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文章分析了油井水泥石力学失效的原因，从改善油井水泥石硬脆性的角度出发，通过室内实验研制出一种惰性弹性颗粒材料J－80，利用弹性颗粒止裂原理增加油井水泥石塑性形变能力及抗冲击破坏能力，赋予油井水泥石可控塑性形变能力。实验结果说明，J－80能有效改善油井水泥石力学性能，降低油井水泥石硬脆性，在适宜加量下有助于提高界面胶结强度，可解决因油井水泥环整体性受到破坏而引起的层间封隔失效，延长油井寿命保证后期开采作业的正常进行。文中还探索了一种室内评价油井水泥石塑脆性的可行方法，它是以单位弯曲强度下的弯曲形变量作为油井水泥石塑性大小的评价参数，客观反映了油井水泥石塑性形变大小。     

胶乳对水泥石三轴力学形变能力的作用

针对套管、水泥环、地层三者间形变不协调而引起油气井生产后期层间封隔失效的问题,采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR-100,准确地测定了在三轴应力直接加载及三轴应力多周循环两种加载方式下水泥石的力学形变能力。实验结果表明,水泥浆中添加一定量的SBR胶乳,在降低油井水泥石抗压强度的同时增大了油井水泥石在低应力作用下的弹性形变和在高应力下的塑性形变,提高水泥石抗冲击破坏的能力。     

提高油井水泥环力学形变能力的途径及其作用机理研究

进行了油井水泥浆添加纤维、胶乳、弹性颗粒对油井水泥石单位弯曲形变量的影响实验,实验结果表明,纤维、胶乳、弹性颗粒能增加油井水泥石的力学形变能力.分析了纤维、胶乳、弹性颗粒增加油井水泥石力学形变能力的作用机理,以期指导固井作业水泥环耐久性设计,延长油井开采寿命.     

玻璃纤维对硫铝酸钙水泥石力学性能的影响

随着油气田开采难度和井下情况复杂化程度的增加，常规水泥环易发生脆裂，进而影响水泥环的层间封隔作用，影响井筒完整性。硫铝酸钙水泥是一种性能优良的固井水泥材料，为了了解硫铝酸钙水泥在固井工程中应用的潜力，制作了玻璃纤维增强硫铝酸钙水泥石（CSA/GRC）样品，利用X射线衍射法分析不同龄期硫铝酸钙水泥的晶体水化产物；通过三轴应力-应变实验，测试CSA/GRC固井水泥石的力学性能；采用扫描电子显微镜观察CSA/GRC固井水泥石断裂面的微观形貌，分析玻璃纤维在硫铝酸钙水泥石中的增韧机理。研究结果表明:CSA/GRC固井水泥石具有良好的韧性和力学形变能力，轴向抗压强度和极限应变值比常规玻璃纤维固井水泥石分别提高了约45%和300%；玻璃纤维与硫铝酸钙水泥体系之间有良好的复合能力，纤维抗腐蚀性能强；通过应力分散作用和桥联作用，玻璃纤维可约束裂缝的进一步扩展，从而提高固井水泥石的韧性。     

油井水泥环降脆增韧作用机理研究

针对油井水泥环井下易脆裂问题,对脆性水泥环破坏的根本原因进行了研究.结果表明,水泥石内部化学键断裂导致内部裂缝的扩展是水泥环后期层间密封性能失效,并诱发环空窜流的主要原因之一.实验研究了外加剂及外掺料对油井水泥石脆性改善的微观作用机制,建立了包括结晶相、凝胶相、粒问充填及粒问搭桥在内的基质塑化设计模型.利用此设计模型开发了多元材料复合增韧水泥石,与常规水泥石相比,其力学形变完整性的保持能力有较大的提高,适应井下工况环境变化的能力得到增强,可满足油气井后期安全开发生产的需要.     

吉木萨尔页岩油井水泥环性能评价

水力压裂技术是提高页岩油井产能的重要手段,压裂过程中固井水泥石力学行为对油气井安全和高效生产有重要影响。基于吉木萨尔地区固井水泥浆体系配方,设计了水泥试样养护模具及水泥胶结强度测试方案,养护了水泥石标准圆柱试样及水泥石胶结试样,开展了模拟井底条件下单/三轴压缩实验、循环加载实验以及胶结强度实验,探究了固井水泥石本体、胶结面损伤及破坏规律。研究结果表明：单轴压缩条件下,水泥石具有显著的弹脆特性,破坏时水泥本体形成宏观裂隙,水泥弹性模量均值为3.054 GPa,泊松比均值为0.127;三轴条件下水泥石强度及塑性特征得到增强;循环加载过程中,水泥石塑性变形存在双线性累积现象,塑性变形量与载荷峰值呈正相关,载荷峰值由22.7 MPa增至53.2 MPa时,循环20次后的塑性应变由0.24%增至2.46%;水泥胶结面为天然力学弱层,水泥石胶结强度小于1 MPa,远低于水泥石本体强度,是井筒密封失效的风险点位。     

