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大庆油田底标志层面积广阔，层位非常稳定，厚度约为10m，层内发育大量化石层，存在水平弱结构面，具有硬岩性薄弱面的特征。近几年来，多个区域在底标志层出现了大面积的集中套损。据不完全统计，2008年以来，标志层套损井约占总套损井数的40%~50%。多种测试方法证实，标志层套损以剪切错断和剪切变形为主，由层间滑移所致。
在实际生产中，部分井在标志层以下放置水泥面控制器，使标志层不封固，如图所示。此完井方式下，底标志层位置的套管与地层之间无水泥环。关于底标志层是否应该封固的问题，各采油厂的观点和做法有所不同，目前尚未统一。以往在套管剪切失效的研究中，一般假设套管和水泥环或地层直接接触，对于未封固层位剪切套损的研究相对较少。为此，本文针对标志层封固和不封固2种方式分别建立了相应的有限元分析模型，研究层间滑移过程中套管和地层的受力和弹塑性变形特征，从力学角度分析更有利于预防和修复标志层套损的方式。
有限元计算采用Comsol Multiphysics软件的固体力学模块。根据几何和作用力的对称性，取模型的1/2。地层模型横向长度为1m，假设底标志层含剪切弱面且已经破坏，地层分为上下两层，每层厚度0.5m，井眼半径0.1m，套管外径139.7mm。标志层封固模型采用组合体模型，地层、水泥环和套管之间连续；不封固模型采用装备体模型，地层与套管间无任何物质，模型初始位置为地层开始剪切套管的位置，相应的接触面设置面接触。剪切套损过程中，套管变形程度较大。为了保证计算精度，对套管网格进行细化。套管剪切面附近存在应力集中，对套管剪切面附近的套管、水泥环和地层进行局部细化，得出标志层套管封固与不封固2种模型的网格剖分结果，如图所示。
对于模型上部地层中法线方向平行于x轴的两个侧面，指定其x方向位移为地层滑移量，其他方向地层侧面指定其对应法线方向位移为0。
在油田实际生产过程中，套管若出现较小的塑性变形，并不代表套管已经失效，只要套管能保持其完整性且变形程度不影响作业和施工，即认为套管尚未失效。现场实际发现的剪切套损，套管已严重塑性变形，因此有限元计算模型应考虑套管屈服后的力学特性。套管应力超过其屈服强度后，进入塑性变形阶段。依据线性强化弹塑性模型，对于合金钢等强化材料，可用2段折线近似实际的拉伸曲线，应力￣应变关系为σ=Eε（ε≤εs）σs+El（ε-εs）（ε＞εss）式中：σ为套管所受应力，MPa；σs为套管屈服强度，MPa；E为线弹性阶段弹性模量，MPa；El为强化阶段弹性模量，MPa；ε为套管应变；εs为套管屈服时的应变。
模型中，材料强化阶段弹性模量取线弹性阶段弹性模量的0.01倍，模型采用壁厚7.72mm的P110套管，弹性模量208GPa，泊松比0.3，屈服强度758MPa。水泥环和滑移面附近井眼围岩在剪切套管中也会发生部分破坏，依据摩尔-库伦准则判断水泥环和岩石的破坏程度。水泥环和底标志层岩石参数设定如表所示。
封固与不封固模型的差别，仅在于套管和井壁岩石之间的水泥环。有限元计算结果表明，水泥环在剪切套损过程中，对套管和地层应力分布及变形有很大影响。设定地层滑移量为0~60mm。通过有限元计算，可以得出2种模型下地层剪切套管过程中套管、水泥环和地层的受力与变形情况。
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