强交变热载荷下页岩气井水泥环完整性测试

页岩气井大规模水力压裂过程中,因井筒内的温度、压力波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性。为了弄清强交变热载荷下水泥环完整性失效机理、避免页岩气水平井大规模压裂过程中水泥环屏障失效,基于自主研发的实验装置对全尺寸实物"生产套管—水泥环—技术套管"组合体在强交变热载荷作用下的密封完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了2种全尺寸水泥环(普通水泥环和高强度水泥环)在3种强交变热载荷作用下(出现间断CO₂气泡的循环次数分别为4次和14次,出现连续气泡的循环次数分别为5次和15次,交变热载荷分别为30～120℃和30～150℃)的完整性实验结果。研究结果表明:①交变热载荷对水泥环完整性具有显著的负面影响,并且随着交变温度及温差的增大,表征水泥环密封完整性的热循环次数急剧减少;②表征水泥环与套管间的剪切力、轴向与径向结合强度等界面力学性能指标均随交变温度增加而下降;③水泥环微环隙主要是由套管与水泥环材料之间的不协调变形所致,而交变热载荷诱导的水泥石自身力学性能衰退及损伤在一定程度上加剧了水泥环密封完整性失效。结论认为,该研究成果可以为深部页岩...     

软岩层引起的套管外载计算方法研究

在我国部分油田中,软岩层流变致使套管挤毁,造成巨大经济损失。以黏弹性流变模型理论为基础,建立软岩层、水泥环和套管流变耦合的力学模型。从材料本构关系、几何变形协调、静力平衡三方面进行分析,推导出均匀地应力下水泥环和套管流变外载的表达式。编制相关计算程序,研究软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变和水泥环对套管外载的影响规律。研究结果表明,软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变、水泥环力学参数对套管外载的影响较大。井眼的初始蠕变可释放部分流变载荷,改善套管受力;水泥环使套管受力恶化,在井眼环空不注水泥能延长套管使用寿命。所得结论与一些油田的现场实践相吻合,研究成果已成功应用于江汉油田岩盐层固井和套管设计。     

酸性气井不同井段三种套管钢的适用性评价

为考察含H2S/CO2酸性气井不同井段3种常用套管钢(T95钢、110SS-2Cr钢和825钢)的适用性及温度对其腐蚀行为的影响,利用高温高压釜在H2S分压0.55 MPa、CO2分压0.75 MPa、温度55~100℃条件下,对3种钢材的失重腐蚀性能进行了测试,并辅以扫描电镜观察腐蚀产物膜的微观形貌和能谱仪定性分析其化学成分,探讨了腐蚀机理。实验结果表明,模拟井筒腐蚀工况下,825钢腐蚀轻微,腐蚀速率远低于SY 5329-2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》规定的腐蚀控制指标0.076mm/a;T95钢和110SS-2Cr钢的腐蚀速率随温度的升高而增加,110SS-2Cr钢的耐电化学腐蚀性能远优于T95;随着温度的逐渐升高,T95钢和110SS-2Cr钢腐蚀产物膜变厚、结晶和结块趋势明显,主要成分是FexSy、FeCO3和含有少量Cr的化合物,110SS-2Cr钢腐蚀产物膜中,Cr含量比T95钢高,对基体的保护作用较强,因而在3个温度条件下的腐蚀速率均低于T95钢。结果表明,T95钢用于油层套管井口段具有较好的经济性和适用性,825钢用在封隔器及以下井段具有较好的适用性,中间段油层套管采用110SS-2Cr钢具有较好的适用性。     

S135钻杆钢预腐蚀后的弯曲疲劳性能

目的：考察有机盐钻井液对S135钻杆材料腐蚀及疲劳性能的影响。方法首先利用高温高压釜模拟有机盐钻井液井筒的工况环境,对疲劳试样进行预腐蚀,通过点蚀仪测定试样表面的腐蚀状况;然后利用旋转弯曲疲劳试验机在不同弯曲应力条件下对预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳性能进行测试,算得不同存活率下的疲劳强度,并绘制不同存活率下的S-N曲线。用体视显微镜和扫描电镜观察预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳断口形貌,进而得出S135钻杆材料表面腐蚀对其疲劳寿命的影响程度和影响机制。结果经过腐蚀的试样表面有较多腐蚀坑,腐蚀坑深度在0.4~0.7 mm之间。未腐蚀试样的疲劳强度为553 MPa,其疲劳断口只观察到单个疲劳裂纹源;腐蚀试样的疲劳强度为409 MPa,其疲劳断口观察到多个疲劳裂纹源。 S135钻杆材料腐蚀疲劳开裂敏感性指数为26%。结论经过高温高压有机盐钻井液环境腐蚀后,试样表面点蚀严重,腐蚀坑底部存在应力集中并导致裂纹源的形成,多个裂纹源的同时生长加快了裂纹的扩展,最终降低S135钻杆钢的疲劳强度。     

