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。     

复杂环境下水泥环全生命周期密封完整性研究进展与展望

受井下高温高压、酸性流体、固井后大规模分段压裂、油气开采等诸多因素影响,水泥环密封完整性极易遭受破坏,导致层间窜流、井口带压,甚至引发井喷。目前,以提高水泥环胶结质量为核心的水泥环密封控制技术,已无法满足复杂油气井长效开发需求,而随着深井、超深井与非常规油气井不断增多,未来面临的环境和工况更加复杂,对水泥环密封完整性的要求更高。为此,概述了复杂环境下水泥环全生命周期密封完整性研究进展,分析了目前水泥环密封完整性控制存在的主要问题,指出了未来应解决的基本理论和科学问题,并对未来相关技术进行了展望。研究认为,在持续研究高温高压环境下水泥水化及防窜理论、动载环境下水泥环密封失效规律、酸性环境下水泥石腐蚀机制的基础上,应突出全生命周期控制理念,解决“窜流、损伤、腐蚀”导致水泥环密封失效等关键科学问题,创新以水泥环密封完整性全生命周期监测技术和“防窜流、防损伤、防腐蚀”为核心的水泥环长效密封完整性控制技术,建立复杂环境下水泥环全生命周期密封理论与控制方法,支撑深层与非常规油气资源高效开发。     

变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响

以膨胀水泥作为研究对象,利用弹性力学理论,采用有限元方法研究了变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响。研究表明,合适的水泥膨胀率可以降低套管内的最大米塞斯（Mises）应力;水泥膨胀率越大,水泥环内最大Mises应力越大,最大周向应力越小;有套管内压时,膨胀水泥弹性模量越大,套管内最大Mises应力越小,水泥环内最大Mises应力越大;套管内压较小时,水泥弹性模量越大,水泥环内最大周向应力越小,套管内压较大时则与之相反;膨胀水泥泊松比对套管内最大Mises应力的影响较小,水泥泊松比越大,水泥环内最大Mises应力和最大周向应力越小。对于弹性地层和蠕变地层情况,膨胀水泥性能对井筒完整性的影响规律相似。变内压条件下,膨胀水泥性能对水泥环的挤压破坏和周向拉伸破坏影响较为显著,使用膨胀水泥时应根据实际情况优选膨胀水泥石的各项性能。      

水泥石力学性能对井筒密封完整性的影响

长庆油田延长组致密油层物性差,孔隙度和渗透率低,开采难度较大,需采用大型压裂技术才能获得产能。在水力压裂的过程中,存在井筒完整性失效的风险。针对这一问题,探讨了井筒完整性的失效模式,建立了考虑套管、水泥环和地层相互作用的弹塑性有限元力学模型,分析了水泥石弹性模量、屈服强度对组合体密封完整性的影响。结果表明,水泥石的弹性模量较小时,变形能力强,载荷作用下不易于产生硬性压碎破坏,卸载后界面也不易撕开;水泥石屈服强度越高,卸载后界面抗撕裂能力越好,同时水泥环承受的荷载也越高。指出,除水泥环本身的性能外,地层的力学性质、套管尺寸等参数对井筒完整性也有重要影响,尚需进一步深入研究。对于长庆油田延长组致密油水平井,水泥石抗压强度为26 MPa、弹性模量为7.2 GPa、屈服强度为13 MPa的组合可满足施工及生产要求。采用长庆油田合平4井的现场工程数据,通过建立的有限元模型对该井进行井口试压及水力压裂过程中的密封完整性校核,结果表明,采用韧性改造的水泥浆性能满足施工及生产要求。     

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。      

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。     

长庆致密气藏水泥环完整性分析

长庆致密油气藏的压裂压力较高,对水泥环力学性能提出较高要求,通过建立的套管-水泥环-地层组合体模型和组合体密封性能评价方法（密封安全系数法）,对长庆一种典型井身结构（φ152.4 mm井眼φ114.3 mm套管）进行水泥环完整性分析。结合现场数据分析认为:①随着水泥环弹性模量的降低,水泥环的受力明显降低,安全系数明显增大;②随着压裂压力的升高,安全系数降低;③随着水泥体积收缩率的增大,水泥环的安全系数显著降低。根据该井计算结果,提出了水平段保障密封的水泥力学性能需求,该项研究成果可为长庆致密气藏或类似区块固井水泥环完整性提供理论支持。      

