单轴应力条件下水泥石强度与弹性模量的关系

利用高温高压养护釜、压力试验机等设备对油井水泥石的应力-应变曲线进行了检测.分析了温度、外加剂对水泥石强度和弹性模量的影响规律,研究了强度与弹性模量关系模型的建立问题.结果表明,单轴应力条件下水泥石具有明显的弹性变形及脆性破坏特征;强度与弹性模最初随养护温度提升而增大,达到一定温度后,随温度继续升高而减小;各体系的强度及弹性模量均随养护时间的增长而增加,分散剂、降失水剂、胶乳能降低强度和弹性模量,早强剂、膨胀剂能增加强度和弹性模量,硅砂能增加高温条件下水泥石的强度及弹性模量;采用数据回归分析方法建立水泥石强度与弹性模量之间的关系模型,可以依据所建立的模型利用水泥石强度测试数据估算弹性模量.     

纤维水泥石抗拉强度模型研究

为了将纤维水泥浆体系更好地应用于固井工程中,有必要对纤维改善水泥石强度机理进行研究并建立强度模型.利用岩石力学三轴实验机对纤维水泥石试块进行弹性模量测试,得到了纤维水泥石单轴应力-应变实验图.根据细观力学理论和能量守恒原理,在建立顺向分布纤维水泥抗拉强度模型的基础上得到了乱向分布纤维水泥的抗拉强度模型.模型分析结果表明,随着纤维掺量的增加,水泥石的抗拉强度有先增大后降低的趋势,这与实验室试验所得规律相同.     

纤维水泥石抗拉强度模型研究

为了将纤维水泥浆体系更好地应用于固井工程中,有必要对纤维改善水泥石强度机理进行研究并建立强度模型。利用岩石力学三轴实验机对纤维水泥石试块进行弹性模量测试,得到了纤维水泥石单轴应力-应变实验图。根据细观力学理论和能量守恒原理,在建立顺向分布纤维水泥抗拉强度模型的基础上得到了乱向分布纤维水泥的抗拉强度模型。模型分析结果表明,随着纤维掺量的增加,水泥石的抗拉强度有先增大后降低的趋势,这与实验室试验所得规律相同。     

高温高压油气藏试产期间固井水泥环力学完整性——以准噶尔盆地南缘高探1井为例

准噶尔盆地南缘超深层勘探已成为中国石油天然气勘探的重点领域,钻完井工程面临诸多高温高压环境的挑战.在完井试产期间,井筒温度和压力的大幅度且快速下降会改变水泥环应力,易导致套管和水泥环收缩不平衡,产生微间隙.为此,采用厚壁圆筒弹性力学理论,建立了套管-水泥环-地层组合体弹性力学模型,利用有限差分程序求解.研究认为,高温高压油气藏试产期间,水泥环的主要失效形式为收缩微间隙失效.以准噶尔盆地南缘高泉背斜高探1井试产为例,评价试产过程中水泥环失效时井筒压降及温度变化临界值,以及两者与水泥石力学参数的相互关系.该力学评价方法的研究对于高温高压油气藏试产期间水泥环完整性评价具有较高的应用价值.     

油井水泥石脆性降低的途径及其作用机理

针对国内油田薄油层井、小间隙井和侧钻井固井后射孔及后续增产措施造成的水泥环脆裂（即二次窜流）问题，为了降低水泥石的脆性，正确评价不同材料对水泥石韧性或弹性的影响，对掺有胶乳、橡胶粉和PVA纤维水泥石的抗折强度、抗压强度、抗冲击功和弹性模量等力学性能进行了研究，并对3种材料的作用机理进行了剖析。研究结果表明，与净浆水泥石相比，掺有胶乳和橡胶粉水泥石的弹性模量分别降低了69％-76％和49％-60％，掺有PVA纤维水泥石的抗冲击功和抗折强度分别提高了9％-89％和16％-37％。胶乳、橡胶粉与水泥水化产物的有效铰接和桥联作用显著提高了水泥石的弹性，PVA纤维的有效阻裂作用显著提高了水泥石的韧性。     

结构失效演化与极限承载力分析的无路径依赖性方法

为了合理分析结构的失效演化过程与极限承载力,结合齐次广义屈服准则、高效弹性模量调整策略以及失效元和失效模式的识别准则,提出了一种无路径依赖性的分析方法——弹性模量缩减法(EMRM).该方法利用齐次广义屈服准则来判断构件截面是否进入塑性状态,通过批量调整高承载单元的弹性模量来模拟结构的损伤演化,根据塑性极限状态时的弹性模量缩减幅度识别失效元和失效模式.结果表明,该方法只需建立杆系单元尺度的模型,可以考虑组合内力的影响,具有较高的计算效率和精度,克服了传统弹塑性分析方法在失效判别准则、损伤演化模拟、失效模式识别以及极限承载力分析等方面存在的缺陷.     

