（固体力学专业论文）套损井修复过程中修复力的确定及水泥环损伤机理研究.pdf

蔓塑堂修复过程中修复力的确定及水泥环损伤机理研究 摘要 套管损坏已经成为石油工程关注的热点问题之一，逐年上升的套损速度 严重影响了油田的生产。为避免钻更新井的高投入，工程上一般采用修复方 法使套损井重新恢复生产，因此，套损井的修复也已成为油田工程的重要任 务之。为避免由于修复工艺过程而造成的修复井窜槽、套管损伤等现象发 生，保证套损修复井能正常、长期工作，开展套损井修复过程中修复力的确 定和水泥环损伤机理的研究，对提高修井质量和提高套损井修复后再使用寿 命具有重要的理论意义和工程意义。 套损井修复过程中的修复力的确定及水泥环损伤是一个涉及弹塑性力 学、地质力学、材料力学和材料强度理论等多门学科和领域的复杂问题。现 场的测试资料及统计数据表明，修复后的部分套损井在较短时间内又出现r 再损坏问题，究其原因，一是水泥环的长段损坏，二是套管的过度损伤所至。 套损井修复过程是套管发生塑性变形且重新复位的过程，在套损部位及其附 近的套管发生了复杂的弹性和塑性变形，为减小修井工具对套管及水泥环的 损伤，工程实际迫切需要从理论上指导修井的工艺过程。围绕这一问题，针 对油田常用的碾压整形工艺过程，本文开展了以下几方面的工作： 1 通过分析调研，认识到套损井修复过程与套管的损坏形式有密切关系， 因此全面分析了套管的损坏形式、检测技术及其对修井工艺过程的影响。 2 根据碾压整形工艺特点，利用h e r t z 弹性接触理论求解套管的接触应 力，并提出了确定最小钻压的基本理论。 3 依据塑性极限分析方法的滑移线场理论，构造套损区和非套损区的应 力场，计算各处应力大小及水泥环损伤长度。 4 建立以套管为纤维，以水泥环和地层为复合材料基体的纤维一基体模 趔，分析水泥环损伤机理，为提高修井质量提供理论指导。 5 合理钻压、合理结构的整形工具对减小套损井修复过程的再损伤非常 重要，而提高水泥浆的性能是减小水泥环损伤的关键技术措施。 由于套损井修复后的再损坏会造成巨大的经济损失，因此，本论文的研 究为提高修井质量，提高修复井利用率提供了重要的理论依据。 关键词：套管损坏：碾压整形修复；h e r t z 弹性接触理论；套损井碾压整形的 尖楔单边受力模型；滑移线场理论；碾压整形的纤维一基体模型 套损井修复过程中修复力的确定及水泥环损伤机理研究 a b s t r a c t c a s i n gd a m a g eh a s b e c a m et h e h o to n eo fp r o b l e m st h a t p e t r o m l e u m e n g i n e e r i n gp a ya t t e n t i o nt o ，y e a rb yy e a rt h er i s eo fc a i n gd a m a g es p e e da f f e c t s t h ep r o d u c t i o no ft h eo i l - f i e l ds e r i o u s l y f o rs a v i n gt h eh i g he x p e n s e so f d r i l l i n g t h er e n e w a lw e l l ，t h er e p a i rf o rt h ec a s i n gd a m a g ew e l lh a v eb e c a m eo n eo ft h e i m p o r t a n tm i s s i o no ft h eo i l - f i e l de n g i n e e r i n g s f o ra v o i d i n gt h er e p a i r e dw e l l c h a n n e l i n g 、c a i n g d a m a g e f o rr e p a i r i n gc r a f tt a k i n gp l a c e ，g u a r a n t e e i n gt h ec a s i n g d a m a g e w e l l l r e p a i r e dc a n c a n w o r kn o e m a la n dl o n g e v o u s ，d e v e l o p i n gt h ec e m e n t l o o pd a m a g em e c h a n i s m i nt h ec a i n gd a m a g er e p a i r i n g p r o c e s sa n ds t u d y i n gt h e s t r u c t u r eo f c a s i n gd a m a g e a r e a ，t oi n c r e a s et 0f i xt h ew e l lq u a n t i t y ，h a v et h e i m p o r t a n t t h e o r i e sm e a n i n ga n dt h ee n g i n e e r i n gm e a n i n g c o n f o