变内压条件下井筒完整性的弹塑性分析

针对套管内压变化影响井筒完整性问题,将套管、水泥环和地层视为弹塑性材料,从微间隙的形成及水泥环周向拉伸破坏两方面综合分析井筒的完整性,采用有限元方法模拟研究水泥环和地层机械参数变化对井筒完整性的影响。结果表明:水泥环弹性模量越大,越易形成微间隙和发生水泥环拉伸破坏;水泥环泊松比越小,形成的微间隙尺寸越大,越易发生水泥环拉伸破坏,但泊松比的影响程度较弹性模量小。地层弹性模量越小,越易形成微间隙且间隙尺寸较大,越易发生水泥环拉伸破坏;地层泊松比越大,形成的微间隙尺寸越大,但其影响程度较弹性模量小;地层泊松比变化对水泥环拉伸破坏的影响较小。在形成微间隙之前就可能会发生水泥周向环拉伸破坏。     

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.     

一种非均匀地应力下椭圆井眼套管-水泥环-地层力学特性半解析解

为研究井壁崩落形成椭圆形井眼后套管受力情况,在弹性力学理论的基础上,结合复变函数方法建立了非均匀地应力作用下椭圆形井眼内套管-水泥环-地层组合体应力模型,根据应力边界条件与位移单值条件得到了系统各界面处应力分布的半解析解;并探究了井眼椭圆度、水泥环弹性模量和泊松比对套管外壁径向应力与Mises 应力的影响。研究结果表明：与圆形井眼相比,椭圆形井眼能减小套管所受最大应力,降低应力非均匀度;高泊松比、低弹性模量水泥环也有利于减小套管受力。研究成果对井壁崩落段地层钻井液密度、套管规格选取和固井水泥性能设计具有重要的指导意义。     

套管-水泥环-地层耦合系统热应力理论解

根据弹性力学和热力学理论,推导了套管-水泥环-地层耦合系统的热应力和热位移理论计算公式,分析了系统热应力和热位移径向分布规律,以及套管温升、弹性模量、热膨胀系数、壁厚、水泥环与地层弹性模量和泊松比等参数对套管热应力和热位移的影响.结果表明:随着离套管中心径向距离的增加,径向热位移和热应力先增大后减小,最大值分别位于地层和套管外壁,而套管上Von Mises应力值迅速下降,最大值位于套管内壁;随着套管温升和套管、水泥环、地层弹性模量与热膨胀系数的增加,套管内壁Von Mises应力和外壁径向压力增大,其中套管参数变化对计算结果影响更明显.在进行稠油热采井套管抗挤毁强度计算时,应考虑热膨胀在套管外壁产生的径向压应力的影响.     

CCUS地质封存下水泥环密封完整性失效机理及控制措施

CO₂封存过程中,水泥环作为套管-水泥环-地层组合体中最薄弱的环节,在压力变化尤其是交变压力的作用下,水泥环密封完整性失效的风险极大,其完整性失效容易导致CO₂从环空中泄露至地表,严重影响CO₂的封存。基于已建立的水泥环组合体弹塑性模型,利用MATLAB进行模拟分析,研究了全井段水泥环密封完整性失效机理以及相应的控制措施。研究结果表明,水泥环密封完整性失效主要与水泥环进入塑性产生的塑性应变累积有关,并且无论是在浅层段还是深层段,只要水泥环进入塑性,在多次交变压力的作用下,就有产生“界面应力反转”的风险,导致水泥环密封完整性的失效。要想避免水泥环密封完整性的失效,应首先避免水泥环进入塑性状态,即提高水泥环屈服内压；浅层段,低弹性模量的水泥环可增加水泥环屈服内压；深层段,在水泥环泊松比“临界点”之上,降低水泥环弹性模量可有效提高水泥环屈服内压,在水泥环泊松比“临界点”之下,增加水泥环弹性模量可提高水泥环屈服内压。当由于套管压力过大,水泥环不得不进入塑性状态时,低弹性模量和高泊松比的水泥环可以降低卸载后的水泥环残余应力,延缓“界面应力反转”现象的发生。     