高温深井环境下水泥环完整性模拟评价及改进措施

研究水泥环最重要的一环就是要建立评价水泥环完整性的实验装置和方法。通过应力等效方式将实际井筒水泥环承受的工况载荷等效到模拟井筒水泥环上,以通气验窜方式检验水泥环失效情况,利用CT扫描技术探测水泥环内部结构,揭示其失效机理,建立一套水泥环完整性的实验装置及评价方法。对西部某油田深井高温高应力环境下水泥环受载进行模拟实验,当地层压力一定时,套管内压力从12 MPa升至57 MPa后再下降过程中,未见气泡;保持套管内压不变,降低地层压力,当压力降低到一定值时,检测有气泡冒出,观察发现水泥环上、下端面及侧表面未见明显裂纹,但与水泥环胶结紧密的套管能自由脱出,揭示了水泥环失效机理为水泥石韧性不足导致套管水泥环胶结面失效,产生了微环隙。根据CT扫描分析可得,水泥环试样界面孔隙体积减少67.97%,同时水泥环界面出现的环隙体积约为3 061 mm3,占界面总体积的9.51%,水泥环界面体积减少2.21%,证实出现了微环隙。从材料改性角度入手提高水泥石韧性,最终优选出加量为0.2%碳纤维水泥浆配方。该方法可为油田水泥环的评价及水泥环材料改性研究提供有力的支撑手段。      

瞬态力－热耦合作用下水泥环完整性分析

页岩气井工程实践表明,套管压裂易导致水泥环完整性发生破坏出现环空带压。基于套管压裂工程实际,建立井筒温度场模型和套管－水泥环－地层组合体有限元模型,采用解析法和数值法结合方式,计算页岩气井压裂过程中瞬态力－热耦合对水泥环应力大小、分布影响规律。结果表明:压裂过程中水泥环内外壁温差先增大后减小,压裂初近内壁处存在陡峭温度梯度,易导致内壁应力显著提高;瞬态力－热耦合作用导致水泥环内壁应力大幅提升,加剧了水泥环完整性失效的风险,压裂初期为水泥环易发生损坏的“风险段”;水泥环内壁最大应力随着时间变化,易产生“多裂纹”形态,加剧环空带压。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥环完整性设计控制提供参考。     

聚能射孔对水泥环的冲击损伤试验及数值模拟

对于聚能射孔,现有研究主要集中于射孔后套管的破损及强度变化,对聚能射孔动态冲击载荷下水泥环损伤研究涉及较少。鉴于此,以聚能射孔冲击对水泥环的损伤为研究对象,开展了带温压的实弹射孔打靶试验,研究分析了射孔弹类型及水泥环自身性能对其损伤程度的影响。结合聚能射孔弹结构特性,采用有限元数值模拟软件建立射流形态仿真模型,可有效模拟射流的形成、发展和冲击动态过程,并计算动态冲击载荷。数值分析与试验结果对比表明,建立的套管-水泥环-地层数值模型和水泥环损伤数值模型可有效模拟射孔动态冲击载荷作用下的水泥环损伤情况。研究结果可为射孔参数优化和水泥浆体系优化设计提供指导,对提高射孔后水泥环的力学完整性,降低射孔冲击对水泥环的损伤,延长油气井寿命具有重要意义。     

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。     

基于水泥环完整性分析的许用套管内压力解析计算方法

现有的油气井套管—水泥环—地层系统的应力分析模型可用于求解井筒系统应力分布及水泥环破坏条件,虽然对探讨水泥环完整性受套管内压力变化的影响起到了重要作用,但均未能给出许用套管内压力解析计算公式。为此,基于均匀水平地应力条件下的套管—水泥环—地层系统的应力分析解析模型,针对多种水泥环破坏形式,推导出了受其作用下的水泥环径向开裂、剪切破坏、胶结面剥离等破坏条件的许用套管内压力解析计算公式。研究结果表明:(1)按水泥环径向开裂和剪切破坏条件分别求出最大允许套管内压力,推荐采用二者中的较小值作为最大许用套管内压力;(2)按水泥环胶结面剥离条件求出最小允许套管内压力,推荐将其作为许用套管内压力。结论认为,套管内压力升高可能导致水泥环径向开裂和剪切破坏,套管内压力及温度降低可能导致水泥环胶结面剥离,应综合考虑水泥环破坏条件合理确定出最大和最小许用套管内压力。     