r m i n gt h em p a i n g i n gf o r c ea n dt h ec e m e n tl o o pd a m a g ei n t h er e p a i r i n g p r o g r e s si s ac o m p l i c a t e dp r o b l e mf o rt h em e c h a n i c so fe l a s t i ca n dp l a s t i c 、 g e o l o g ym e c h a n i c s 、r e p a i r i n g m a t e r i a lm e c h a n i c sa n dm a t e r i a ls t r e n g t ht h e o r ye t c s e v e r a lc o u r s e sa n dr e a l m t h et e s td a t a sa n dc o v a r i a n c ed a m so ft h ef i e l da n ds t a t e x p r e s s ：p a t so f c a i n gd a m a g e w e l lr e p a i r e da p p e a r sd a m a g ea g a i ni nas h o r tt i m e ， i n v e s t i g a t i n gi t sr e a s o n ，o n e i sc e m e n t l o o p f o ral o n g - t e r md a m a g e ，t w oi se x c e s s d a m a g eo fc a i n gp i p e t 1 1 er e p a i r i n gp r o c e s so fc a s i n gd a m a g e w e l li st h ep r o c e s s o fc a s i n g t a k i n gp l a c ec h a r a c t e rd i s t o r t i o na n da f r e s hr e p l a c e m e n t w h i l et h e c o m p l i c a t e de l a s t i c i t ya n d c h a r a c t e rd i s t o r t i o nt a k i n gp l a c ea tc a s i n gd a m a g ep a r t a n d n e i g h b o r i n gc a s i n g ，t om i n i s h i n g t h e d a m a g e f r o m r e p a i r i n g m a n s d a m n i f i c a t i o nt o c a s i n g a n dc e m e n tl o o p ，i ti sm u s tt od i r e c t i o nt h et e c h n i c s p r o c e s so fr e p a i r i n gw e l li nt h et h e o r y s u r r o u n d i n gt h i sp r o b l e m ，a i ma tt h e 鲥n d p r e s sa n dp l a s t i ct e c h n i c sp r o c e s sw h i c h o i lf i e l do f t e nr i s e t h et e x td e v e l o pt h e f o l l o w i n g w o r k ： 1 b ya n a l y z i n ga n ds t u d y i n g ，t a k ec o g n i z a n c eo ft h er e p a i r i n gp r o c e s s o f c a s t i n gd a m a g ew e l lh a v i n gc o n n e c t i o nw i t ht h ef o r mo fc a s i n gd a m a g e ，s ow e e n t i r e l ya n a l y s et h a t t h e s h a p eo fc a s i n gp i p e 、c h e c k i n gt e c h n o l o g ya n dt h e i n f e c t i o nt or e p a i r i n gw e l lt e c h n i c sp r o c e s s 2 a c c o r d i n gt og r i n dp r e s sp l a s t i c s k i l lc h a r a c t e r i s t i c ，u s i n gh e r t ze l a s t i c i t y c o n t i g u i t yt h e o r yt o s o l u d ec o n t