gas storage well,the effect of lower limit pressure on the casing safety of the reservoir section ismore obvious due to the influence of temperature and confining pressure,which endangers the safe operation of the gas storage wellduring the injection-production process.The research resultscan provide a judgment basis for the integrity of casing inreservoir section of gas storage wells reconstructed fromproduction wells or newly built.Key words:gas storage;cement sheath with defects;casingsafety;limit pressure;alternative thermal load;wellboretemperature field引用格式：敬俊，单鸿斌，祝效华，等.交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响 J.断块油气田，2 0 2 3,3 0（4）：6 8 5-6 9 1,6 9 7.JING Jun,SHAN Hongbin,ZHU Xiaohua,et al.Impact of cement sheath defects on casing in the reservoir section of gas storage well underalternating thermal loadJ.Fault-Block Oil&Gas Field,2023,30(4):685-691,697.文献标志码：Aunder alternating thermal loadJING Jun,SHAN Hongbin,ZHU Xiaohua,SUN Hanwen,XU Eryue?2.COSL Mexico S.A.DE C.V.,Carmen 66550,Mexico)收稿日期：2 0 2 3-0 1-12；改回日期：2 0 2 3-0 5-0 6。第一作者：敬俊，男，19 8 6 年生，副教授，2 0 16 年获西南石油大学机械工程博士学位，2 0 19 年重庆大学矿业工程博士后出站，主要从事钻井提速工具、基于“机-电-控”一体化的井下智能作业装备、井筒完整性及风险评价方面的研究工作。E-mail:。6860引言储气库井是把从天然气田采出的天然气重新注人地下加以储存,到消费高峰期采出以满足市场需求的一种储气设施 1-2 1。近年来，中国出现天然气供应紧张，暴露出储气调峰设施建设滞后等问题 3 ，储气库建设成为防范和化解天然气供需风险的必要选择 4 。与常规油气井不同，在运行期间储气库井受到极限压力（储气库井存在生产压力的上、下限)和交变载荷的影响 5-7 ,套管、水泥环和地层应力场不断改变，同时需要保证3050a正常运行 8 ,对安全运行方面要求极为严格。由生产井改建的储气库井因固井质量、油气生产、酸性气体等问题，水泥环易出现缺陷 9 。新建储气库井同样可能由于固井质量不高，出现偏心、环空带压等缺陷10 。水泥环作为套管的保护和支撑，其缺陷会极大影响套管的安全，缩短井筒寿命，引起井筒完整性失效，甚至导致天然气泄漏，是造成储气库井无法安全生产的关键因素之一，因此，研究储气库井极限压力条件下水泥环缺陷状态对储气库井储层段套管完整性的影响具有重要意义。对于常规油气井水泥环缺陷造成的套管损坏问题,已有学者进行了大量研究。Pattill 等 11建立了含缺陷水泥环-地层有限元模型，分析了水泥环缺陷面积对套管等效应力的影响；Mueller等 12 进行了水泥环与地层的耦合行为研究，分析了水泥环失效导致的层位隔离和套管持续压力损失等问题；邹阿七等 13 采用有限元方法，模拟了水泥环缺失角度对套管承载能力的影响;Kalil等 14 研究了水泥环完全缺失情况下套管的受力状态；Zhu15针对高温热采井水泥环缺陷导致套管承受非均匀载荷并引起套管失效的问题，建立了套管-含缺陷水泥环-地层耦合系统有限元计算模型；刘洋等 16 对交变压力下水泥环寿命及密封性能进行了研究；张智等 17 基于弹性力学多层厚壁圆筒理论和摩尔-库仑失效准则，建立了水泥环应力和失效计算模型；彭泉霖等 18 总结了目前国内外关于水泥环缺陷对套管强度影响的研究现状；窦益华等 19 分析了第一胶结面和第二胶结面水泥环缺失厚度对套管强度安全性的影响；练章华等 2 0 研究了水泥环缺失不同高度、缺失后套管与水泥环间隙大小及不同内压对套管受力的影响；席岩等 2 1 研究了在瞬态-力热耦合条件下水泥环缺失对套管应力的影响。