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大慶油田底標志層面積廣闊，層位非常穩定，厚度約為10m，層內發育大量化石層，存在水平弱結構面，具有硬巖性薄弱面的特征。近幾年來，多個區域在底標志層出現了大面積的集中套損。據不完全統計，2008年以來，標志層套損井約占總套損井數的40%~50%。多種測試方法證實，標志層套損以剪切錯斷和剪切變形為主，由層間滑移所致。
在實際生產中，部分井在標志層以下放置水泥面控制器，使標志層不封固，如圖所示。此完井方式下，底標志層位置的套管與地層之間無水泥環。關于底標志層是否應該封固的問題，各采油廠的觀點和做法有所不同，目前尚未統一。以往在套管剪切失效的研究中，一般假設套管和水泥環或地層直接接觸，對于未封固層位剪切套損的研究相對較少。為此，本文針對標志層封固和不封固2種方式分別建立了相應的有限元分析模型，研究層間滑移過程中套管和地層的受力和彈塑性變形特征，從力學角度分析更有利于預防和修復標志層套損的方式。
有限元計算采用Comsol Multiphysics軟件的固體力學模塊。根據幾何和作用力的對稱性，取模型的1/2。地層模型橫向長度為1m，假設底標志層含剪切弱面且已經破壞，地層分為上下兩層，每層厚度0.5m，井眼半徑0.1m，套管外徑139.7mm。標志層封固模型采用組合體模型，地層、水泥環和套管之間連續；不封固模型采用裝備體模型，地層與套管間無任何物質，模型初始位置為地層開始剪切套管的位置，相應的接觸面設置面接觸。剪切套損過程中，套管變形程度較大。為了保證計算精度，對套管網格進行細化。套管剪切面附近存在應力集中，對套管剪切面附近的套管、水泥環和地層進行局部細化，得出標志層套管封固與不封固2種模型的網格剖分結果，如圖所示。
對于模型上部地層中法線方向平行于x軸的兩個側面，指定其x方向位移為地層滑移量，其他方向地層側面指定其對應法線方向位移為0。
在油田實際生產過程中，套管若出現較小的塑性變形，并不代表套管已經失效，只要套管能保持其完整性且變形程度不影響作業和施工，即認為套管尚未失效。現場實際發現的剪切套損，套管已嚴重塑性變形，因此有限元計算模型應考慮套管屈服后的力學特性。套管應力超過其屈服強度后，進入塑性變形階段。依據線性強化彈塑性模型，對于合金鋼等強化材料，可用2段折線近似實際的拉伸曲線，應力￣應變關系為σ=Eε（ε≤εs）σs+El（ε-εs）（ε＞εss）式中：σ為套管所受應力，MPa；σs為套管屈服強度，MPa；E為線彈性階段彈性模量，MPa；El為強化階段彈性模量，MPa；ε為套管應變；εs為套管屈服時的應變。
模型中，材料強化階段彈性模量取線彈性階段彈性模量的0.01倍，模型采用壁厚7.72mm的P110套管，彈性模量208GPa，泊松比0.3，屈服強度758MPa。水泥環和滑移面附近井眼圍巖在剪切套管中也會發生部分破壞，依據摩爾-庫倫準則判斷水泥環和巖石的破壞程度。水泥環和底標志層巖石參數設定如表所示。
封固與不封固模型的差別，僅在于套管和井壁巖石之間的水泥環。有限元計算結果表明，水泥環在剪切套損過程中，對套管和地層應力分布及變形有很大影響。設定地層滑移量為0~60mm。通過有限元計算，可以得出2種模型下地層剪切套管過程中套管、水泥環和地層的受力與變形情況。
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