i g u i t ys t r e s so fc a s i n gp i p ea n dp u tf o r w a r dt h e b a s i ct h e o r i e st oc e r t a i nt h el e a s td r i l l i n gp r e s s 3 a c c o r d i n gt ot h et h e o r i e so fs l i p t om o v et h e1 i n ei nt h ep l a s t i ce x t r e m el i m i t a n a l y s i sm e t h o d ，s t r u c t u r et h e s t r e s sf i e l do fc a s i n gd a m a g ea r e aa n dc a s i n g u n d a m a g ea r e a ，t oc o m p u t e t ot h es t r e s s a n dt h el e n g t ho f c e m e n tl o o pd a m a g e 哈尔滨工程大学博士学位论文 4 e s t a b l i s ht h ei n t e g r a lf i b e rm o d e lt h a ti sc a s i n gp i p ea sf i b e ra n di sc e m e n t l o o pa n ds t r a t u ma sc o m p l e xb a s eb o d y t h e o r e t i c a li n s t r u c t i o ni sp r o v i d e df o r t h ee l e v a t i n gq u a l i t yo f r e p a i r i n gt h ew e l lb ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fc e m e n t l o o p d a m n i f i c a t i o n 5 1 ti sv e r yi m p o r t a n tt h a tt h ed e c r e a s eo f r e p a i r i n gt h ec a s i n gd a m a g ew e l l p r o c e s sb yu s i n go f t h e s h a p i n gt o o l so fr e a s o n a b l es t r c u c t u r ea n dr e a s o n a b l e d r i l l i n gs t r e s s a tt h es a m et i m e ，i ti st h ek e y t e c h n i c a lm e a s u r ef o rd e c r e a s i n gt h e d a m n i f i c a t i o no fc e m e n t s l o o pb ye l e v a t i n gt h ec e m e n ts l u r r yc a p a b i l i t y a c c o r d i n gt o t h er e d a m a g eo ft h ec a n n gd a m a g ew e l l r e p a i r e d l e a dt o e n o r m o u se c o n o m i cl o s s ，t h e r e f o r e ，t h et e x tp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i s f o re l e v a t i n gt h eq u a l i t yo fr e p a i r i n gw e l la n dt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fr e n o v a t i o n w e l 】 k e yw o r d s ：c a s i n gd a m a g e ；g r i n d s t r e s s p l a s t i c ；h e r t z e l a s t i c c o n t i g u i t y t h e o r y ；t h es i g l es i d et u s km o d e lo fc a s i n gd a m a g e w e l li ng r i n ds r e s sp l a s t i c ；t h e t h e o r i e so f s l i p t om o v et h el i n e ；t h ei n t e g r a lf i b e rm o d e lo f g r i n ds t r e s sp l a s t i c = = = = = 黼= = 黧= = = = 垄兰麈墼。 