双金属复合管塑性成型有限元模拟

随着高含二氧化碳、硫化氢及元素硫等油气田的相继出现，油管、套管的腐蚀问题越来越突出，并直接影响到油气田的经济开发和安全开采。针对机械复合管塑性成型过程中的力学问题进行了有限元模拟研究，建立了模拟双金属复合管塑性成型的参数化有限元力学模型。通过有限元模拟研究，得出了双金属复合管所需的最小成型压力和成型后内外管间的结合力，分析了双金属复合管在塑性成型过程中内外管的接触压力、径向应力应变等力学特性。计算实例表明，该模型的几何尺寸、材料模型以及加载压力等参数均可以根据计算需要设定，可用于模拟不同材质和不同尺寸的双金属管在塑性成型过程中的力学特性研究。     

稠油井内衬保温油管热损失分析及开采参数优化

针对塔河油田稠油开采过程中原油热量损失大、资源浪费的问题,开展内衬保温油管开采技术研究。基于井筒稳态热传递与地层非稳态热传递理论,建立了稠油井井筒热传递数学模型,评价了不同内衬材料油管的保温性能,揭示了含水率、日产液量及内衬保温油管下深对井筒温度的影响规律。研究表明：内衬聚酮防腐层与气凝胶保温层的保温油管保温性能最佳,日产液量和保温油管下深对井口温度影响较大,含水率对井口温度的影响较小;日产液量大于72 t/d且保温油管下深大于3 500 m时,可满足稠油开采的温度要求。该研究明确了内衬保温油管保温的可行性,可为油田保温油管内衬的选材、稠油开采工艺参数的制订提供技术依据。     

岩盐层蠕变规律的反演方法研究

在岩盐层钻井过程中,井眼易发生蠕变缩径从而引起卡钻;固井后,又易发生套管挤毁等事故。为此预测岩盐层的蠕变规律尤为重要。研究了井下岩盐本构关系的辨识方法,建立了岩盐本构模型辨识的目标函数,并提出了以井径测量信息为基础反演确定岩盐层蠕变特性参数的位移反分析法。利用该方法较好地预测了井下岩盐的蠕变规律,并由此可确定井径缩小规律和钻井液的密度。在江汉油田的应用结果表明,理论预测结果和实际结果能较好地吻合。     

4145H石油钻铤钢示波冲击性能研究

对4145H钻铤钢纵向取样,研究了不同温度下的示波冲击特性。结果表明,取样钻铤的冲击功值满足《SYT5144-2007钻铤》和《API SPEC7》标准要求,并得出了4145H钻铤钢的冲击功随温度的降低而降低,起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高,裂纹扩展功以及裂纹扩展功与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢,钻铤不容易断;低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快,钻铤更容易断。该研究成果为合理指导4145H钻铤的生产工艺和现场使用提供了依据,为分析4145H钻铤断裂机理提供了基础实验依据。     

微观组织对高强度超级13Cr材料性能的影响

为了满足塔里木盆地含CO_2致密砂岩气藏氮气钻完井一体化管柱的需要,中国石油塔里木油田公司与钻杆生产厂家联合研制了一种既满足钻井工况又能满足完井和采气工况的高强度超级13Cr不锈钢油钻杆。为检验该油钻杆的可靠性,开展了管材的机械性能和腐蚀性能室内试验检测对比研究:采用金相显微镜观测得出了该油钻杆金相组织特征;采用拉伸试验机和示波冲击试验机实验测得了该油钻杆材料的基本力学性能;采用高温高压循环流动腐蚀仪实验获得了模拟工况下油钻杆材料的耐腐蚀性能。结果表明,超级13Cr油钻杆金相组织均匀、δ-铁素体含量符合标准要求;拉伸性能达到了S135级钻杆的强度要求,屈服强度达953 MPa;冲击性能优于S135级钻杆,冲击功达165.56 J;在模拟高温、高含CO_2、高矿化度采气工况下油钻杆耐均匀腐蚀和耐点蚀性能良好,而较高的δ-铁素体含量对照样在模拟采气工况下出现严重点蚀,不能满足油田生产要求。结论认为,新研制的超级13Cr油钻杆性能优良,将在塔里木油田氮气钻完井作业中得到充分应用。