然而，对于储气库井水泥环缺陷造成的套管损坏问题，目前还鲜有研究。本文基于弹性力学理论，建立储气库井极限压力条件下，考虑交变热载荷影响的套管安全评价模型和套断块油气田管-含缺陷水泥环-地层有限元模型，研究多种水泥环缺陷及其几何参数对储气库井储层段套管安全性的影响规律，为由生产井改建、新建的储气库井储层段套管的完整性提供判断依据，为储气库井完整性评价体系提供理论基础与支撑，从而对注采过程、运行参数、腔体稳定性进行精细化设计，避免储气库井安全事故发生。1考虑交变热载荷的套管安全评价模型基于弹性力学理论，考虑循环注采导致的温度和压力变化，建立储气库井储层段套管力学分析模型，采用Mises屈服准则和应力集中系数建立含水泥环缺陷的储气库井储层段套管安全评价模型1.1交变热载荷下套管计算模型考虑套管-水泥环-地层组合的温度和压力效应，对储气库井管柱力学模型作出以下假设：1)井筒为直井，套管、水泥环和地层均视为厚壁圆筒，厚度和强度保持不变，界面间完全胶结；2)套管、水泥环和地层各向同性;3)套管内压和地层围压均匀；4)井筒介质导热系数为常数。1.1.1井筒温度场储气库井在生产时，天然气沿生产管柱高速运动，流体与同一平面内的地层发生热量交换，产生温度差，引起井筒温度变化。储气库井循环注采过程中，井筒温度大幅变化，所以研究储气库井储层段套管应力变化规律前，需先确定储气库井井筒温度变化。将井筒分为无数微元段，根据能量守恒定律，得到微元段的能量表达式：2m=HtdH,mgh,+z+d:土mgh,2z+d+2式中：H为天然气的恰,J;m为流体质量,kg;g为重力加速度,m/s?;h为井筒深度,m;u为流体流速,m/s;Q为微元段损失热量，J；下标z为该微元段起始位置轴向坐标，dz为井筒微元段。流体流入生产管柱（油管）的热量Qim等于单位时间内流出微元段的热量Qout与热量的径向损失Qios之和。流体从井底沿生产管柱向井口轴向流动,则井筒微元段在单位时间内的损失热量为流体传向井壁的热量，也等于井壁向地层传递的热量，2mr.U,(T,-T.。)_2 mk,(T。-T.)Qo-式中：rp为油管外半径,mm;U.为井筒总传热系数,J/(sm.）;T,为油管内流体温度,;T。为井壁温度，;w为天然气质量流量,kg/s;ka为地层导热系数，J/(sm）;T a 为地层温度，;f(tp）为地层无因次时2023年7 月mUtd+Q2F(t)(1)(2)第3 0 卷第4 期间函数;t,为无因次时间。根据传热学模型、Ramey及Hasan改进的稳态传热过程中的瞬态传热函数 2 2-2 3 ,得到地层无因次时间函数：f(tp)=1.128Vt,(1-0.3Vtp)(tp)=(0.406 3+0.5ln tp)(1+0.6其中tp=入tTro式中：r。为水泥环外半径,m;入.为地层热扩散系数,ms;t为生产时间,s。单相流的压力梯度公式为2d式中:p为生产管柱流体压力,MPa;p为天然气密度，kg/m;为井斜角，（);f为油管管壁摩擦因数;d为生产管柱直径,m。储气库井注气时，天然气温度表示为dT,(T,-Ta)-%-dz储气库井采气时，天然气温度表示 2 4 为dT,-(T,-T.)+-C,dzdz2Tr.U,ka其中=-w(rp.U,f(tp)+hka)式中：C,为定压比热容,J/(kg);C,为焦耳-汤姆逊系数,/MPa;P,为注采压力,MPa。1.1.2套管力学分析模型根据弹性力学位移边界条件，可得套管、水泥环、地层在考虑温度和压力影响下的位移关系 2 5 套管外径位移等于水泥环内径位移，水泥环外径位移等于地层内径位移。其中,套管外径位移、水泥环内径位移、水泥环外径位移分别为压力效应产生的位移和温度效应产生的位移之和。因为地层温度不变，地层假设为无限大弹性体，所以温度效应产生的地层内径位移可以视为0,故地层内径位移仅为压力效应产生的位移。再利用平面拉梅物理方程，求解均匀地应力下套管的应力：22P:i-n27i-P;21a,=22T2-T12222T2-11敬俊，等.