第1 章绪论 1 1 问题研究的工程背景、豳的和研究意义 随着油田的迸步开采，油田开发后期的各种矛盾日益突出。例如大批 涟承著套警羧环理象霹是馨熬涵墨蛰遍夺在茨超题之一，它严重影响了涵趱 的稳产和高产。国肉外经过十几年的研究，在套损井的治理方面，已经形成 了一系列套损井检测技术和修复工艺，但套损井修复后的再生产周期并不能 达到预鬟鹃效栗，不能满足长麓采滚懿需要。这是蠡予在镕舞过程中修并王 具对套损部位的套管造成损伤并破坏了水泥环的完按性，降低了原围井质量。 针对这一阃熬，本论文姆对簇擐共采照枫械艇形方法时对套嚣秘水溅环的损 伤逶行初步盼探索帮研究，跣【吃为基础提出较为合瑙舶整形方式，苏便辩现 场的修井作业从理论上进行指导，为修井工蕊的实旅提供理论依据。 1 1 ，1 油水井套损状况 油共投产后，随整生产辩闯的不叛延长，开发方寨的誉断调整粒实施， 特剃照注承群发的涌藏，由予不露瀚遗质、工程和管理条件，漓、气、水并 套管技术状况将逐渐变差，甚至损坏，使油水井不能正常生产，以致影响了 霆爨豹稳产。镶热，美国藏鞠壤洼田，默1 9 2 5 每瑙1 9 8 6 年瑟发年耀，枣 于大艇采出触下液体，引起该地区较大的地层构造遥动，造成油水井成片错 段，损失严爨。又如罗马尼驻的坦勒斯油田汗发2 2 年后，融有2 0 的油井 套警损坏，俄爹薪静班长这耢藏涵疆鸯3 0 静涵本势蠢套管援嚣焉襻产”l 。 近十几年来，国内油田也遇到大量油水井套管损坏的问腿。中原油田于 1 9 7 9 年正式投入开发，陆续投产1 2 个油匿1 4 7 个群发单元，疑前务类事故 并占蘑井数静3 0 7 5 ，其中套旗并数占事故井总数的7 5 ，8 ，占慧并数豹 2 3 ，3 。至今，中原油田东濮凹陷北部地区发生套损的井已达1 3 0 0 众口，占 全部劳鲍3 隔驳上。驻裁洼爨经过3 0 多年弱嚣发，裂1 9 9 2 年底，全潼毽套 损井数为1 6 5 9 口，占总并数的十分之一。孤硒油田怒胜利石油管理桶下属最 大的油田，也是其套损最严熏的地鼷，套损井数占总井数的2 5 以上。吉林 获余漓圈注水开发十年赉甏饔接雾1 5 1 1 墨，其孛漓舞1 2 2 9 嗣，注窳并2 8 2 口，分别占油水并总数的5 2 和4 5 5 。吉林新立油闪自8 3 年全面投入开发 至l1 9 9 2 年底，注水井套管掇坏这8 2 日，占淀水势憨数的8 9 。 丈庆滴溺扶6 0 年投入开发至今，在1 9 8 6 年前屠和1 9 9 9 年前焉濑现了二 次套损高峰期( 2 】( 图1 1 ) 。不同注水方式、不同开发阶段，套损并数是不一 弹懿。慧钵上詈，? s 年焉，涎注承厦力增嵩、牙采强度热犬，套援势数璞多。 截至2 0 0 0 年1 1 月底，大庆油田发现套管问题并累积已达7 4 5 3 口，占已投产 油水井的1 6 7 2 ，其中套损并7 2 1 6 口，拔不动及其它井2 3 7 口，平均每投 哈尔滨工程大学博士学位论文 产6 口井就有1v 1 损坏。采油并发现套管问题并3 5 2 6 口，占已投产油井的 1 2 ；注水井发现套管问题井3 9 2 7 口，占已投产注水井的2 5 8 6 。 从图1 1 中不难看出在“九五”期间，大庆油田出现了第二次套损高峰。 第二次套损高峰与“七五”期间的第一次套损高峰相比有如下特点： 第一，套损高峰持续时间长，套损井数多。年套损井连续在5 0 0 口以上 长达4 年，五年共损坏2 9 1 8 口，占全油田累积套损井数的3 9 1 5 ( 表1 t ) 。 ；- i 埘厂n 、 矿 譬一 、 墨 嚣 丫y - 一拄堆艇 ； ， 。 、 擅 蓐 一手墙雌自鼬i 辖 m t 电一 p 一骧井盘l 雇 埘 ； i k a m o - 产 - l 。_ - - 一l 抽l l l l $i 0 l i 1 ”1 竹s 拍i 0 h 搠r ￥ 图1 1 大庆油田历年套损井数图 f i g 1 1d a q i n g o i lf i l e dc a s i n gf a i l u r eo f w e l l si ne v e r y y e a r s 表1 i “九五”套损情况对比表 t a b i 1c o m p a r i s o n o f c a s i n g f a i l u r e i n t h e n i n t h f i v e - y e a r p l a n 年度己证实套损井拔不动及其它合计( 口) ( 口)( 口) 1 9 9 63 7 103 7 1 1 9 9 75 1 85 85 7 6 1 9 9 85 5 81 0 66 6 4 1 9 9 9 6 0 29 87 0 0 2 0 0 0 5 1 69 l6 0 7 小计 2 5 6 53 5 32 9 1 8 第二，“九五”期间一、二次加密井网套损井数比基础井网的套损井数增 加的速度快( 图1 2 ) 。 第三，第二个套损高峰期一共发现7 个成片套损区，全部集中在采油一厂 ( 6 个) 和采油四厂( 1 个) ，套损井比例为6 6 9 ，损坏层位仍然以嫩二段标准 层油页岩为主( 表1 2 ) 。 2 ，o*耋 榭 耋 憎 m 拊 。 的 辩 拈 特 2 o - l 0 w善*# 第1 章绪论 2 0 0 专5 0 损 井1 。 