随着塔里木盆地、准噶尔盆地、四川盆地、渤海等多个油气田取得了重大油气发现，深层、新区、页岩油气等勘探开发力度逐渐加大，深井超深井、特殊结构和特殊工艺井、强酸/大排量高压力反复酸化压裂增产改造等工况条件日益复杂，套管柱失效频发，严重制约了油气田的正常生产[1-2]。70%以上的套管柱失效是由于前期的设计、选材和后期不恰当的工程作业及增产改造措施造成，如何在设计源头进行套管强度与井筒完整性设计，防止套管柱系统损坏，是套管柱优化设计面临的重要难题。根据套管在钻井、完井、生产等全生命周期中可能出现的各种极端工况进行套管载荷计算与强度分析，优化套管设计，可以有效避免复杂深井、高温高压井、非常规页岩气井、特殊工艺与特殊结构井等复杂工况套管柱失效问题。

 

国际上较为著名的 Landmark 软件的 2 个?？樘峁┝颂坠苤杓朴肭慷确治龉δ?，即WELLCAT 和 StressCheck[3-4]。它们提供了多种套管柱抗内压、外挤和抗拉的设计分析模型[6]，但是其设计分析能力仍无法满足套管柱全生命周期强度分析的要求。例如，无法对引起套损的影响因素如构造应力、层间滑动、蠕变、地层塑性流变和断层活动等进行针对性的力学分析。

 

国内开展了大量基于 CAE 技术的套管分析研究工作，但尚未形成基于 CAE 技术的套管设计分析软件。已经有大量的文献从不同角度应用大型有限元软件对套管变形、挤毁与磨损机理进行研究，进而为套管柱设计提供依据。例如，非均匀地下应力对套管强度的影响分析[7-8]；考虑岩层、水泥环和套管实际所处工况的套管系统力学模型[9-10]；射孔参数对套管应力的影响分析[13-14]；热采井套管承载力分析与套损机理[11-12]。

 

本文针对我国复杂油气田开发中的井筒完整性技术需求，从套管柱全生命周期服役工况和失效分析入手，建立了三维井眼套管柱动态下入过程仿真分析模型，实现了套管柱多工况载荷计算分析技术，建立了套管-水泥环-地层三维有限元模型，初步形成套管柱全生命周期设计分析软件。

 

2、套管柱全生命周期强度设计分析关键技术

（1）三维井眼套管柱动态下入过程仿真技术

在定向井、水平井及大位移井等油气井中，管柱下入过程中的应力状态变化是工程设计与作业中备受重视的因素，对套管下入能力分析和保证管柱作业安全有着重要的意义[13-15]。

 

管柱在弯曲井段中受力复杂，除受重力、弯曲应力、管柱内外流体压力外，还要承受浮力和摩擦力等力的作用。此外，管柱下入过程模拟分析还面临着管柱与井壁动态接触、管柱大位移、管柱结构几何非线性变形等情况，是管柱力学技术研究难点的综合体现。传统分析方法为避免计算过于困难，一般假定管柱已经下放到最终位置，再计算管柱的应力状态，无法获得管柱入井的动态过程。本研究假设管柱的初始状态在下入最终位置以上某处与井眼轨迹重合（管柱下放长度允许用户指定，可设置为 10~100 米），模拟管柱下入到最终位置的过程，同时为管柱其它工况分析提供初始状态。

 

三维井眼与管柱有限元模型如图 1 所示。该模型基于 ABAQUS 有限元平台，使用管单元 PIPE31 模拟井眼与管柱的几何结构与力学属性[16-17]。井眼的几何参数包括轨迹参数（由测深、井斜角、方位角组成）与井眼尺寸。假设井眼稳定，即井眼位移为零。管柱几何模型

的可变参数包括：管柱长度 L（包括各段长 Li）、壁厚 W、套管直径 D、钢级 G 等。

 

管柱所受外力包括管柱内压 Pint、外压 Pex、浮重 Fb和摩擦力 Pf、，为此开发了管柱接触属性、管柱内外流体压力与浮力加载接口，允许用户根据管柱不同工况设置管柱与井壁的接触属性、管柱内外流体压力与浮力系数沿管柱的分布形式。应用管中管接触技术（Edge-to-Edge）模拟管柱与井壁的相互接触作用。管柱的内外压力载荷和浮力系数通过

ABAQUS 的用户子程序 DLOAD 进行定义加载，并通过变量 JLTYP 区分载荷类型。当JLTYP==27 时定义管柱内压载荷；当 JLTYP==28 时定义管柱外压载荷；当 JLTYP==43 时定义管柱浮力载荷，浮力系数计算公式如下[18]。

 

 

 

其中，K_f表示浮力系数；Y_o 表示管柱外流体密度； r_o表示套管外半径； Y_i管柱内流

体密度；r_i 表示管柱内半径；Y_s 表示管柱钢材密度。

 

 

图 1 三维井眼与管柱有限元模型

 

该技术以接近套管柱真实力学行为的方式，实现了三维井眼套管柱下入过程动态模拟分析，为套管柱其它工况分析提供了初始状态。

 

