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。     

热交变压力下水泥环界面微间隙产生机理研究

目前中国四川地区页岩气开发均采用大排量分段压裂工艺技术,压裂改造过程中套管内温度以及压力的变化可能会导致油气井水泥环界面微间隙的产生。为此利用ABAQUS软件建立了热力耦合下的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型。基于前人实验的基础上,对温压耦合下的固井界面力学响应进行了模拟;同时分析了交变压力下微间隙的产生对组合体温度场分布的影响。研究结果表明:1微间隙的产生改变了组合体温度变化的连续性,后续施工过程中,套管温度基本接近注液温度;2井筒内的温度变化、套管内压作用下的水泥环塑性变形以及泄压后的井筒内压是导致微间隙产生的主要原因;3不同注液温度下,微间隙尺寸随着水泥环弹性模量的增大而增大。上述研究成果为压裂施工作业中油气井发生气窜以及环空带压的产生机理提供了理论依据。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

高压注水井地层吸水软化效应及井筒应力状态分析

油气井高压注水增产措施会导致地层吸水软化,改变地层应力状态,从而使井筒受力状态发生变化。针对这一问题,首先对岩心样品进行浸泡及压缩实验,结果表明:浸泡后的岩样弹性模型和抗压强度均发生大幅降低,证实了高压注水措施对地层的软化作用。进一步建立地层、水泥环及套管的三重耦合有限元模型,讨论了高压注水工况下下套管及水泥环的应力状态以及套管壁厚、注水压力等参数的影响规律,采用变化井筒围岩弹性模量的方式模拟井筒围岩的吸水软化作用,并分析套管、水泥环应力变化,结果显示地层软化作用下对套管及水泥环的应力增加非常明显。实验及计算结果为高压注水井井筒受力及套损的理解提供了借鉴。     

套管试压对水泥环密封性的影响

套管试压后产生的微环隙是导致水泥环密封性下降的主要原因之一.根据套管-水泥环受力模型,推导了套管试压后产生的微环隙的定量计算公式.通过计算对影响微环隙尺寸的因素进行了分析.结果表明:试压时微环隙的尺寸与井口压力成正比;与围岩压力、水泥环的厚度呈负线性相关;随套管壁厚的增加而减小;随水泥环弹性模量的增加呈先增大后减小趋势.在水泥环弹性模量为25GPa时,微环隙的尺寸最大,但在其弹性模量小于25GPa时,弹性模量对减小微环隙尺寸的作用更明显,故对于需要高压套管试压的油气井,宜选用低弹性模量的水泥石.     

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.     

二氧化碳地质埋存中固井结构损伤因素

针对二氧化碳注入地层过程,综述固井结构随流压增加完整性遭受破坏形成渗漏途径的力学影响因素,采用计算机软件FLAC和FLAC3D数值模拟的方法,建立套管-水泥环-地层及其间界面胶结良好情况下的三维模型.给出随孔底套管内压升高,水泥环受剪切或拉伸破坏的分析方法,得到孔底内压与水泥环安全系数的关系;给出流体侵入界面持续开裂情况的分析方法,建立相应的轴对称模型,得到孔底内压与界面破坏单元数目及其安全系数的变化关系.     

脉冲中子-中子测井影响因素的数值模拟

利用蒙特卡罗方法建立各种条件下的套管井计算模型,模拟相应的热中子时间谱,进而计算地层宏观吸收截面.模拟结果表明:地层的宏观吸收截面随着孔隙度和含水饱和度的增加而增加,且源距越小、地层水的矿化度和泥质含量越高、套管的尺寸越大、仪器越居中、俘获截面越高的岩性地层条件下,地层的宏观吸收截面值也越大;套管壁厚和水泥环对地层宏观吸收截面没有影响,但套管壁越厚、水泥环厚度越小,热中子总计数越低.利用脉冲中子测井数据确定地层含水饱和度时应对各种影响因素作相应的校正.     

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。     

水平井分段压裂过程对水泥环完整性影响

水平井分段压裂过程中出现的套管损坏和水泥环完整性问题日益引起关注。目前研究的重点包括地层滑移、套管和水泥环受力等,而对分段压裂过程造成影响的研究较少。为了建立水平井分段压裂水泥环完整性计算模型和方法,首先,利用有限元软件建立有限元模型,得到水平井分段压裂过程中水泥环弹性区和塑性区分布;其次,利用离散元模型分析有限元中得到的塑性变形区域,获取塑性变形区域内水泥环的微裂纹数量;最后,依据水泥环塑性区分布和微裂缝数量得到水泥环的完整性评价。研究表明,除了套管和水泥环刚度比、套管偏心率和水泥环缺陷对水泥环完整性有影响,水平井的压裂段数的影响也较为明显。随着套管和水泥环刚度比增加,水泥环完整性增强;套管偏心率增加和水泥环存在缺陷降低水泥环完整性;水平井压裂段数越多,水泥环完整性降低。     

定向井水泥环力学完整性研究

国内外针对定向井水泥环力学完整性失效分析的研究比较少,通过待定系数法建立了定向井在非均匀地应力下的套管-水泥环-地层应力分布模型,并通过调研国内外关于水泥环理想完整性失效的几种形式,结合对应的失效准则,提出了定向井水泥环力学完整性失效分析的研究思路.不同于井壁稳定问题,水泥环位于套管和地层岩石之间,其所受既有正应力又有剪应力,其剪切塑性破坏和拉伸破坏分析必须在主应力空间下进行,研究结果对于分析定向井水泥环固井设计具有一定的指导意义.     

非均匀地应力下水泥环完整性规律研究

套管-水泥环-地层系统界面的密封失效,将导致高压气体上窜至井口而引起环空带压,给油气田的勘探开发带来安全、环保隐患。通过研究直井水泥环在各种应力状态下的变形破坏特征,揭示了水泥环力学特性对其水力胶结失效的影响规律,发现较高的内压下,在水平最小地应力方位水泥环内壁有进入塑性的可能性;在45°方位上水泥环内壁有发生剪切滑移破坏,造成水力胶结失效的可能性;但是水泥环产生拉伸破坏的可能性较小;所以水泥环内壁是危险面,为了防止水泥环失效,水泥环应该具有低模量,高强度和高泊松比的特性。     

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.     

体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟

射孔完井作业中射孔会对水泥环完整性造成破坏,尤其是固井界面微环隙的产生,导致后续压裂过程中出现环空带压与环空窜流的问题。针对此问题,建立压裂过程中水泥环界面微环隙扩展三维模型,通过Cohesive单元损伤模型模拟固井界面在体积压裂过程中微环隙的扩展,对界面微环隙的扩展长度进行分析计算,研究不同参数对压裂过程中固井界面失封长度的影响。结果表明:适当降低水泥环弹性模量,提高水泥石与套管、地层的胶结强度有利于减小水泥环界面微环隙扩展长度,保证水泥环有效封固;研究结果能够对体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测。