水泥环性质对套管外载影响的模拟试验

在非均匀地应力作用下，含水泥岩蠕变使套管产生一个外挤力。在自制的真三轴模拟试验装置上进行了大尺寸真三轴模拟试验。试验结果表明，套管外挤力的分布是非均匀的，且随着时间的延长而增大；套管外载的分布为类椭圆形，经过较长时间趋于稳定值，其大小与地应力成正比。水泥环的弹性参数和泥岩含水量等对套管外载有一定影响。随水泥环弹性模量的增加，套管所受外载减小，且其非均匀性减小。水泥环厚度变化对套管外载无太大影响。     

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。     

非均匀地应力作用下套管与水泥环的受力分析

以地层－水泥环－套管组合系统地研究对象，以弹性力学为基础，对套管及水泥环在理想关头主况下受非均匀地应力和均匀内共同作用时的受载特性进行了分析，并依据不同的接触条件推导出相应的线性代数方程组。借助于计算机计算出不同地应力及表面受力分布，并可分析水泥环弹性模量及厚度、套管壁厚、水泥环与套管的接触状况等因素对套管及水泥环受力分布的影响。     

非均匀地应力作用下套管与水泥环的受力分析

以地层－水泥环－套管组合系统为研究对象。以弹性力学为基础。对套管及水泥环在理想状况下受非均匀地应力和均匀内压共同作用时的受载特性进行了分析，并依据不同的接触条件推导出相应的线性代数方程组。借助于计算机计算出不同地应力作用下套管、水泥环内部应力及表面受力分布，并可分析水泥环弹性模量及厚度、套管壁厚、水泥环与套管的接触状况等因素对套管及水泥环受力分布的影响。     

蠕变地层中含缺陷套管外挤压力分布的数值模拟

将蠕变地层视为粘弹性体,分别采用Maxwell粘弹性模型和线性强化弹塑性模型,建立了含缺陷套管—水泥环—蠕变地层有限元计算模型,旨在应用数值方法模拟在地质和工程因素及其联合作用下含缺陷套管外壁所受蠕动压力的分布规律,并对这类套管抗非均匀载荷的能力进行了有限元分析。采用逐步超松弛(SOR)迭代法进行了计算,为加快收敛速度,计算程序支持最佳松弛因子的自动快速搜索。算例分析表明,非均匀地应力条件下,最大地应力方向上套管外挤蠕动压力最小,而最小地应力方向上套管外挤蠕动压力最大;磨损缺陷改变了均匀载荷下套管外挤蠕动压力的分布规律,磨损处蠕动压力明显增大;与非均匀载荷相比,磨损是影响套管外蠕动压力分布更为敏感的因素。该数值结果可为复杂条件下含缺陷套管强度设计提供理论指导。     

蠕变地层中含缺陷套管外挤压力分布的数值模拟

将蠕变地层视为粘弹性体,分别采用Maxwell粘弹性模型和线性强化弹塑性模型,建立了含缺陷套管-水泥环-蠕变地层有限元计算模型,旨在应用数值方法模拟在地质和工程因素及其联合作用下含缺陷套管外壁所受蠕动压力的分布规律,并对这类套管抗非均匀载荷的能力进行了有限元分析.采用逐步超松弛(SOR)迭代法进行了计算,为加快收敛速度,计算程序支持最佳松弛因子的自动快速搜索.算例分析表明,非均匀地应力条件下,最大地应力方向上套管外挤蠕动压力最小,而最小地应力方向上套管外挤蠕动压力最大;磨损缺陷改变了均匀载荷下套管外挤蠕动压力的分布规律,磨损处蠕动压力明显增大;与非均匀载荷相比,磨损是影响套管外蠕动压力分布更为敏感的因素.该数值结果可为复杂条件下含缺陷套管强度设计提供理论指导.     

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.     

非均匀地应力作用下套管和水泥环表面受力特性分析

通过数值计算讨论了水泥环弹性模量、水泥环厚度、套管壁厚、不同接触条件等因素对套管和水泥环外载平均水平及非均匀程度的影响。结果表明，水泥环弹性参量对套管及水泥环受力影响很大，水泥环厚度、套管壁厚对自受力分布影响较大，不同接触状况对外载分布均有不同程度的影响。     

非均匀地应力作用下套管和水泥环表面受力特性分析

通过数值计算讨论了水泥环弹性模量、水泥环厚度、套管壁厚、不同接触条件等因素对套管和水泥环外载平均水平及非均匀程度的影响．结果表明，水泥环弹性参量对套管及水泥环受力影响很大，水泥环厚度、套管壁厚对自受力分布影响较大，不同接触状况对外载分布均有不同程度的影响     