（2）套管柱多工况分析技术

套管柱全生命周期中一般要承受不同工况载荷，需要采用不同的分析技术。每种工况由3 个分析步组成，第 1 步，模拟套管柱与井眼的初始接触；第 2 步，模拟套管柱下放过程；第 3 步，模拟套管柱在该工况下承受的载荷。由于套管柱载荷的多样性，需要针对不同工况采用不同的分析技术和设置相应的边界条件。例如，固井工况（如图 2 所示）分析可以采用静力学方法分析，假定套管悬挂处位置位移为 0，允许根据大钩实际载荷设置管柱上端点载荷；油套管泄漏工况（如图 3 所示）所示可以采用静力学方法分析，假定井下封隔器位置的位移为 0，管柱上端点载荷使用坐封时大钩载荷的实测值；套管柱匀速提升工况则需要采用动力学分析方法，套管柱匀速运动 60 秒后的轴向载荷。开发了套管柱强度分析的 14 种抗外挤校核载荷工况、23 种抗内压校核载荷工况和 6 种抗拉校核载荷工况，可以满足直井、定向井和水平井套管柱设计分析要求。

 

 

图 2 套管柱固井工况内外压力载荷示意图

 

 

图 3 油套管泄漏工况内外压力载荷示意图

 

套管柱抗外挤工况、抗内压工况和抗拉工况的分析方法与边界设置见表 1、表 2 与表 3。

 

表 1 套管柱抗外挤工况分析方法与边界设置

 

 

表 2 套管柱抗内压工况分析方法与边界设置

 

 

表 3 套管柱抗拉工况分析方法与边界设置

 

 

 

（3）套管-水泥环-地层系统分析技术

套管-水泥环-地层系统力学模型可以更准确地模拟套管实际工况，为此建立套管-水泥环-地层三维参数化分析模型（如图 4 所示），模型由上部地层、可能产生套损的活跃地层和下部地层，允许用户根据实际工况设置地层厚度与地层岩石力学属性参数，地层与套管柱倾角，垂向、水平最大和最小地应力和岩石上覆压力，以及水泥环力学属性。第一接触面与第二接触面的接触模型采用最大切应力失效准则，线性损伤演化规律，如图 5 所示。

 

 

图 4 套管-水泥环-地层系统参数化有限元模型

 

 

图 5 第一接触面与第二接触面的接触模型

 

针对塔里木油田山前高陡构造膏盐层经常发生套管变形问题，膏盐地层本构模型采用Drucker-Prager(广义 Mises 屈服准则)模型，应用上述模型对超深井套管受力进行分析。分析结果如图 6 所示，在上层硬质地质层内，套管内侧第二主应力方向出现最大应力区域，明显大于其他区域应力水准，外侧第一主应力方向上出现应力集中区域。在中部地层膏盐岩区域内，远离上下地层界面的位置上，出现相对高应力区域，这是由于远离上下地层的强约束区，故应力水准上升。套管柱倾斜工况下，膏盐岩地层塑性流动对套管柱形成剪切效应，套管与水泥环的剪切应力会显著提升，造成胶结面切向应力显著增大，影响胶结面的完整性。

 

 

图 6（a）套管外部 Mises 云图（b）套管内层 Mises 分布云图 （c）套管下部内侧应力分布

 

4、套管柱设计分析系统开发

开发了套管柱设计与分析系统，选择 ABAQUS 软件作为套管柱设计分析系统的开发平台，后台数据库选择 SQL Server，软件开发语言采用 Python。目前已经开发 4 大功能?？椋?36 个子?？椋ㄈ绫?4 所示）。图 7 为套管柱设计与分析系统界面。

 

表 4 深水套管柱设计与分析系统功能?？?/span>

 

 

 

l图 7 套管柱设计与分析系统界面

 

5、套管柱设计分析案例

三塘湖盆地某水平井套管柱下入分析。该开发井为水平井，井身结构如图 8 所示，斜深 2199.5m，垂深 1490.9m，水平段长 500m, 最大井斜角 90.57°。该井二开生产套管选用Φ139.7m 钢级 N80(壁厚 7.72mm)套管。强度分析结果表明（如图 9（a）所示），井口套管悬挂处应力最大，Mises 应力最大值为 79.1MPa；垂直段至造斜段处以及造斜段至水平段的过渡带均存在应力集中段，其中造斜段至水平段的摩擦力最大（如图 9（b）所示），存在套管下入困难风险。

 

 

图 8 三塘湖盆地某水平井井身结构

 

 

图 9（a）套管柱 Mises 应力分布图 图 9（b）套管柱摩擦力分布图

 

6、结论

实现了三维井眼套管柱下入过程模拟分析技术，该技术以井身结构、井眼测斜和管柱等数据为基础，自动生成三维井眼管柱有限元模型，可以对套管柱下入过程进行动态模拟分析，并为套管柱力学其它工况研究提供初始状态?？⒘颂坠苤慷确治龅?/span> 14 种抗外挤校核载荷工况、23 种抗内压校核载荷工况和 6 种抗拉校核载荷工况，可以满足直井、定向井和水平井套管柱设计分析要求。建立了套管-水泥环-地层三维参数化分析模型，允许用户根据实际工况设置套管、水泥环、地层岩石力学属性参数与第一、二界面接触属性，进行套损演变过程分析。初步形成油气井套管柱全生命周期设计分析软件。

 

资料来源：达索官方