油井水泥石在围压作用下的力学形变行为

目前在单轴条件下研究油井水泥石力学行为通常忽略了井下情况环境对水泥石力学行为的影响，认为凝固后的油井水泥石是非均质脆性体，且在受力超过水泥石屈服极限时瞬间脆裂将会引起井下水泥环层间密封性能失效，但水泥环在井下的实际力学形变能力却受到温度和压力的影响，笼统认为油井水泥石是单纯的脆性材料具有一定的片面性。针对此种情况进行了实验研究，采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR 100研究了油井水泥石在围压作用下的力学形变行为。实验结果表明，单轴受力下水泥石为典型的脆性材料特征，而围压作用下水泥石破坏前为一定的塑性形变行为，特别是在高围压作用下塑性形变效应更明显；在围压作用下油井水泥石为脆塑性材料力学形变特征。     

固井水泥体系在不同条件下的力学行为规律

目前水泥环韧性力学测试存在着诸多技术难题。为此,采用数值模拟和室内评价等手段,对国内外典型弹性、柔性、韧性和纯水泥体系在不同加载速率、应力—应变曲线不同取值区间、不同围压及不同温度下的力学性能进行了对比研究。结果表明:①在较低加载速率下,水泥石的应力—应变曲线扭曲不平滑,不能够及时产生对应力的响应;②在较高加载速率下,水泥石应力—应变曲线平滑,且屈服阶段较明显,说明较高的加载速率能更真实地反映出水泥石的屈服应变行为;③水泥石杨氏模量取值区间的推荐值应随着实际井下条件的变化而变化;④温度对屈服应力和极限应变的影响较大,对弹性模量的影响较小;⑤围压对极限应力和极限应变的影响较大,对弹性模量的影响较小;⑥在较低围压与较高温度下,水泥石的屈服阶段较为明显。结论认为,所得到的不同条件下固井水泥体系的力学行为规律可以为准确认识井下水泥环力学性能、研究水泥环力学完整性乃至整个井筒的力学完整性提供技术支撑。     

基于损伤力学变内压条件下水泥环密封完整性模拟

针对变内压条件下水泥环密封完整性失效问题,基于连续损伤力学理论,采用同时考虑水泥石损伤和屈服后应力—应变关系的塑性损伤本构模型来描述实际水泥石的全应力—应变力学性能,研究了水泥石力学性能对密封完整性的影响。研究结果表明,向常规水泥浆中加入弹韧性材料形成弹韧性水泥,降低了水泥环弹性模量,既可以预防微间隙形成和减小微间隙尺寸,又可以预防和减少水泥环拉伸破坏。但并非弹性模量越低,弹韧性水泥密封完整性越好,密封完整性还与水泥环拉压弹性变形性能有关,同等情况下水泥环最大拉压弹性应变越大,其密封完整性越不容易失效。建议根据水泥环的弹性模量和拉压全应力—应变关系来评价水泥环密封完整性。研究结果为水泥环密封完整性评价和水泥石力学性能优化提供了一定依据。     

基于损伤力学变内压条件下水泥环密封完整性模拟

针对变内压条件下水泥环密封完整性失效问题,基于连续损伤力学理论,采用同时考虑水泥石损伤和屈服后应力—应变关系的塑性损伤本构模型来描述实际水泥石的全应力—应变力学性能,研究了水泥石力学性能对密封完整性的影响。研究结果表明,向常规水泥浆中加入弹韧性材料形成弹韧性水泥,降低了水泥环弹性模量,既可以预防微间隙形成和减小微间隙尺寸,又可以预防和减少水泥环拉伸破坏。但并非弹性模量越低,弹韧性水泥密封完整性越好,密封完整性还与水泥环拉压弹性变形性能有关,同等情况下水泥环最大拉压弹性应变越大,其密封完整性越不容易失效。建议根据水泥环的弹性模量和拉压全应力—应变关系来评价水泥环密封完整性。研究结果为水泥环密封完整性评价和水泥石力学性能优化提供了一定依据。     

高温高压气井水泥环封隔能力评价实验研究

水泥环封隔能力是高温高压气井密封完整性评价的关键,根据南海西部油田复杂温度压力环境,研制了一套可施加200°C高温、70 MPa围压及套管内压力、40 MPa环空压力的全尺寸高温高压水泥环封隔能力评价装置;基于该实验装置,考虑水泥浆失重对水泥环应力分布的影响,设置了符合高温高压气井水泥环封隔能力评价的实验步骤,开展了水泥浆养护温度、养护时间、封隔长度以及套管偏心等因素下的水泥环封隔能力评价实验。结果表明,水泥环封隔能力随着养护温度的升高或养护时间的增加呈现先增大后基本不变的趋势;水泥环封隔长度与其封隔能力呈线性关系;套管偏心度越大,水泥环的封隔能力越差;地层与水泥环弹性模量之比越接近于1,水泥环封隔能力越好。     