温-压耦合作用下水泥环参数对套管应力影响

套管应力的准确计算是保证井筒完整性的重要基础;但现有理论直接将地应力加载到模型中,计算所得的位移场包含了地层在原始构造应力下所产生的位移;而此位移并非是钻开井眼后所产生的,这样就会对套管应力的计算产生影响。在原有模型基础之上,消除了原始构造应力所产生的位移,建立井筒组合体温-压耦合模型。根据弹性理论,由界面应力、位移连续性条件,推导了组合体在温度和压力共同作用下的应力解析解。研究了水泥环弹性模量、泊松比和厚度对套管应力的影响规律。结果表明,对于低弹性模量的地层,现有模型的套管应力计算值远远高;对于高弹性模量地层会低。对于不同水泥环泊松比,现有模型计算值低。水泥环厚度较小时,现有模型计算值偏高;较大时则偏低。由此可见现有模型存在一定的差异,尤其是对于低弹性模量地层,需要对现有模型进行修正,才能为水泥环参数设计提供正确的理论指导。     

蠕变地层套管等效破坏载荷分析

蠕变地层套管损坏的主要原因是套管外壁受到蠕变地层的非均匀载荷作用，套管本体抵抗非均匀载荷能力远远低于套管抗挤强度而产生缩径变形。通过分析蠕变地层套管非均匀载荷的分布形式，并考虑在该非均匀载荷作用下套管的强度特征及固井水泥环力学性能对套管抗非均匀载荷影响的基础上，采用有限单元法，分析了蠕变地层套管本体、固井套管组合体的等效破坏载荷。结果表明，非均匀载荷作用下套管的抗载能力迅速下降，提高固井水泥性能，切实保证固井质量将显著提高套管抵抗非均匀载荷的能力。     

水泥返高对气井持续环空压力的影响与分析

持续环空压力由气井井筒完整性遭到破坏引起,现有防治措施存在一定的局限性。为探究通过水泥返高调控持续环空压力的可行性,用一维不稳定渗流描述气体在水泥环中的运移过程,建立了基于物质守恒和体积守恒的含液环空持续环空压力计算模型,并给出了迭代求解方法。分析表明:持续环空压力随时间的增加而上升,降低水泥返高能够降低持续环空压力的上升速度和极限值;持续环空压力极限值与水泥返高呈线性关系,并且随着环空液体密度的增加而降低;可以通过降低水泥返高把环空压力极限值控制在环空最大允许压力以下。     

套管井电阻率测井方法及其影响因素分析

根据电磁场理论和中场区电场分布特点,建立套管井地层电阻率测井(CHFR)测井响应方程,用传输线理论分析了套管井测井数值计算的可行性,分析了水泥环、地层电阻率、套管厚度等因素对测井响应的影响.结果表明,低阻地层水泥环对测量结果的影响较大,电位二阶微商与地层电阻率成反比,随套管厚度的增大下降较快,特别是小于4mm时下降更快.     

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。     

页岩气井套管内压周期变化对水泥环密封失效的实验研究

压裂、回注、储气库注采等作业将造成套管内压的循环变化,最终导致水泥环的密封失效.针对前人套管内压循环变化造成水泥环密封失效破坏的实验研究并结合最新的实验结果,分析了是否考虑地层岩石约束两种井眼系统工况条件下的水泥环失效破坏方式.分析结果显示:未考虑地层岩石约束的实验易导致水泥环的周向拉伸破坏而产生径向裂纹;套管-水泥环界面过渡区的存在能降低水泥环的径向压应力和周向拉应力,从而降低水泥环产生拉伸破坏的风险;考虑地层岩石的约束时,水泥环内外界面受到套管和地层岩石的径向和周向约束,阻止了已经达到拉伸强度极限的水泥环发生拉伸破坏而产生径向裂纹的趋势;套管内压增大时,井下工况中水泥环主要发生塑性屈服破坏产生微环隙,基本不会发生周向拉伸破坏.研究成果可为固井优化设计提供参考.     

基于有限元建模技术确定注水井安全注入压力

针对气田水回注过程中,注入压力过高容易诱发套管损坏、水泥环破裂、注入水窜漏等安全、环保问题,开展了气田水回注安全注入压力计算方法研究。通过对注水过程中套管、井壁水泥环和地层受力分析,结合岩石力学实验获得的弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数,利用有限元法,建立考虑流固耦合的注水井有限元模型,模拟注水条件下套管、水泥环与地层的应力分布,综合确定注水井理论安全注入压力;该方法在四川盆地川中地区气田水回注井生产管理中得到了应用,可以为回注井规划部署提供重要依据。