蠕变地层水泥环特性对套管应力的影响

蠕变地层套管应力计算是采取套损预防措施的依据,目前采用非均匀地应力作为套管水泥环力学模型边界条件的套管应力计算方法与实际情况不符。提出了蠕变地层套管应力计算应将均匀地应力作为其边界条件的有限元力学模型,并分析了水泥环椭圆度和弹性模量对套管应力的影响:当水泥环弹性模量小于等于地层弹性模量时,套管最大应力出现在最小水平地应力方向,反之则出现在最大水平地应力方向;套管峰值应力随着水泥环椭圆度的增大而增加,套管由缩颈损坏转变为挤扁损坏;蠕变地层水泥环弹性模量与地层弹性模量和井眼椭圆度之间存在合理的匹配关系,改变水泥环弹性模量是降低蠕变地层套管应力的最有效方法。该规律的得出有助于加深套损机理的认识和套损预防措施的实施。（）     

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。     

水泥环套管射孔力学的有限元法分析计算

油井开发层段射孔对套管力学性能影响较大,油井开采中后期射孔套管损坏严重。建立水泥环—套管射孔模型并应用Ansys有限元软件计算分析射孔套管应力变化和套管性能,分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因。射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小。水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,可以有效减小套管产生的应力。均匀载荷下射孔套管的应力随外压的增加而增加,不同类型的套管应力变化较大。射孔套管的应力随着孔径的增加而明显增加。非均匀载荷对射孔套管影响较均匀载荷明显,套管的抗挤强度较均匀外压时明显减小。在非均匀外压较大时,应采用P110套管,以提高射孔套管的抗挤强度。     

大压差条件下水泥环密封完整性分析及展望

为解决目前页岩气井、深井油气勘探开发中广泛存在的环空带压问题,结合理论研究成果及实验室模拟结果,分析得出了目前在"深层、低渗透、非常规"油气资源勘探开发过程中,大压差条件是造成水泥环密封完整性失效主要原因的认识。通过对四川盆地页岩气井、安岳气田和塔里木盆地库车山前等区块高温高压深井在钻井、压裂、生产过程中大压差工况进行梳理和定量计算,运用计算结果解释了上述两个地区气井在大压差条件下水泥环密封完整性失效的原因:加载阶段水泥环周向出现的拉应力、加载—卸载工况使水泥环产生塑性变形、在卸载过程中界面产生拉应力等,造成水泥环拉伸破坏及界面微环隙,从而破坏密封完整性。归纳总结了井筒全生命周期各环节出现密封完整性失效的风险,初步提出了大压差条件下保障水泥环密封完整性的应对措施:①提升水泥石抗变形能力;②提高第一界面及第二界面胶结力;③提高界面接触力。     

水泥环对套管射孔后抗挤毁强度的影响

建立了未射孔套管、不带水泥环射孔套管、外裹水泥环套管的有限元分析模型,对这3种情况下套管的抗挤毁强度进行了对比分析。得出如下重要结论(1)射孔使套管抗挤毁强度显著降低,降低幅度为29%;(2)固结良好的水泥环对于加强射孔套管强度有明显作用,使射孔套管的抗挤毁强度提高188%;(3)水泥环不能抵消射孔对套管抗挤毁强度的伤害,外裹固结良好水泥环的套管,射孔后其抗挤毁强度与无孔套管相比下降156%。     

射孔水泥环套管力学性能的分析计算

油田生产中射孔对套管力学性能影响较大,生产层段射孔套管损坏严重.建立水泥环-套管射孔模型,计算分析射孔套管应力变化.由分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因.射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小.水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,随水泥环厚度增加,套管应力减小,抗挤强度增加.油田生产中,为节约成本,对射孔层段应该采用厚壁套管合并提高固井技术,保证水泥环与套管的牢固,可以提高射孔套管抗挤强度.射孔套管的孔密对套管水泥环应力影响较大,射孔套管-水泥环应力随射孔密的增加而增加.射孔相位角对套管应力影响较大,钻井完井应采用螺旋布孔,并保持相位角接近120°,可以提高射孔套管的抗挤强度.     

瞬态力-热耦合作用下水泥环形态对套管应力的影响

基于页岩气水平井压裂工程实际,采用解析法与数值法结合的方式,建立了压裂过程中井筒温度场计算模型和套管偏心、水泥环缺失有限元模型,据此研究瞬态力-热耦合作用下的水泥环形态对套管应力的影响。结果显示:1)页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合作用显著提高了套管应力;套管应力呈先升高后降低的动态变化,最大应力值出现在压裂初期。2)水泥环完整或套管偏心时,瞬态力-热耦合作用降低了套管应力周向分布不均匀差异;水泥环缺失时,套管应力随着缺失角、偏心距的增大而提高。研究结果对于精确计算页岩气井压裂过程中的套管应力具有重要意义。