数5 0 o 日1 9 2豁 9 辛妪孵盼铀2 0 0 0 图1 2 喇萨杏油田不同井网套损情况 f i g 1 2c o m p a r i s o no f c a s i n gf a i l u r ei nt h ed i f f e r e mw e l ln e t 第四，外围低渗透油田随着开采时间的增加套损井数也不断增加，目前共 发现套损井4 3 1 口，占外围投产井数的5 5 。其中“九五”期间发现套损 井为3 2 2 口，平均每年为6 4 5 口，并且套损井相对集中在以开采扶扬油层为 主的朝阳沟和榆树林油田，在龙北高台子油层投产三年后也已发现2 1 口注水 井套损。其中朝阳沟油田套损最严重，2 0 0 0 年套管损坏累计达到2 4 3 口，占 外围油田套损井数的5 6 4 。 表1 2 “九五”期间形成的成片套损区的情况 t a b 1 2c i r c u m s t a n c e so f f l a k yc a s i n gf a i u r ea r e a sf o r m e d i nt h en i n t h f i v e - y e a rp l a n 发现投产套损2 0 0 0 色 套损区面积 时间井数井数情况 中区西部 9 51 4 31 3 26 2l 西区 9 61 6 31 5 61 0 71 第采油北一区断东 9 71 8 01 5 61 0 11 4 北一区断西 9 61 o o7 l5 21 次 北一、二排东部 9 7o 3 01 37 2 11 高 南一区乙块 9 80 8 27 25 95 峰 采油杏1 - 3 区丙北块 9 65 5 8 2 3 71 6 25 四厂南部 合计7 个9 5 9 81 2 5 68 3 05 5 52 8 1 1 2 论文研究的意义 套损已成为一个国际性的普遍问题并严重影响了各大油田的生产，使油 田既定的各种开采措施和计划的实施受到制约，并且直接导致注采系统失调， 哈尔滨工程大学博士学位论文 使原本规划良好的井网布局变得不再合理。如果对这些套损井重新钻更新井， 还必须投入高昂的钻井费用，从而造成人力、物力和财力的巨大损失。最近 三年，大庆油田每年都有6 0 0 7 0 0 口井发生套损，假设钻更新井，每口井的 投入按1 0 0 万元计算，直接经济损失达6 7 亿元。同时还会造成注采系统不 完善，使产量递减加快，间接损失更大。因此，开展套损井的修复、治理工 作，无论是从减少更新并初始投资费用考虑，还是从保持油田正常、稳定的 生产角度考虑，都具有十分重要的意义【3 j 。目前，套管损坏井的修复工作已 成为井下作业的一项重要任务，在1 9 9 3 年第五届世界石油大会上被列为石油 开采中的六大难题之一。 1 2 套损井机械整形技术简介 由地质因素、工程因素、腐蚀因素等多种原因造成了多种型式的油水井 套管损坏，因而要采用多种工艺技术对套损井进行修复。机械整形技术( 包 括碾压整形和冲击整形) 是现场应用最为普遍的修井方式，大庆油田7 0 左 右的套管变形井和错断井是采用机械整形技术加以修复的。 在碾压整形和冲击整形两种机械整形技术中，前者的应用更为普遍，这 是因为前者操作技术简单、而且熬形过程中对套损井造成的再次损伤较低。 鉴于此，本节着重介绍碾压整形的工具、施工工艺及特点。 1 碾压整形工具 碾压整形组合工具主 要是由滚珠整形器、恒压控 制器、滚动扶正器、钻铤等 组成，结构组成示意图如图 1 3 所示。一般碾压整形的 工具组合为( 由上至下) ： 钻杆，钻铤，恒压控制器，扶 正器和滚珠整形器。 用于整形的主要工具 为滚珠整形器，结构示意图 如图1 4 所示。它的结构特 点为：整形器是由柱体和锥 体组成，在锥体的表面上， 沿螺旋线镶嵌着直径为 3 0 r n m 的特制滚珠，滚珠与 锥体表面相比突出高度为 图1 3 碾压整形工具结构示意图 f i 9 1 3s t r u c t u r es k e t c hm a p o f r o l l s h a p i n g t o o l 3 m m 。因此，与套管变形位置直接接触的为滚珠，它是整形器的主要工作元 件。为使滚珠在螺旋槽内灵活转动，滚珠整形器的锥角o 【一般大于3 0 。 4 第1 章绪论 滚珠整形器工作时，滚珠在整形器 的凹槽内自转的同时也围绕整形器的轴 线公转，碾压整形主要是依靠滚珠在套管 变形位置的反复滚压施加外力使套管产 生塑性变形以达到整形的目的。恒压控制 器是用来控制施加在整形器上的钴压，它 内部有0 8 1 2 米的行程，在修井过程中 通过钻杆把所需要的扭矩施加到恒压控 制器上，然后再作用到滚珠整形器上。扶 正器的作用是防止整形器及钻杆倾斜；钻 铤的作用是增加底部钻杆重量，加强底部 钻杆的稳定性，防止钻杆弯曲变形。 碾压整形器常用的尺寸系列见表 1 3 1 4 1 。 