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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

固井水泥石三轴力学试验的试样制备方法

固井水泥石力学性能直接关系到水泥环的长期密封效果。获取固井水泥石的力学性能参数主要通过三轴力学试验进行，有效制备试样对固井水泥石三轴力学试验研究乃至水泥环完整性分析至关重要。基于固井水泥石三轴力学试验试样的特殊性，设计探索了正方体水泥石养护成形后取心的正方体取心制样以及借助于模具一次养护成形制样等2种试样制备方法；研制了用于模具养护制样方法的?25.4 mm×50.8 mm小试样和?50.8 mm×101.6 mm大试样2套圆柱形水泥石养护模具；通过散点分布、均方根误差分析、标准差分析等对比研究了56组不同制样方法获取试样的力学试验数据，结果表明，小试样模具制样养护方法在数据可靠性、制样效率及成本等方面均优于其他方法，推荐作为固井水泥石三轴力学试验试样制备方法。     

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。     

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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。     

空心微珠低密度水泥环完整性试验研究

为了提高空心微珠低密度水泥环的长期封固能力,开展了循环载荷及高内压工况作用下的水泥环完整性试验研究。利用三轴岩石力学测试系统,采用轴向循环加卸载的方法,分析了循环加卸载过程中水泥石的损伤形变规律;在试验基础上,结合厚壁圆筒理论,分析了高内压工况下水泥环的封固完整性。试验结果表明:循环加卸载与高内压工况均能使空心微珠低密度水泥环丧失力学封固完整性。为此,优选了可分散性纤维FK对空心微珠低密度水泥浆进行增韧改性,改性后的水泥浆性能良好,可满足固井施工要求;增韧水泥石的抗拉强度、协调形变能力和承压能力均有所提高,弹性模量下降。研究结果表明,可分散性纤维FK增韧效果较好,为进一步提高低密度水泥环完整性提供了理论依据和优化手段。      

水泥石耐久性的力学评价

以G级油井水泥石为研究对象,研究了油井水泥石耐久性的评价方法,为完善评价水泥石力学性能提供了理论依据。通过三轴力学测试仪进行了水泥石的长期强度和破碎能试验,并结合理论分 析,给出了长期强度和破碎能两个评价水泥石耐久性的重要参数。该研究只针对原浆水泥石进行了室内试验,并未对加入外加剂的水泥浆体系进行对比研究,下一步研究重点应放在加入何种外加剂能够 提高水泥石的耐久性上。     

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。     

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。      

基于水泥石实验数据的水泥环力学完整性分析

气井环空带压是高温、高压、高酸性气井开发中面临的一个重要难题。为此,针对从固井到生产作业中影响固井水泥环力学完整性的问题,采用弹塑性力学理论,建立套管-水泥环-地层系统耦合力学模型,求解水泥环Tresca应力和径向位移。结合龙岗气田X井尾管固井水泥石三轴应力实验获得的弹性模量、泊松比、抗压强度、屈服应变等岩石力学参数,进行了尾管固井段水泥环力学完整性评价：①固井初期,同一井深处,井筒内压力越大,水泥环受到Tresca应力和水泥环径向位移越大;相同内压下,随着井深的增大,水泥环受到的Tresca应力变化很小,但水泥环径向位移增加较为明显。②生产阶段,由于井筒内压力逐渐降低,水泥环受拉应力作用,水泥环移动方向与固井初期移动方向相反,随着压力的降低,在同一井深处,水泥环受到的Tresca应力和水泥环径向位移都变大;随着井深的增加,Tresca应力和径向位移逐渐增大。评价结论认为该井测试及生产期间不会引起尾管段水泥环力学完整性失效。     

水泥环性质对套管抗挤强度影响的有限元分析

套管常在油层和泥岩部位严重损坏，分析认为这是生产过程中地应力发生了变化，导致油层孔隙压力或泥岩力学性质改变，造成地应力重新分布的结果。因此，水泥环的质量对套管的影响较大。建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用Ansys有限元软件分析了套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明，最大应力在套管内壁产生，均匀我荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的5～7倍，而且栽荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力，因此，均匀我荷下应适当提高水泥环弹性模量，以达到提高套管抗挤强度的目的。     

地层和水泥环弹性模量对套管强度的影响分析

以地层-水泥环-套管组合系统为研究对象,根据弹性力学理论,推导了热应力和非均匀地应力作用下套管壁上的三轴应力计算公式,并研究了热采井和常规非热采井中不同地层、水泥环弹性模量对套管强度的影响规律。研究结果表明,随着水泥环弹性模量的增加,套管内壁Mises应力先急剧增加,后呈缓慢下降趋势;在套管Mises应力达到最大值之前,降低水泥环的弹性模量,可以对套管起到明显的保护作用,这一点对于热采井注汽期间的套管保护效果更加显著;地层弹性模量越大,常规井中套管内壁的Mises应力值越小,而热采井注汽过程中套管内壁的Mi-ses应力值则越大。     

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。      

压裂过程中射孔段水泥环力学响应规律

针对压裂过程中射孔段水泥环完整性失效,导致压裂中出现环空窜流,从而无法有效改善储层渗流能力的问题,通过建立射孔段套管-水泥环有限元模型,对压裂过程中射孔段水泥环力学响应进行了分析,并研究了不同射孔参数对射孔段水泥环的力学影响规律。结果表明:压裂过程中射孔段水泥环孔眼周围存在明显的应力集中和孔间应力干扰现象;压裂过程中固井一界面较二界面更容易产生密封性问题;射孔段水泥环应力分布与射孔相位角有密切关系,应尽量选取90°相位角螺旋射孔方式射孔;射孔孔径的增加对射孔段水泥环应力分布影响不大,为增加单孔泄油面积,可在小范围内增加射孔孔径;射孔密度对水泥环应力的影响要大于射孔孔径,但射孔密度超过16孔/m以后应力增加幅度会减小,且影响都在一个数量级以内,在有效控制水泥环射孔损伤的前提下可有限度地增加射孔密度。该研究可为压裂射孔方案制定提供理论依据。     

膨胀水泥环空界面径向应力理论解及实验验证

为了确定固井水泥凝固过程中套管和水泥环初始载荷状态,综合考虑水泥凝固过程中体积膨胀和材料参数的变化规律,推导出水泥凝固过程中环空界面的径向应力理论解。在理论解推导过程中,将水泥环的凝固过程分为多个时间步长,在每一个时间步长中,先计算水泥环无载荷状态下的原始半径,然后依据套管、膨胀后的水泥环和地层3者的协调变形条件,计算出变形后的径向应力,并将其和变形后的半径值一起作为下一步计算的初始数据。通过室内实验测量了套管和地层在水泥凝固过程中的环向应变,实验结果证明了理论解的正确性。计算和实验结果表明,水泥环在凝固过程中,内外两个界面的径向应力均为压应力,其绝对值随着井壁岩层弹性模量的增加而增加。水泥环的弹性模量越大,其凝固过程中对井壁产生的径向压应力越大,而对套管外壁产生的径向压应力反而越小。故对不同弹性模量的地层应采用适宜弹性模量的水泥固井,以达到使系统载荷均衡的目的。