交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响(tp1.5)(3)(tp1.52.2dudzdzCd+du(6)22222T2-11.22(P;-n,)i/2 1222T2-T1687式中：,Q分别为套管径向、周向主应力,MPa;Pp,为套管内压,MPa;n,为套管与水泥环之间的接触力，MPa;T,为套管内半径,m;r为套管外半径,m;r为任意点半径,m。由于采用平面应力分析,轴向应变8=0,所以套管轴向主应力为g,=u(,+o。)-ET式中：,为套管轴向主应力,MPa;u为泊松比;E为弹性模量,MPa;为热膨胀系数，-;T为管柱变化温度,。1.2套管安全性评定指数参考GB/T196242019在用含缺陷压力容器安(4)全评定2 6 标准，塑性失效是储气库井储层段套管无法继续服役的主要原因。根据弹性力学理论，计算套管弹性阶段的等效应力。当套管等效应力超过材料屈服强度后，其无法承受更大载荷。Mises屈服准则的表达式为(5);=V(o,-0,)+(g。-g,)+(g,-g,式中：,为套管等效应力；Q为套管屈服强度。如果,。，套管处于弹性状态；否则,套管处于塑性状态，认为套管失效。由于承载缺少，水泥环缺陷处套管将出现应力集中现象，因此采用应力集中系数表示套管的应力变化程度 2 7 。计算出受交变热载荷影响的水泥环完整条件下的套管等效应力,和存在水泥环缺陷时的套管最大应力。，建立套管应力集中系数N的表达式：N=%采用该系数对比分析相同工况条件下，不同水泥环缺陷形态对套管安全性的影响。2套套管-含缺陷水泥环-地层有限元模型2.1建建立含水泥环缺陷的有限元模型根据GB/T196242019在用含缺陷压力容器安全评定 2 6 标准，将水泥环常见缺陷进行规则化处理。同时采用有限元软件，建立套管-含缺陷水泥环-地层的三维模型（见图1,其中pup为上覆岩层压力，Pw为地层围压）。假设地层半径为1m,套管长度为3 m，在模(7)型地面施加位移约束,考虑模型的对称性,取整个套管的1/2 为计算模型进行研究。具体计算条件如表1一表3所示。(8)o(9)V2(10)6883a模型示意图1有限元模型Fig.1 Finite element model表1套管物性参数Table 1Physical parameters of casing参数数值直径/mm177.8壁厚/mm9.19屈服强度/MPa758弹性模量/MPa206000膨胀系数/10-5-I1.21注：套管钢级为P110。表2 水泥环物性参数Table 2Physical parameters of cement sheath参数数值密度/(kgm)1380泊松比0.30弹性模量/MPa21 600膨胀系数/10-5-11.05比热容/(Jkg-l.-)865表3 地层物性参数Table 3Physical parameters of formation参数数值弹性模量/MPa31 400泊松比0.31比热容/(Jkgl.-)869地层深度/m4 000上覆岩层压力/MPa95.612.2模型验证为了确保数值计算结果的可靠性，利用上述公式建立与本文条件相同的数值计算模型。该模型考虑了储气库井循环注采时温度和压力变化对套管的影响，生产压力上、下限分别为2 8,50 MPa，注采时温度分别为3 0,16 0,其他参数见表1一表3,模型计算结果与数值仿真结果的对比见表4。本文计算完整井筒的套管等效应力与数值仿真结果基本相同，最大误差为断块油气田1mPup一地层Pw二水泥环套管导热系数/(J(sm)-)泊松比密度/(kgm)比热容/(Jkg.-1)参数导热系数/(J(sm)-)厚度/mm模型长度/m井眼直径/mm参数密度/kgm)膨胀系数/10-5-1导热系数/(J(sm)-)地层温度/地层围压/MPa2023年7 月5.2%，在工程允许误差范围内，证实了所建立的计算模型的可行性。表4 计算结果对比PTable 4.Comparison of calculated resultsP:/条件MPa注气150注气260b受力边界采气1采气23水泥环缺陷对套管安全性的影响中国北部某油田储气库井储层段井眼直径为参数数值10.40.298140451.5数值0.9193215.8数值2.4401.034.816041.230,/MPa模型计算数值仿真217.3228.1225.0237.320401.228383.4215.8mm，套管外径为17 7.8 mm，壁厚为9.19 mm,水泥环厚度为19 mm。某区块储气库井生产压力上、下限分别为2 8,50 MPa。