图1 4 滚珠整形器结构示意图 f i 9 1 4s t r u c t u r es k e t c hm a p o f b a l ls h a p e r 表1 3 碾压貉形器规范 t a b l e1 3c r i t e r i o no fr o l l s h a p i n gt o o l 序外形尺 使用规范及性能参数 寸适用整形 号 规格型号 n l n l整形尺寸分段 套管 盎 n l l i l l n 1 z q 一 d x 2 5 0 9 2 ，9 4 ，9 6 ，9 8 ，1 0 04 9 8 9 9 1 1 4 2 z q d 3 0 0 1 0 2 ，1 0 4 ，1 0 6 ，1 0 8 ，1 1 0 ，1 1 2 59 8 - 9 9 1 2 7 3 z q 一 d 3 0 0 1 1 4 ，11 6 ，1 1 8 ，1 2 0 ，1 2 2 , 1 2 45 必 9 8 - 9 9 1 4 0 4 z q 一 d 3 5 0 1 4 0 ，1 4 2 ，1 4 4 ，1 4 6 ，1 4 8 ，1 5 0 ，1 5 26 髫 9 8 9 9 1 6 8 5 z q d x 4 0 0 1 5 4 ，1 5 6 ，1 5 8 ，1 6 0 ，1 6 2 79 8 - 9 9 1 7 8 1 碾压整形施工工艺过程 碾压整形施工工艺如下： ( 1 ) 根据测得的套管最小通径，选择合适规格的整形器，整形器直径每 次增加不超过2 - - 4 m m 。 ( 2 ) 修井钻具下放到套损位置后，上提2 m ，开泵循环正常后，再逐步 下放钻具，保持钻压恒定并低于钻铤重力。首先以1 - 2 r r a i n 的转速空转转盘， 再以10 6 0 r m i n 的低转数开始碾压整形，开始整形时钻压保持在2 5 k n 为宜， 注意任何情况下转速都不应超过6 0 r m i n 。 哈尔滨工程大学博士学位论文 ( 3 ) 当整形进尺很小时，可适当增加钻压或利用开式下击器增加钻压。 ( 4 ) 当整形工具通过套管损坏井段时，旋转扭矩明显减小，悬重有上升 趋势，说明整形任务已完成。此时应反复上下划眼5 l o 次，直至工具通过套 管损坏井段时悬重无明显变化，证明套管已修好。 ( 5 ) 更换大一级整形工具继续进行整形，直至完成设计要求。 3 碾压接形的特点 与其它修井方式相比，碾压整形方法具有如下特点： ( 1 ) 碾压整形的一次整形量较小，整形过程中的起下钻柱和更换工具 的作业相对频繁，工作量较大。 。 ( 2 ) 整形过程中，套管的应变较为缓慢，属于准静态过程。机械振动 小，对保护套管外水泥环不被震挤破坏具有很好的作用。 ( 3 ) 由于整形器自身结构的限制，在整形过程中，滚珠在受力不均匀 的情况下，容易被压扁，造成整形器报废。由于滚珠整形器的造价较高，使 得修井成本相应增加，限制了滚珠整形器在工程上的应用。 ( 4 ) 为使滚珠的受力均匀，修复缩径的套损井时，采用碾压整形的方法 是十分有效的。 采用碾压整形技术修复缩径变形套管是典型的接触问题。压力通过接触 面传递给套管的损伤部分，使其变形而达到恢复的目的。在这个过程中，修 复力的确定是十分关键的问题。当修复力范围己知，我们一方面就可以在这 个范围内采用合适工艺使得修复的效果更好：另方面在这个范围内尽量地 保证或预测套损井在修复过程中可能发生的更进步的损坏，为重新加固提 供理论依据。 1 3 套损井修复过程中修复力确定的理论基础 用弹性力学的方法确定碾压整形过程中修复力的大小是h e r t z 接触问 题【扪。h e r t z 在1 8 8 1 年1 月向柏林物理学会报告他的论弹性固体的接触 论文，在这篇论文中h e r t z 清楚地认识到接触问题的局部性和局部压力集中。 “我们能够将我们的注意力限制于每一个物体中非常接近接触面的那一个部 分，因为这里的压力与发生在其它各处的压力相比非常大，因而它们依赖于作 用在物体其他部分的力的程度最小”。这种局部性和应力集中，使得h e r t z 问 题成为变形体力学中复杂而有工程应用价值的问题之一。 加载区的应力场是接触问题研究的基本内容之一，由集中力引起半空间 应力场变化是由b o u s s i n e s g 在1 8 8 5 年得到的，其表达式为： 旷( 素) 阮) 】 如果取平均接触力碥表示应力大小，则： 6 第1 章绪论 口 p o = o 了 d 彻 其中a 为压头的固体接触的半径， 口为无量纲的压头几何参数( 对轴 对称问题g = 1 ) i g o 。p = 口饥) )。r 这种应力场的主要特点是如 下： ( i ) 在r = 0 处为奇异点， 这就意味着接触面存在一个非零 的( 口 o ) 非弹性区。 ( i i ) 应力场的强度参数p 。 与外载荷密切相关。 ( i i i ) 在接触区内存在拉应力 状态，最大拉应力在妒= 詈和= 0 处。 图1 5 中的图a 、b 、c 分别为 q l 、盯2 2 、o - 3 3 的等应力线，其中 y = 0 2 5 ，应力单位为p 。，虚线表 示盯，= 0 。图1 6 为侵入应力场 坐标系。 b o u s s i n e s g 解的特点为接触 问题的研究开拓了广阔的思路，在 最近十年，人们将接触问题的弹性 跫 f = 二一 岁0 8 ) 、 o ，哕 | a z a 7 坌妒吒星掣矍磐笆2 纂。! 冀羹堡分 图1 5 集小士一扣曲由书牌膏 錾量肾：盎恙黧嚣譬譬鬈蠢高f i g 1 ；s “t r e l s s t d i 。) t r j i b 7 u l t t , 1 2 i i l g i i ：, 1 p l - m 1 , ) d j u c j 。 