余夫

(宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 201900)

尹飞

(成都理工大学能源学院，四川 成都 610059)

张冬杰

(西安康普威能源技术有限公司，陕西 西安 710000)

井筒完整性是油气井安全钻井和正常生产的重要保障[1]。油气井的井筒一般由套管、水泥环和地层组成。对于井筒的力学分析，前人对套管、水泥环、地层组合结构应力与变形的研究都只针对套管的抗外挤能力[2,3]，设套管、水泥环和地层的材料性质为常数[4,6]，不考虑水泥环与地层。研究结果不能反映水泥环本身的强度问题，也不能反映水泥环、地层的材料性质对套管载荷的影响。实际应用中，固井后的水泥环对套管载荷具有重要影响[7,8]。因此在研究套管载荷或井筒完整性时不能忽略水泥环。少数关于水泥环的材料性质对套管受力的影响研究[9～12]，其考虑因素或计算方法都不完善。为了弥补相关内容的不足，笔者详细研究了水泥环与地层材料参数对套管受力的影响，分析了水泥环的强度，并兼顾保护套管及水泥环的角度优化了井筒材料参数。

图1 套管-水泥环-地层组合结构的力学模型

1 力学模型

固井段井筒由套管、水泥环及地层组成，井筒的轴向变形受到约束，可简化为平面应变问题[13]。为方便分析，进行以下假设：①套管、水泥环、地层是理想的弹性材料；②套管、水泥环、地层视为与井眼同心的厚壁筒；③套管、水泥环、地层完整地胶结在一起。组合结构的力学模型如图1所示。

根据圣维南原理，当地层边界超过井眼半径的5～6倍时，地层边界对井眼的影响很小[14]，故地层边界圆半径可设定为井眼半径的10倍。……