注气时，温度3 0，注气量4 x104m/d，压力50 MPa；采气时，温度16 0，采气量8 x104m/d,压力2 8 MPa。储气库井生产周期通常为3 6 0 d,注采周期分别为18 0 d，即热载荷交变次数为2,具体计算数据见表1一表3。井筒温度场如图2 所示。040100020003.0004.000 LFig.2Wellbore temperature field of gas storage well3.1水泥环点蚀缺陷针对点蚀缺陷不同几何参数（径向深度、环向开度、轴向长度)对储气库井储层段套管最大应力和应力集中系数的影响规律进行敏感性研究。从图3、图4 可以看出，储气库井循环注采时，采气时的套管最大应力远大于注气。在注气和采气条件下，水泥环点蚀缺陷的几何参数变化对套管最大应力和应力集中系数的影响规律基本相同（见图3 a、图4a），注气和采气时图示颜色变化趋势相似。随着几何参数变化，点蚀缺陷的环向开度和轴向长度对套管最大应力和应力集中现象影响明显。以采气时为例，套管误差/%4.75.2389.73.0377.41.6温度/80一天然气温度（采气）一。套管温度（采气）一。地层温度。天然气温度（注气）一套管温度（注气）图2 储气库井井筒温度场120160第3 0 卷第4 期最大应力从4 2 7.7 MPa上升至4 9 0.4 MPa，图中应力颜色为“蓝色一绿色一黄色一红色”变化。而点蚀缺陷的径向深度对套管最大应力的影响极小，故对套管安全性影响较小,即使点蚀造成水泥环腐蚀穿孔，也并未对敬俊，等.交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响689套管最大应力有明显影响。因此，在工程实践中，当水泥环出现点蚀缺陷时，需重点关注点蚀缺陷的轴向长度和环向开度，防止点蚀面积扩散，避免套管出现塑性变形后失效损坏。u/155轴向长度/mm510152020环向开度/mma,/MPa490.451015N101.2995轴向长度/mm510427.7152020环向开度/mm51015-1.134a套管最大应力图3 采气时点蚀缺陷几何参数对套管安全性的影响规律Fig.3Influence law of geometrical parameter of corrosion defect on casing safety during gas productionb应力集中系数15a,/MPa295.8510NF1.2975轴向长度/mm551010152020环向开度/mm5244.6152020环向开度/mm1510-1.072a套管最大应力图4 注气时点蚀缺陷几何参数对套管安全性的影响规律Fig.4Influence law of geometrical parameter of corrosion defect on casing safety during gas injection3.2水泥环纵向裂纹水泥环受到交变热载荷或压力作用会产生裂隙，将其规则化为纵向裂纹缺陷后，针对不同几何参数（径向深度、环向开度、轴向长度）对套管最大应力和应力集中系数的影响规律进行敏感性研究。从图5、图6 可以看出，纵向裂纹的径向深度和轴向长度对套管最大应力和应力集中系数的影响较小。而随着环向开度变化，图示颜色从蓝色缓慢变为黄色，最终变为红色，可见环向开度对套管安全性的影响显著。水泥环轴向长度并不会恶化水泥环对套管的支撑情况，因此对套管最大应力和应力集中系数影响微乎其微。从套管受力角度出发，水泥环轴向长度的增加,并不会对套管安全性产生明显影响，而纵向裂纹环向开度变化导致的套管悬臂支撑效应加剧，应力集中现象更明显；因此，在工程实践中，当水泥环出现裂纹时，应多关注裂纹环向扩展情况，避免套管失效。b应力集中系数3.3水泥环横向剪切错断由图7 a可知，套管最大应力和应力集中系数随着轴向宽度呈线性递增，增加较快。套管最大应力为487.8MPa,应力集中系数最大为1.4 3，应力集中现象明显。水泥环的横向剪切错断使套管大面积失去水泥环的支撑保护，悬臂支撑效应加剧，极大地降低了套管安全性。同时可以看出，水泥环环向对套管的支撑保护作用远大于水泥环轴向对套管的支撑保护。3.4水泥环微环隙由图7 b可知，水泥环微环隙极大增加了套管最大应力。随着偏心距增大，套管最大应力基本保持不变，增加缓慢。套管最大应力为6 56.6 MPa，接近P110材料的屈服强度，应力集中系数一般在1.7 以上。这说明微环隙的偏心距对套管安全性影响较小，微环隙的产生会导致套管安全性大幅度下降。但与其他水泥环缺陷相比，微环隙导致套管最大应力变化最显著。