水泥环厚度及力学参数对其应力的影响

固井水泥环厚度是否合理关系到注水泥施工效率和固井质量,同时后期水泥环的力学性能也将会影响到层间的长期有效封隔,因此有必要研究水泥环厚度及力学参数对其应力的影响规律,分析水泥环的厚度敏感性,优化水泥环力学参数。借助弹性力学理论,对水泥环的应力状态进行了分析研究。研究结果表明,内壁处周向应力最大,是其危险应力;最大周向应力随水泥环厚度增大将减小,但其梯度在水泥环厚度小于25.4mm时较大,之后随水泥环厚度增大,最大周向应力梯度逐渐减小直至几乎不变。对于厚度一定的水泥环,其弹性模量越大,周向应力越大;泊松比越大,周向应力越小。该研究结果对水泥环厚度及水泥浆配方的优选有一定的指导意义。     

温度与压力作用下页岩气井环空带压力学分析

为解决页岩气井环空带压的问题,进行了压裂及生产过程中温度和压力变化对页岩气井环空带压影响的力学分析。以弹性力学为基础,建立了页岩气井直井段双层套管系统的力学模型,基于界面上应力相等及位移连续条件,推导了各界面的径向应力计算方程,并讨论了套管内压、温度、地应力等因素对水泥环封隔能力的影响规律。研究结果表明:温度升高、内压及地应力增大、水泥环弹性模量增大均有利于提高水泥环的封隔能力,减小套管壁厚有利于增加界面的径向应力;随着井深的增加,界面径向应力变大,水泥环封隔能力增强,提高直井段下部水泥环的封隔能力是降低井口环空带压风险的关键;第一界面和第二界面是固井失效的危险点,提高第一、第二界面的固井质量,有利于降低形成环空带压的风险。      

耐高温高压超高密度水泥石力学性能

准噶尔南缘区块是新疆油田增储上产的重点区块,井深6000～8000 m,预测井底温度为160 ℃,井底压力为170 MPa,属于典型的“三超”井。在该井区耐高温高压超高密度水泥浆基本性能的基础上,针对高温高压下超高密度水泥石的力学性能进行了研究。重点结合井下实际强度发育情况和实验室内强度发育结果吻合度相差较大的情况,按照该井区耐高温高压超高密度水泥浆体系配方,在120和160 ℃下,分别模拟井下实际压力和GB/T 19139—2012中要求的20.7 MPa压力下进行水泥试块的制备,开展常温抗压强度、抗折强度、单轴压缩实验以及井下温度下的三轴压缩实验,探究压力对超高密度水泥石抗压强度、抗折强度的影响以及试块的变形、破坏模式等力学特征。实验结果表明,压力是超高密度水泥石早期强度发展的关键因素之一;随着养护压力的增加,超高密度水泥试块的顶部抗压强度增加61.53%、底部抗压强度增加了120%;顶部抗折强度增加了65.2%,底部抗折强度增加了62.8%;常温下单轴压缩实验水泥石表现出明显的弹脆特性,在20.7 MPa下养护后试块端部出现明显破损,随着养护压力的增加,试块的峰值应力和弹性模量增加,抵抗变形破坏的能力增强;高温下的三轴压缩实验表明,超高密度水泥石的各项力学参数比单轴情况下均有较大提高,试块的变形均以轴向压缩变形为主,未形成明显的宏观裂纹,体现出良好的抵抗破坏变形的能力,更加接近线弹性-理想塑性材料。建议室内实验检测和模拟方法应充分考虑实际井况条件对水泥石力学性能的影响。      

枯竭油气藏地下储气库套管柱水泥环强度分析

在储气库技术研究中,对套管柱的受力情况进行研究十分重要。利用解析法建立地下储气库套管柱力学模型,分别分析套管柱在内压及外挤载荷、温度载荷和轴向载荷作用下的环向、轴向和径向应力,将各种载荷引起的应力及位移叠加,计算套管柱的受力情况,并通过实例来分析水泥环特性对套管受力及水泥环三向应力的影响。结果表明,套管在注气工况下受力较大,套管应力随水泥环弹性模量的增大而逐渐减小,当水泥环弹性模量增大到一定值时套管应力减小不明显,而水泥环的受力却不断增大;水泥环弹性模量太大时会增加水泥环的各向应力。     