丁腈橡胶颗粒油井水泥石抗冲击力学性能与损伤特征

油井水泥是一种典型的脆性材料，提高水泥环韧性和降低水泥环脆性是目前的研究热点，在保证油气井安全生产的前提下还能延长油气井使用寿命。该研究将球形丁腈橡胶颗粒(Microsphere nitrile Rubber Powder,MRP)与不规则丁腈橡胶颗粒(Nitrile Rubber Powder,NRP)分别加入到油井水泥中，探讨其抗冲击力学性能与损伤特征。采用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar-SHPB)设备测试了不同体系水泥石的动态抗冲击性能，讨论了动态抗压强度、能量演化、损伤特征的变化规律。球形丁腈橡胶颗粒加量为6%的油井水泥石试样动态抗压强度可达（64.0±1.6）MPa，试样吸收能为39.93 J，吸能率可达49.91%；不规则丁腈橡胶颗粒加量为6%的油井水泥石试样动态抗压强度为（74.1±1.8） MPa，试样吸收能为46.56 J，吸能率可达58.20%。通过高速摄影和微观形貌发现，不规则丁腈橡胶颗粒与水泥基体间结合更加紧密，通过裂纹偏转机制提高阻裂能力，利于延长试样承载时间，加大载荷能量的消耗。     

纤粒复合型油井水泥石增韧剂的性能及机理研究

针对国内油田油气井因后续施工(射孔、压裂、酸化等)造成水泥环脆裂的问题,根据断裂力学原理和复合材料理论设计配方,选用GX(1.0%的特种无机富硅纤维 2.5%的有机弹性颗粒)作为油井水泥石增韧材料;并对掺有GX的油井水泥浆的工程性能、物理性能、与其他外加剂的配伍性以及水泥石的微观结构进行考察,结合性能评价试验,分析了GX在水泥石中的增韧作用机理。结果表明,GX可以显著提高油井水泥石的韧性和弹性,并且与其他外加剂配伍性良好。     

基于多孔介质理论的油井水泥石破坏准则

水泥石是一种由水泥骨架和孔隙组成的多孔介质，井下水泥凝固水化后，孔隙中还会有自由水存在，并且与地层相通，所以水泥石力学行为会受到地层孔隙水压和外部载荷的影响。为进一步揭示油气井实际工况下水泥石的力学性能，引入多孔介质力学理论，对水泥石力学性能进行三轴力学实验研究，获得相关参数，从而确定了考虑孔隙水压的水泥石摩尔-库伦破坏准则。实验以嘉华油井水泥作为研究对象，通过改变围压、排水条件以及孔隙水压获得水泥石的各项力学参数。结果显示，孔隙水压是影响水泥石破坏强度的重要因素；不考虑多孔介质力学的水泥石摩尔-库伦准则模型为非线性；考虑多孔介质力学理论的水泥石摩尔-库伦包络线为线性并获得准则公式。      

霍布金森水泥石动态力学性能与射孔验窜试验装置

射孔弹对水泥环和岩层的侵彻是在极短的时间内用极高的压力和速度完成的,因此在评价水泥环的抗冲击能力时,研究水泥石在高应变率下的动态力学性能极其重要.为了研究在一定温度和压力下的水泥石的动态力学性能和抗射孔冲击能力,研制了霍布金森水泥石动态力学性能测试装置与射孔验窜装置.介绍了霍布金森水泥石动态力学性能测试装置的基本原理和测试方法以及射孔验窜装置的设计和试验方法.霍布金森水泥石动态力学性能测试装置可以定量测定水泥石材料的动态力学性能,并通过射孔验窜试验装置对水泥环的抗射孔冲击能力进行评价,总结出了射孔对水泥环破坏的3个主要原因,并以动态弹性模量、水泥石破碎吸收能和水泥石动态断裂韧性作为评价参数,为水泥石材料的力学性能研究提供了科学的检测评价方法.利用该套试验装置可以进行提高水泥环韧性的试验研究、提高固井水泥石抗冲击能力的外加剂研究、分析射孔对水泥环损伤的原因,提出油井水泥石改性途径,给出水泥环抗冲击性能的临界力学指标等试验研究.     

套管水泥环的室内破坏试验及力学分析

套管外水泥环的破坏是导致管外串槽、套管外腐蚀的原因之一。为弄清井下作业是否会损坏管外水泥环 ,进行了一系列室内破坏试验 ,并对试验结果进行了理论分析。试验结果表明 :管外水泥环无围压时 ,套管内施加很小的压力 ,就会导致水泥环上产生裂纹 ;水力锚作业对水泥环的破坏程度比压裂对水泥环的破坏程度更严重 ;没有围压的水泥环抗内压强度极低。提出压裂与酸化设计中 ,应考虑作业压力对套管外水泥环的破坏作用 ;在选用井下工具时 ,应尽量避免选用带有爪牙的局部支撑管柱的井下工具。     