微环隙的出现，导致水泥环密封失效，使得套管一侧完全失去水690泥环的支撑保护，套管极其容易损坏，并且可能出现泄露现象，应提高水泥环封固质量，保证良好密封性。综上所述，储气库井注采周期中，在下限压力时的套管应力明显大于上限压力时，采气时套管更容易存在安全隐患。这说明温度对套管应力影响很大，温度升断块油气田高，套管与水泥环受热膨胀，产生较大的热应力；同时围压和套管内压相互作用，产生应力抵消现象，且围压对井筒受力影响更明显，导致储气库井循环注采时采气对套管安全性的影响更大。因此，应多关注储气库井采气时的储层段套管状态，避免发生事故。2023年7 月1552环向开度/mm46810g,/MPa544.315001000500轴向长度/mmN1.4421052环向开度/mm46445.2810T5001000500轴向长度/m-1.180a套管最大应力图5采气时纵向裂纹几何参数对套管安全性的影响规律Fig.5Influence law of geometrical parameter of longitudinal crack on casing safety during gas productionb应力集中系数/1552环向开度/mm46810a套管最大应力图6 注气时纵向裂纹几何参数对套管安全性的影响规律Fig.6 Influence law of geometrical parameter of longitudinal crack on casing safety during gas injection50045040035030025004结论1)从水泥环缺陷几何参数变化可以看出，径向深度对套管承载保护能力影响较小，对套管强度影响不敏感；环向开度对套管承载保护影响最大，极大降低了a,/MPa361.015001000500轴向长度/mm(28 MPa)0,(50 MPa)N(28MPa)-N(50MPa)42轴向宽度/mma横向剪切错断图7 横向剪切错断轴向宽度、微环隙偏心距对套管安全性的影响规律Fig.7Influencelaw ofaxial widthoftransverse shearandeccentricity ofmicro-cracks on casing safety现塑性变形后失效损坏。2)从水泥环缺陷类型分析,在相同工况下,水泥环点蚀缺陷的环向开度和轴向长度对套管安全性影响明N101.58352环向开度/mm46245.5810b应力集中系数71.67001.56501.46001.35501.268T5001000g,(28 MPa)g,(50 MPa)N(28MPa)-.-N(50MPa)1.1500100套管安全性。因此，在实际工程中应多关注水泥环缺陷环向开度的扩展和蔓延，防止储气库井储层段套管出-1.07642偏心距/mmb微环隙2.52.32.11.91.71.568第3 0 卷第4 期显，径向深度对套管安全性影响极小；水泥环纵向裂纹的环向开度对套管安全性影响显著，径向深度和轴向长度对套管安全性影响较小；水泥环横向剪切错段极大降低了套管安全性；水泥环微环隙对储层段套管安全性的影响最大，套管最大应力达6 56.6 MPa，极有可能在高温工况下引发套管的塑性变形失效。3)储气库井注采周期中，在下限压力时的套管应力明显大于上限压力时，采气时套管更容易存在安全隐患。因此，应多关注储气库井采气时的储层段套管状态，避免发生事故。参考文献1王志战.枯竭砂岩气藏型储气库录井关键技术研究以文2 3 储气库为例 J.石油钻探技术，2 0 19,4 7(3：156-16 2.WANG Zhizhan.Key mud logging technologies for depleted sandstonegas storage:case study of the Wen 23 Gas StorageJJ.Petroleum DrllingTechniques,2019,47(3):156-162.2袁光杰，张弘，金根泰，等.我国地下储气库钻井完井技术现状与发展建议 J.石油钻探技术，2 0 2 0，4 8(3）：1-7.YUAN Guangjie,ZHANG Hong,JIN Gentai,et al.Current status anddevelopment suggestions in drilling and completion technology ofunderground gas storage in 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