d l l j b y 摩擦学墼及墨他领域空，垄彗墼塑 c o n c e n t r a t e d f o r ”c e 一一一1 题的研究和发展开辟了广阔的前 哈尔滨工程大学博士学位论文 料断裂韧性方法。 4 把接触问题扩大到宇航、航 天、航空陶瓷复合材料等各领域的 研究中。 目前，在接触问题的研究中虽 然作出大量的工作和有着广泛的 应用，然而该问题的研究还需进一 步深入和完善，特别在理论上，在 系统的严密的数学力学基础上进 行大量有规律的研究，以获得丰硕 的成果则是今后该领域的主要研 究内容1 5 1 。 弹性接触理论不能从物理模f i 9 1 型上完善的描述接触问题的变形 过程。从连续介质力学的角度上， p 1r 鞠r l z 诲图 图1 6 侵入应力场坐标系 6c o o r d i n a t e o f p e n e t r a t i n gs t r e s s f i e l d 当两物体接触受压时，首先产生弹性变形，随着载荷的增加，物体进入弹塑性 变形阶段，最终材料达到塑性流动。如何完整的描述这一物理过程仍是力学界 探索和解决的问题之一。对于磨损接触问题，c h a n gwr f g l 等提出描述这一物 理过程的c e b 模型。描述这一物理过程的难点在于如何确定接触面的大小，接 触面的应力分布以及二者之间的关系【i 。 然而当材料达到塑性流动状态时，我们可以采用塑性极限分析理论对接 触问题进行分析，这不仅简化了问题的难度，而且所得的公式和结论便于工程 应用。 二十世纪五十年代，著名的英国力学家r h “l 在总结前人成果的基础上 以完整的形式证明了连续介质变形体力学的极值原理，这为塑性极限分析理 论奠定了基础【1 i i 。有关金属塑性滑移线理论的建立和发展应归于 h e n c k y ，p r a n d t l ，和c a r a t h e o d o r y 和s c h m i d t 的工作”“。p r a g e r 与h o d e g e 【l “ 总结了滑移线理论的早期工作，包括对于初始流动问题和稳态流动问题的讨 论。p r a g e r 给出了滑移线的几何形态。h i l l 给出了带缺口板条的解，p r a n d t l 给出了冲击问题的另一个解答。有关滑移线理论的应用，特别是在金属成形 方面，j o h n s o n 等人做了许多开拓性的工作。 可应用滑移线理论对土力学问题，或更一般地对于有塑性体积变化的材 料，进行分析和研究。事实上，在土力学中，应用滑移线理论比在金属中的应 用还早，这充分的表现在费洛林应用滑移线理论解决散粒体力学问题中”。 此外，b e r g 讨论了决定平面应变塑性膨胀问题是双曲性的条件i l ”。 7 0 年代美国的学者v n a g p a l t ”t 使得连续力学的极值原理得到了充分的 体现和应用。随着计算机的应用，出现了用塑性有限元法计算边界复杂的情 况，而且可以计算材料的强化。计算精度只取决于划分的网格多少和所取变 形增量步长的大小。由于解是离散化的，计算结果虽然可以描述应力和应变， 但可以预见，也可以用于分析。此外塑性有限元法对于几何参数和材料性能 参数的改变显得不够灵活。然而应用塑性有限元法计算材料的塑性变形，使 连续体力大大地进了一步。 在缩径套损井碾压整形过程中，井壁的突出部分经碾压而平整，这需要 突起部分的材料产生塑性变形。因而用弹塑性理论，特别是塑性极限分析理 论确定碾压力和考虑局部区域的应力分布是十分必要的。用这一理论进行分 析也可以得出工程中便于应用的公式以应用在碾压整形中。 1 4 水泥环损伤的复合材料力学研究理论基础 1 4 1 套损井修复过程中水泥环的损伤 在研究套损井修复问题中，人们把主要的研究集中在套损井损坏机理、 套损井检测技术、修复工艺及防护措施等方谣，而对套损井修复过程中水泥 环的损伤方面的问题至今还很少有人研究。 油、水井套管外水泥环主要有两方面的作用，一是为了加固套管，使套 管和地层胶结为一体，增强套管的刚度与稳定性；二是起密封作用，防止油、 水井不同层位之间发生窜槽，以达到经济、高效开采油层的目的。 目前大庆油田开采已指向薄油层，要求薄油层固井水泥环有很高的封窜 能力。因而对水泥环力学性能和在地应力作用下的损伤机理加以研究是十分 重要的问题。 在套管设计中人们很少对地层、水泥环一套管之阆的相互作用加以研究。 1 9 8 7 年n e s t e r 【l8 】利用简单的模拟试验研究套管承受非均匀外载、均匀外载 以及对径集中载荷时套管的强度得出套管承受非均匀外载的强度仅为承受均 匀外载强度的妻去的结论。张百龙 四川，李志吲2 ”，刘积松阎等人通过理 6z l 论分析和室内试验研究了套管在承受不均匀围岩压力融径向载荷和均匀外压 的作用下套管的强度变化情况，得出了与n e s t e r 相似的结论，并已将这些结 论应用于套管的设计中。然而上述的研究却没有考虑农泥环对套管的影响。 1 9 9 4 年邓金根【2 3 斟j 等人以地层一水泥环一套管组会系统为研究对象，以 弹性力学为基础，利用复变函数豹方法对套管及水泥环在理想状况下受非均 匀地应力和均匀内压共同作用鼢魏受载特性进行了允褥并依据不同的接触 条件推导出相应的线性代数方程组，借助于计算机计算出不同地应力下套管、 水泥环内部应力及表面受力分布，并可分析水泥环弹性模量及厚度、套管壁 厚、水泥环与套管的接触状况等因素对套管及水泥环受力分布的影响，得出 很多有价值的结论，这对油田流变性地层中套管、水泥环的设计具有重要的 参考价值。 