水泥石力学变形能力的影响因素实验分析

针对从实验角度计算水泥石在一定井下条件的变形能力研究相对较少的问题,结合弹性耦合力学模型,利用实验结果计算并分析了在一定工况下,水泥浆配方、实验温度、围压、养护时间、水泥环厚度5个方面对水泥石变形能力的影响。结果表明,加入弹韧性材料能够降低水泥环的弹性模量,且加入胶乳后的水泥环力学变形能力较纤维水泥环明显要好;随着养护温度的升高,水泥石的弹性模量减小,从而增加了水泥环的总变形能力;随着围压的增大,水泥环变形能力有减弱趋势;随着水泥环在井下的时间增长,在一定程度上提高了水泥环的力学变形能力;虽然水泥环厚度对水泥石自身性能无影响,但水泥环厚度从38.1 mm减小到19.1 mm,水泥环在井下条件的变形可增大85.5%。     

套管在单轴压缩载荷下的失效规律

针对均匀载荷下套管挤毁失效规律的研究颇多,并已形成了API 5C3和ISO标准;然而,非均匀载荷对套管的挤毁强度也具有显著影响,目前对其套管挤毁失效规律的探索与试验则较少。为此,利用YAW电液伺服压力试验机,开展了无水泥环和含水泥环的P110SS套管局部受到单轴压缩载荷的非均匀挤毁试验,得到了P110SS套管在单轴压缩载荷下的位移变化规律,套管在挤压过程中始终没有出现任何裂纹,表明该套管在变形过程中不会爆裂而发生井下事故;基于套管外壁粘贴电阻应变片测量套管在测试过程中应变的方法,得到了无水泥环和含水泥环的套管局部屈服载荷、局部失稳载荷以及其在单轴压缩载荷下的变形规律和失效机理,分析了水泥环对单轴压缩载荷下套管局部屈服载荷和局部失稳载荷的影响。结论认为,加载过程中刚开始发生屈服的套管,并不代表其失去承载能力或其承载能力下降,相反其承载能力有较大的提高。     

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。      

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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.     

循环应力作用下水泥环密封性实验研究

利用自主研发的水泥环密封性实验装置研究了套管内加卸压循环作用下水泥环的密封性,根据实验结果得出了循环应力作用下水泥环密封性失效的机理。实验结果显示,在较低套管内压循环作用下,水泥环保持密封性所能承受的应力循环次数较多;在较高循环应力作用下,水泥环密封性失效时循环次数较少。表明在套管内较低压力作用下,水泥环所受的应力较低,应力水平处于弹性状态,在加卸载的循环作用下,水泥环可随之弹性变形和弹性恢复;在较高应力作用下,水泥环内部固有的微裂纹和缺陷逐渐扩展和连通,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;随着应力循环次数的增加,塑性变形也不断地累积。循环压力卸载时,套管弹性回缩而水泥环塑性变形不可完全恢复,2者在界面处的变形不协调而引起拉应力。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,导致水泥环密封性失效,水泥环发生循环应力作用的低周期密封性疲劳破坏。套管内压力越大,水泥环中产生的应力水平越高,产生的塑性变形越大,每次卸载时产生的残余应变和界面处拉应力也越大,因此引起密封性失效的应力循环次数越少。      

利用预应力固井方法预防水泥环微环隙研究

深层页岩气水平井环空带压问题较为普遍,套管-水泥环界面处微环隙是导致环空带压的主要原因。针对该问题,运用力学实验手段和数值模拟方法,分析了预应力固井条件下微环隙的产生与发展,明确了不同预应力条件下水泥环耐受压裂段数。结果表明:套管内压越小,水泥环保证密封完整性时可承受的循环载荷次数越多;循环载荷作用下微环隙宽度为30.89μm是发生气窜的临界值。预应力固井显著降低了初次塑性变形量,增大了塑性变形增量;考虑预应力作用下套管产生的径向预应变,预应力固井技术显著降低了微环隙的宽度,增加了多级压裂过程中水泥环密封完整性的耐受压裂段数。预应力值越高,微环隙出现前的耐受压裂段数越多;压裂段数相同的情况下,预应力越大水泥环微环隙越小。现场应用结果表明,采用预应力固井技术及低弹性模量水泥浆,可以有效缓解深层页岩气水平井套管环空带压现象。研究结果可为页岩气水平井固井提供技术支持。     

高温高压对微波破岩效果的影响模拟研究

为了将微波破岩技术应用于石油钻井，研究了钻井过程中高温高压对微波破岩效果的影响。根据岩石不同矿物成分的微波吸收特性，建立了某岩石的二维平面模型，模拟分析了温度、围压及二者共同作用对微波破岩效果的影响。研究发现:在微波照射参数相同的情况下，随着井下温度升高，岩石发生塑性变形的时间缩短；随着井下围压增大，岩石塑性变形时间延长；温度和围压共同作用时，围压的影响占主导作用，而温度的影响主要在高温条件下体现。研究结果表明，围压不利于微波破岩，且影响较大；温度对微波破岩有一定促进作用，但只在高温条件下作用明显。因此，应用微波进行破岩时要综合考虑温度和围压变化对破岩效果的影响，及时调整微波参数，使破岩更加经济高效。