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。     

热固耦合作用下的套管-水泥环-地层多层组合系统应力分析

考虑非均匀地应力、内压和地层高温对高温高压井套管-水泥环-地层多层组合系统的作用,应用弹性力学理论,结合边界条件、接触条件和连续条件,获得热固耦合作用下套管-水泥环-地层多层组合系统应力分布的解析解。讨论水泥环厚度、弹性模量、泊松比、地层温度、套管-水泥环层数对最内层套管内壁Mises应力分布规律的影响。研究结果表明:上述因素对最内层套管内壁Mises应力的分布均有影响;对比套管-水泥环-地层的单层和多层组合系统,多层组合系统的最内层套管内壁的Mises应力较单层系统明显降低,这说明多层组合系统具有重要的工程价值。     

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。     

考虑热固耦合作用的高温高压井井筒完整性分析

以高温高压井套管-水泥环-地层为研究对象,建立套管-水泥环-地层组合系统的热固耦合模型,结合边界条件和连续条件,得到相应的应力解析解,并与有限元结果进行对比,验证了解析方法的计算精度.通过分析热固耦合作用下的解析解和不考虑热载荷的解析解,发现热载荷对整体等效应力的影响较大.采用Mises、Drucker-Prager及Mohr-Coulomb屈服准则定义失效系数评价套管-水泥环-地层组合系统的井筒完整性.讨论了水泥环弹性模量、泊松比、非均匀地应力系数、地层温度、套管内压等参数对套管内壁、水泥环内壁及第一、二胶结面失效系数的影响.上述因素对套管内壁、水泥环内壁及第一、二胶结面失效系数均有影响;第一胶结面失效系数较高,对井筒完整性影响较大.     

分数黏弹性可压缩油气井管杆准静态响应分析

将水平油气井管杆简化为受弹性约束的黏弹性圆柱管模型,采用分数阶黏弹性理论描述管杆的本构关系,并结合弹性力学理论,建立了可压缩黏弹性管杆平衡方程,求解得到了可压缩管杆体的黏弹性应力位移解析解.数值算例的分析结果表明:分数阶导数数值越大,所对应的管杆内壁处的初始应力越大,圆柱管内壁处的径向和环向应力值越大,所对应的竖向应力的上升段越大,管杆的竖向应力稳定值越大;外围套管泊松比越大,径向位移值越小,所对应的径向应力值越小,泊松比的大小对环向应力的影响并不明显,会对径向应力产生显著影响;套管的弹性模量对径向位移的影响较小;模型常数比越大,所对应的径向和环向应力值越大;外围套管的厚度对柱管内壁处的环向应力的影响很小,厚度越大,内壁所受的径向应力越大,竖向应力值会减小.     

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。     

基于数值模拟的套管受力单因素分析

套管损坏一直是油田开发过程中的棘手难题,对套管受力及影响因素进行研究对保证套管安全具有重要意 义。考虑开发过程中储层渗流场与应力场的耦合作用,基于流固耦合理论,建立了套管水泥环围岩组合体系 的数学力学模型,根据单因素理论,通过数值模拟,揭示了套管的径向挤压力随注水压力、套管参数、地层参数和地应 力的变化规律：套管的径向挤压力随注水压力、套管壁厚、地层泊松比、弹性模量的增大而减小;随着套管弹性模量、 直径、地层渗透系数、地应力的增大而增大。研究成果将为油田套管保护和预防套损提供理论指导。     

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。     

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。     

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。     

圆筒中渗碳诱发的扩散应力分析

以菲克第2定律为基础，研究了表面碳浓度恒定时碳由圆筒内表面向外表面扩散的浓度分布情况.运用固体力学理论推导在平面应变条件下圆筒中各扩散应力分量的表达式，分析了圆筒中渗碳诱发的径向应力、周向应力和轴向应力沿壁厚的分布规律，并讨论了圆筒内、外半径比对碳浓度及其扩散应力分布的影响.结果表明，圆筒的内、外半径比对其渗碳表面的碳浓度和扩散应力分布的影响不同.当圆筒的内、外径一定时，其渗碳表面的碳浓度随着渗碳时间增加而增大；径向应力始终表现为压应力；周向和轴向的应力分布相似，并在渗碳初期，处于圆筒内表面周向、轴向的应力达到最大值；随着渗碳时间的延长，从内表面向外表面渗透的过程中，其应力状态逐渐由压应力转变为拉应力.