考虑到地层的非线性性质，练章华【2 2 9 】将塑性力学理论引入套管变形的 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 研究中，建立了岩石一水泥套管相互作用的粘弹塑性有限元力学模型。用力 学模型研究了套管外壁在受均匀、非均匀载荷作用下套管的非线性变形过程， 为油水井套管的设计提供了参考依据。 鉴于套管外水泥环的重要性，近年来油田工程技术人员以及相关领域的 学者对水泥环开展了多方面的研究【3 。“1 ，这些研究主要集中在以下几个方面。 l 、水泥的外加剂研究。外加剂主要是用来改善固井水泥的物理性能 以适应特殊井况的需要，或者用于提高固井水泥的某些力学性能。 2 、固井水泥的机械强度的研究。 3 、水泥浆性能的研究。水泥浆的可靠性、候凝性以及水泥浆性能对胶 合面强度的影响等。 上述研究总体上是侧重于水泥材料本身以及以套管为主体的强度设计方 面，而对大修后水泥环的破坏研究很少。然而在经过整形后的套损井，水泥 环的破坏是十分严重的。经调研大庆油田四厂对4 9 口大修井进行检测发现， 大修后的油水井水泥环不同程度的存在损坏，损坏比例为1 0 0 。 为了保证修复后的油水井正常生产，大庆油田四厂技术人员开展了套修 井水泥环工艺的研究和试验。曹先选择超细水泥作为堵剂，通过多次对比试 验，优选水泥浆外加剂，使超细水泥浆具有良好的悬浮性、流变性和固化性。 它的胶凝时间在3 0 2 4 0 分钟之间并可以调节。造浆性和流变性能变好，析 水量大大减少( 水泥浆的失水小于5 0 m 1 ) ，水化速度明显加快。水泥石2 4 小 时抗压强度超过1 2 m p a ，抗渗性能提高l o 倍，室内模拟试验结果表明，超细 水泥浆与油水井套管及地层岩石具有良好的胶合能力。其承受力是普通水泥 的1 5 倍。2 0 0 1 年1 月，该项技术在采油四厂的4 口套损井进行试验。其中 杏7 一丁4 一1 2 9 井的测试由图1 7 给出。 修井前 修井后水泥环修复后 图1 7 杏7 一丁4 一1 2 9 井修井前后水泥胶结情况对比图 f i 9 1 7 b o n d i n ga r e ac o m p a r i s o nm a po ff o r ea n da f t e r r e p a i r i n ge a s i n g 一一 第1 覃绪论 由图可以看出，该并在大修前水泥环存在一定的损伤，大修后损伤段加 长，而经过对水泥环修复后，水泥环基本完好，从而保证油井的正常生产。 修复井水泥环损坏存在的事实以及重新修复水泥环工艺的复杂性，迫切 需要人们从理论上认清水泥环在修复过程中损伤的机理，以便确定是否采用 加固水泥环的措旅，从而防止油窜、气窜、水窜等现象的发生，提高套损井 的修复率和再生产的能力与寿命。 从力学的角度对这一机理的研究是集中在如下两个方面的问题。 ( 1 ) 采用何种力使得套损井能够修复，而又尽可能地减小水泥环的损坏。 ( 2 ) 在修井过程中水泥环除修井前已发生的损坏外，还不可避免产生新 的损坏，那么确定这个损坏区的范围也是急需解决的问题。 在套损井的变形局部区域内，水泥环的损坏区增加与否一定程度上依赖 于修复时所施加的外力。由于损伤井的类型复杂，有大量的工作需要探索， 在本文中我们仅对缩径井的修复进行理论的探索。以求找出水泥环在修井过 程中损伤的规律性。而在这方面的研究尚未见报导。 1 。4 2 水泥环破坏与复合材料力学理论基础 固井是将水泥注入井壁与套管环形空间中的过程。固井的主要目的如下： ( 1 ) 为了封隔射孔后井眼内的油、气和水层； ( 2 ) 水泥环起到固定和支持掏管的作用，防止地层向套管内剥落塌陷； ( 3 ) 防止套管受地层液体的腐蚀。 固井质量的好坏对油水井正常生产起着不可忽视的作用，在套损修复的 井中，一方面部分水泥环已损坏，另一方面修井对水泥环也造成一定的损坏， 固井质量更差，使得套管的工作环境变的更羞，进而影响了油水井的正常生 产。因此，对于套损井在寻求更好的方法进行整形的同时，也要尽可能考虑 水泥环的完好性，即减小水泥环的再次破坏，保证良好的固井质量，使得修 复后的套损井具有良好的再生产能力。 固井完成后，水泥环与地层和套管形成两个胶结面，套管与水泥环之间 的胶结面为第一胶结面，水泥环与地层之间的胶结面称之为第二胶结面。在 油水井无套损段的界面中水泥的剪切固结力均匀承受套管的重量，在套损井 修复过程中，整形器施加在套管上的轴向力主要是通过第一胶结面作用到水 泥环体上，再由第二胶结面作用到地层上。在修并过程中，外力增加，在胶 结面上产生脱离现象，使得粘结强度降低，同时承载长度要发生变化。此外， 在固井工作完成后，固结面与水泥环内部存在初始缺陷，在水泥环受到外载 荷作用时，水泥环内部的初始缺陷开裂，初始裂纹发展且相互连接形成宏观 裂纹，从而使水泥的水利固结力降低，使得水泥环的封隔能力下降。 在套损井修复过程中，一方面碾压力作用在套管上对套管整形，另一方