非均匀地应力场中套管井井周应力分布及影响因素研究

用解析方法对非均匀地应力场中的套管-水泥环-地层应力分布进行了分析,并编制相应计算程序,来分析套管井周围径向、周向应力的分布规律,并依此研究了套管内径、套管壁厚、水泥环壁厚、水泥环弹性模量对套管所受径向、周向应力的影响规律.研究结果表明套管-水泥环-地层系统中各界面上的周向、径向应力均呈椭圆图形分布,且各界面周向应力以及套管与水泥环接触面径向应力的长轴均指向最小主压应力方向;套管外壁周向应力随着水泥环弹性模量的减小、套管内径的增大、套管壁厚的减小、水泥环壁厚的减小而逐渐增大;套管径向应力,随着水泥环弹性模量的减小、水泥环壁厚的减小,套管内径的减小,套管壁厚的增大而逐渐增大;影响套营周向应力的主要因素是水泥环的弹性模量和套管内径,影响套管径向应力的主要困素是水泥环的弹性模量和套管壁厚.分析认为适当提高水泥环的弹性模量、减小套管内径、增加套管壁厚,可减小套管应力,提高套管井抗挤强度.研究成果对优化套管完井设计、避免套营变形损坏、指导套管井的各种井下作业措施均具有重要的指导意义.     

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??At present, the mechanical testing on the ductility of cement sheath is faced with multiple technical difficulties. In this paper, numerical simulation and laboratory evaluation were adopted to compare the mechanical properties of typical elastic, flexible, ductile and neat cement systems at home and abroad by different loading rates, value range of stress–strain curve, confining pressure and temperature. It is shown that when the loading rate is lower, the stress–strain curve of set cement is not smooth, but distorted, and the stress cannot be responded in time; that when the loading rate is higher, the stress–strain curve of set cement is smooth, and the yield stage is remarkable, indicating that higher loading rate can reflect the yield strain behavior of set cement more truly; that the recommended Young's modulus range of set cement should be changed based on the actual downhole conditions; that temperature has more effect on yield stress and ultimate strain, but less effect on elastic modulus; that confining pressure has more effect on ultimate stress and ultimate strain, but less effect on elastic modulus; and that when the confining pressure is lower and temperature is higher, the yield stage of set cement is more remarkable. It is concluded that these mechanical behaviors of cement system in different conditions provide a technical support for understanding the mechanical essence of downhole cement sheath and exploring the mechanical integrity of cement sheath and even that of the whole wellbore.     

防窜增强剂对深水低温水泥石三轴力学性能的影响

深水表层固井面临着温度低、地层疏松、浅层流等技术难题,国内外研究人员在这些方面做了大量的研究,但针对深水低温水泥石的三轴力学性能的研究鲜有报道.因此,利用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统对密度为1.5 g/cm3的水泥石在低温条件下,不同养护期的三轴力学性能进行了分析研究.结果表明,加入防窜增强剂PC-GS 12L后,深水固井水泥石在围压作用下弹性区内的力学形变能力增加,而且水泥石在围压作用下的力学形变规律表现为伪塑性.     

水泥环力学参数与载荷间的适应性

为选择水泥环力学参数,保障水泥环封固效能,利用套管- 水泥环- 地层组合体结合有限元力学模型,研究了蠕变地层不同井深条件下水泥环屈服强度、弹性模量、载荷对界面应力及破坏形式的影响,分析了强度、弹性模量与载荷的力学适应性关系。结果表明:套管内加载时井口处水泥环易于发生周向拉伸破坏,井下水泥环则易于发生屈服和出现高的压应力。加载中水泥环发生弹性变形时,水泥环屈服强度对界面各应力不产生影响;弹性模量增加,界面各应力增加。水泥环发生屈服变形时,水泥环屈服强度增加,界面各应力均增大;弹性模量增加,界面接触压力增大,内界面周向应力降低;卸载时井口处水泥环易于发生胶结界面撕裂。水泥环具有低弹性模量、适当屈服强度、高抗拉强度、高胶结界面强度时承载能力高。     