页岩气水平井油井水泥的原位增韧技术研究

针对页岩气水平井开发过程中油井水泥作为一种非均质多孔脆性复合材料，难以承受大型水力压裂带来的非均质载荷，导致水泥环的力学完整性失效破坏问题，开展了油井水泥原位增韧技术研究。研究中采用了固相烧结法和球形重淬技术，获得了微晶铁铝酸钙（MB）作为原位增韧材料。研究结果表明，制备的原位增韧材料在提升力学性能的基础上降低了水泥石的弹性模量，养护7 d后的抗压强度可达24 MPa，抗拉强度提升50%，弹性模量降至5.55 GPa。微晶铁铝酸钙的增韧机制为：“裂纹偏转”、“裂纹终止”、“消耗断裂能”。该研究的开展对满足以页岩气开采条件下的油井水泥服役要求，延长页岩气井寿命，增加页岩气产能具有重要意义。     

一种不依赖失效路径的结构体系可靠度分析方法

传统的结构体系可靠度分析方法依赖于结构失效路径的分枝和约界技术,导致主要失效模式难以识别、体系失效概率计算工作量巨大.鉴于此,本文结合弹性模量缩减法和随机有限元法,提出了一种不依赖失效路径的结构体系可靠度分析方法.首先利用随机有限元法计算结构的随机响应量,据此定义单元承载比和基准承载比,以判别结构在不同受力状态下的高承载单元.然后利用变形能守恒原理建立结构内力重分布和损伤演化模拟的随机弹性模量缩减法,进而根据塑性极限状态下高承载单元的弹性模量缩减幅度确定结构主要失效模式,并利用多失效模式的联合失效概率计算结构体系可靠度.研究表明,该方法消除了传统方法中潜在失效路径对主要失效模式识别和失效概率计算的干扰,能够取得更高的计算效率和精度.     

碳纤维改善水泥石韧性试验研究

针对油田中后期开发面临的固井质量问题，即水泥环脆性破裂问题，对水泥石韧性测定方法进行了讨论，采用水泥试件抗折强度和弹性模量试验以及薄片分析对碳纤维改善水泥石的韧性进行了考察，并分析了碳纤维改善水泥石韧性的机理。结果表明，纤维的加入可以使水泥石的抗折强度提高30％以上；随纤维掺量的增加，水泥石的弹性模量减小，泊松比增加；纤维在水泥石中的分布有效地阻止了裂纹的发展，增强了水泥石的韧性抗断裂能力。对于水泥石的抗折强度存在着最佳纤维长度和纤维掺量，本试验条件下，纤维的最佳长度为700～l400μm，最佳掺量为0．12％～0．19％。     

基于复合材料的橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测

为对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预估,分别建立单夹杂复合材料两层嵌入式模型和多步骤多相细观力学模型,得到橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测方法,对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预测;将弹性模量预测结果与实测结果进行对比分析,研究橡胶颗粒沥青混合料弹性模量影响因素,并对低温条件下弹性衰减进行分析.研究结果表明:该细观力学模型方法是有效的和可靠的,可用于预先评估橡胶颗粒沥青路面在低温下的力学性能和除冰能力;沥青胶浆的弹性模量对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量的影响较大,且随沥青胶浆弹性模量的增大而增大;橡胶颗粒用量变化对混合料弹性模量的影响比较大,随着橡胶颗粒用量的增加,混合料弹性模量逐渐减小;在低温下,混合料的弹性模量显著增大,橡胶颗粒沥青路面的除冰效果将大大减弱.     

模拟压裂作用对水泥环密封性破坏及改善研究

利用全尺寸水泥环密封性评价装置,研究了多段压裂作用下水泥环的密封完整性。分析了密封性破坏的机理;并提出了相应改善措施和评价标准。试验结果显示基浆水泥环在压裂交变应力作用下,加卸载次数较少时,水泥环密封完整性即遭到破坏;密封性失效发生在卸压阶段水泥环与套管之间的界面处。表明在套管内压高应力作用下,弹性模量较高的基浆水泥环中产生较大的应力,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;卸载时套管弹性回缩,水泥环中塑性变形不可完全恢复而存在残余应变,导致二者在界面处的变形不协调一致而引起拉应力。随着压裂应力交变次数的增加,水泥环塑性变形不断累积,卸载后的残余变形和拉应力也随之增大。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,水泥环密封性破坏。采用掺入胶乳、弹性粒子等形成弹塑性水泥石,弹性模量降低并保持较高的抗压强度,压裂作用时水泥环中产生的应力相对其抗压强度较低,产生的塑性变形较小,因此提高了水泥环保持密封完整性时压裂应力交变的次数,改善了水泥环的密封性。     