地下储气库注采井不同井段水泥环密封性能实验

针对我国西南地区首座地下储气库——相国寺储气库投产后注采井出现较大比例的B环空异常带压问题,采用室内实验的方法,根据注采井100 m、900 m、2 000 m垂深处温度和压力差异,设计了不同的水泥石养护温度和加载围压,并采用小尺寸的水泥环完整性测试装置基于应力等效原理测试了从井底到井口水泥环在试压和注采时的密封能力。实验结果表明:①井筒不同深度段水泥候凝温度和围压差异较大,同一种水泥浆体系在实际固井后沿井筒深度具有不同的机械性能,导致不同井段水泥环密封性能存在着巨大的差异;②交变载荷会导致水泥环的压实和累积损伤,加剧水泥环的密封失效;③注采井2 000 m处水泥环在试压和注采工况条件下,密封性完好,没有发生泄漏,1 000 m处水泥环在试压工况下能保持完好,在循环交变载荷下存在着水泥环密封失效的现象,井口附近100 m处水泥环在试压工况和注采工况时均出现了泄漏;④实验结果揭示,在试压和注采工况下,井筒中上部水泥环密封失效是造成B环空异常带压的根本原因。结论认为,该研究成果可以为提高地下储气库注采井固井水泥环密封的可靠性提供实验数据支撑。     

页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响

大位移页岩气井的井眼轨迹复杂,且压裂开发过程中经常出现由于水泥环缺陷引发的套变损伤问题。针对页岩气井压裂过程中高泵压大排量的特点,采用有限元分析方法,通过优化模型网格划分,建立了适用于页岩气井复杂井眼轨迹下套管力学完整性计算的套管-水泥环-地层组合体模型,讨论了水泥环缺失角度、缺失厚度、缺失长度及复合缺陷对造斜段及水平段局部屈曲部分套管力学完整性的影响。结果表明,套管的周向应力随水泥环弹性模量的增大而减小,受泊松比影响较小。水泥环角度缺失会使套管出现应力集中现象,当缺失角度超过90°,应力集中现象得到减缓。随着水泥环缺失厚度的增加,套管所受应力增大。无论是造斜段还是水平段,不同缺失角度下,水泥环厚度、套管尺寸及泵压对套管应力的影响类似,趋势均为随着缺失角度的增加,套管应力先增大后减小。水泥环缺失的临界部位会产生应力突变,该位置也是最容易发生套损的部位。同一缺失厚度下,套管应力最大值随着缺失角度的增加而先增加后减小;同一缺失角度下,套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着缺失角度的增加,水泥环缺失部位对应套管沿管长方向的等效应力先增加后减小。水泥环越厚,套管等效应力越小。在相同厚度下,水泥环剩余厚度越薄,套管等效应力越大,全部缺失时应力水平最大。     

压力和温度共同作用下的水泥环应力分析

高温高压井中井筒压力和温度变化较大,会给水泥环的力学性能带来严重影响.基于弹性力学多层厚壁圆筒理论,建立了耦合压力、温度的水泥环力学理论模型,研究了水泥环中径向应力和切向应力的分布规律.研究表明:持续套管压力值为10~50 MPa且井筒温度变化值为-50~50 ℃时,水泥环总体上沿径向受压,沿切向受拉,二者最大值均位于水泥环内壁;井筒温度变化值一定时,水泥环中径向压应力和切向拉应力随持续套管压力值的增大而增大;持续套管压力值一定时,水泥环中径向压应力和切向拉应力随井筒温度的升高而增大,随井筒温度降低而减小;井筒温度升高会加剧水泥环的切向受拉失效风险,井筒温度降低却可能导致水泥环径向密封失效.因此,高温高压井应考虑井筒温度变化对水泥环应力的影响,建议采用低弹性模量水泥浆固井,并提高水泥环与套管和地层的胶结强度,以提高水泥环的整体力学性能.      

页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响

以弹塑性力学为基础,借助复变函数与应力场分解,对页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为进行分析研究,通过接触面上位移连续条件得到了系统各接触表面的受力表达式;以Drucker-Prager岩土屈服条件为破坏准则,得到了水泥环达到屈服时的最大套管内压力,并讨论了套管及水泥环参数变化对系统受力行为的影响规律。计算结果表明:水泥环内表面比套管更容易达到屈服极限,水泥环厚度对水泥环内壁受力影响较小;增加套管壁厚,有利于保护井筒的完整性;套管内径和水泥环弹性模量对水泥环内壁受力影响较大,套管内径和水泥弹性模量越小,则水泥环越安全。研究结果对于页岩气压裂过程中井筒完整性设计控制具有一定的参考价值。     

塔河油田碳酸盐岩储层声学参数特征及变化规律

以塔里木盆地塔河地区碳酸盐岩复杂介质为例,依据地层条件岩石声学参数的实验测试结果,获得下述认识:1)纵横波速度随围压的增大而增大,随温度的升高而降低;2)岩石的动弹模量随着围压的增加而增加,随着温度的增加而减小;3)纵横波的衰减随着围压的增加而减弱,随着温度的增加而增强。