水平井大规模压裂固井水泥石性能设计方法

水平井大规模压裂对固井水泥石性能提出了更高的要求，不仅要求水泥石有一定的抗压强度，还需要具备一定变形能力。目前普遍采用的标准已不能满足水平井大规模压裂对水泥环密封性的要求。基于压裂工况条件下水泥环受力分析模型，综合考虑水泥环拉伸破坏和界面剥离破坏两种失效形式，提出了一种能满足大规模压裂密封要求的固井水泥石性能设计方法，建立了包含弹性模量、泊松比以及抗拉强度（或屈服强度）的固井水泥石性能指标控制图版，量化了水泥石的杨氏模量、泊松比、抗拉强度（或屈服强度）之间的关系。根据该指标控制图版进行水泥石性能设计，可以有效减少水泥环破坏的风险。建立了玛湖油田大规模压裂水平井固井指标控制图版，并根据该控制图版优选了弹韧性水泥浆体系，该体系现场应用10余口井，顺利完成了井口压力增量90 MPa的储层压裂改造，效果良好，达到了预期产量。     

水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响分析

利用弹性力学解析及有限元方法,分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究结果表明,增加水泥环弹性模量对套管外挤载荷有一定的减缓作用,但效果远没有降低水泥环弹性模量明显。理想水泥环的性能应该是高强度、低刚度。在固井作业时,对软地层推荐采用弹性模量大的水泥,对硬地层推荐采用弹性模量小的水泥。     

水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响分析

利用弹性力学解析及有限元方法，分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究结果表明，增加水泥环弹性模量对套管外挤载荷有一定的减缓作用，但效果远没有降低水泥环弹性模量明显。理想水泥环的性能应该是高强度、低刚度。在固井作业时，对软地层推荐采用弹性模量大的水泥，对硬地层推荐采用弹性模量小的水泥。     

椭圆水泥环厚度和弹性模量对套管受力的影响分析

根据岩石力学和弹塑性力学理论,建立套管-水泥环-地层力学模型,采用有限元方法研究分析不同地应力条件下椭圆水泥环厚度和弹性模量对套管应力的影响,研究结果表明:在均匀地应力条件下,一定厚度的圆形水泥环对减小套管受力有益,在非均匀地应力条件下,采用椭圆水泥环能有效的减小套管应力.     

分段压裂过程中射孔段水泥环密封完整性的数值模拟

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。本文建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。     

气井环空带压对水泥环力学完整性的影响

受井下作业、油套管或封隔器泄漏等因素产生的井口环空带压,使高温高压气井水泥环密封完整性面临巨大 挑战。为此,基于弹性力学多层厚壁圆筒理论和摩尔库仑失效准则,建立了水泥环应力和失效计算模型,研究了环空 带压对水泥环胶结面应力和失效的影响。结果表明,环空带压将增大水泥环胶结面的切向拉应力,过大的切向拉应力 将导致水泥环失效。与此同时,井筒温度增加产生的切向拉应力也会增大水泥环失效风险。环空带压越大,水泥环安 全系数越低,且温度效应对安全系数的影响较小。对高温高压气井,可根据井身结构（地层水泥环套管）参数建立 水泥环安全系数图版,从而为确定合理的最大允许环空带压值提供依据,研究结果对提高气井井筒安全性、延长开采 寿命具有重要意义。     

深水浅部地层水泥环应力分布规律研究

位于深水浅部地层的固井水泥环面临十分复杂的环境,目前针对深水浅层水泥环力学分布规律的研究较少。研究深水浅层水泥环应力分布规律,对于预测水泥环的完整性,防止安全事故的发生具有十分重要的意义。以弹塑性力学理论为基础,运用ABAQUS有限元软件,建立套管-水泥环-深水浅层组合体模型,分析不同因素对水泥环应力分布规律的影响;并得出以下结论:水泥环内壁为危险界面;随套管内压的增加,水泥环径向压应力逐渐增大,水泥环周向应力由压应力状态向拉应力状态过渡,水泥环的失效形式主要是周向拉伸破坏;水泥环弹性模量越大,其周向拉应力和径向压应力越大,而水泥环泊松比对应力分布规律的影响规律相反;深水浅部地层弹性模量和泊松比越大,水泥环越安全;水泥石在硬化过程中传递深水浅部地层孔隙压力在一、二界面产生初始应力,该力能减小水泥环周向拉伸破坏风险,有利于维持水泥环完整性。