高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律

由于高温高压井中,固井工况复杂,套管与水泥环之间会出现缺失现象,导致套管损坏,尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题,以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象,建立了套管水泥环缺失套管水泥环套管地层轴对称有限元模型,模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元,岩石和水泥环采用EDP本构模型,相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明,该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况,解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题;当套管环空出现环状缺失时,水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性,在深井、超深井中,建议优化水泥环返高,使水泥环不返到井口,减小固井段长度,消除水泥环缺失问题。

深层地热井考虑水泥环损伤的套管预热应力设计

深层地热资源相较于传统地热资源具有更大的开发潜力,但由于深层地热井井底温度更高,在开发开采中高温流体使套管受热膨胀,易引起套管屈服变形损坏。而目前对于深层地热井套管安全问题在理论研究和技术实践上均面临着诸多挑战。为此,根据厚壁圆筒理论和热弹性力学基本理论,利用对套管预先施加热应力降低套管的轴向热应力,考虑高温水泥石损伤后地层-水泥环-套管的接触问题,并以套管有效应力控制在相应温度下的最小屈服极限内为原则,根据套管柱强度设计安全系数,评价套管安全性能,建立深层地热井套管预热应力设计方法,缓解高温对套管热损伤的问题。结果表明,水泥浆的密度对损伤因子影响不大,水泥环的弹性模量对损伤因子起主导作用。在预热情况下,注水条件下(注水温度为65℃)在预热250℃以下能够满足设计条件,在地热生产条件下(地热温度为346℃),需要超过200℃才能够满足安全设计要求。

页岩油二氧化碳注气提采环境下固井水泥环完整性保障技术研究

为提高二氧化碳(CO_(2))注气提采环境下固井水泥石(环)的腐蚀完整性,文章从超临界CO_(2)腐蚀机理、防腐添加剂及体系三方面进行科研攻关,探讨不同水泥石在超临界CO_(2)环境养护中宏观力学与微观形貌的相关变化。研究结果表明:超临界态CO_(2)显著加速水泥石结构破坏,抗CO_(2)腐蚀固井水泥石可控制其腐蚀30 d的抗压强度衰退率≤8.56%,遇CO_(2)自修复水泥石具有≥90.22%的高效裂缝自修性,同时该水泥环腐蚀60 d后环空窜逸流量≤0.0002 mL/min,该技术在长庆油田陇东页岩油示范区完成推广应用83井次,固井质量优质率≥93.9%,施工至今无气体窜逸现象发生。该研究结果对提高页岩油二氧化碳注气提采环境下的固井水泥环完整性具有一定的实践指导意义。

储气库井水泥环密封性失效试验研究

循环注采气会对储气库井水泥环产生周期性载荷作用,易导致水泥环密封失效。以H储气库井水泥环密封失效为背景,开展了水泥石循环加卸载及水泥石力学、孔渗测试,获得了水泥石循环加载后的微观结构CT形态,进行了全尺寸水泥环密封失效试验。试验结果表明:经过30轮次循环加载后水泥石力学性能降低、气体渗透能力增加,但依然能有效阻止气体从水泥基质泄漏;循环加卸载会造成水泥石微观结构损伤进而产生累积塑性应变,循环轮次越多累积塑性应变越大;循环加卸载后,水泥石CT扫描形态显示,水泥石中出现微观结构损伤,水泥石微观损伤程度由两端至中心逐步减弱;全尺寸试验证实水泥环一界面脱粘形成微环隙,底部气体沿着微环隙上窜导致上部B环空带压,水泥环本体及二界面在各组测试压力下均未出现破坏,不建议现场在现有基础上继续提高储气压力。研究结果可指导H储气库注采参数优化设计,并为国内外类似储气库运行制度的合理制定提供参考。

水泥环破碎器矩形异形活塞密封性能分析

针对传统圆柱形液压活塞承载力不足问题,提出一种矩形异形活塞,研究其在不同工况下的密封性能。基于Abaqus软件建立异形活塞有限元模型,研究介质压力、密封间隙、活塞运动状态以及摩擦因数对密封性能的影响,并分析异形密封环不同位置处的应力分布和翻转情况。结果显示:静密封时,介质压力越大,密封环的最大Mises应力和最大接触应力越大;密封间隙越小,最大Mises应力与最大接触应力越大;相比静密封,内行程过程中最大Mises应力和最大接触应力都有明显增加,且随摩擦因数增加而增加,而外行程中最大Mises应力和最大接触应力相比静密封差异较小;各工况下应力最大值均出现在密封环圆弧段;在活塞运动过程中密封圈并未发生翻转,只是存在位置的平移情况。研究结果证明了异形活塞的可行性以及良好的密封性能,为活塞结构设计与优化提供了依据。

水泥环孕育机理及其压裂工况下密封力学分析

在油气井压裂过程中,压裂液的高压和降温作用存在破坏水泥环密封性的风险,对于多级压裂或者重复压裂,井筒压力和温度的交替作用加剧了水泥环的破坏,影响多级压裂的效果。研究了水泥环的孕育机理,利用有限元软件对套管—水泥环—地层系统进行了全尺寸等效建模和力学仿真,对多级压裂水泥环的变形和破坏规律进行了定量分析。结果表明,井下水泥环的先天环境压力不同于养护压力,应当归属于水泥环的材料属性;压裂时水泥环表现为环向拉应力破坏,且内侧比外侧更容易破坏;压裂停泵时,水泥环残余变形导致一界面产生剥离应力,如果剥离应力大于一界面的粘结强度,一界面将出现剥离破坏;提高水泥石的抗拉强度和降低弹性模量可提升水泥环的密封性能。该分析为油气井水泥材料的研究提出改进方向,为多级压裂的参数优化提供参考。

固井水泥环内部缺陷超声波检测仿真研究

固井水泥环内部的各种缺陷会导致层间窜流、井口带压等事故。无损检测技术作为一种非破坏性的检测方法,可以对固井水泥环内部的缺陷进行检测。基于超声波在连续介质中的传播规律,采用COMSOL仿真软件模拟压电效应以及超声波在水泥环中的传播状态和反射规律,研究水泥环缺陷反射信号的相关特性。研究结果表明:选择1.0 MHz 5周期Hanning窗调制的超声正弦波作为激励信号,超声探头可以在50μs内接收到水泥环缺陷的反射信号;不同类型的缺陷中,矩形缺陷的检测效果最佳;当缺陷主方向与超声波入射方向垂直时,检测效果最佳。研究结果验证了超声波无损检测技术可以快速准确地确定固井水泥环内部缺陷的类型和位置,同时调整超声波入射角度有助于提升检测效果,可为超声波在水泥环内部缺陷检测中的应用提供一定的指导意义。

CO_(2)腐蚀-应力耦合下固井水泥环密封完整性

CO_(2)地质封存过程中,与地层围岩中的水反应后腐蚀着固井水泥环,腐蚀损伤和套管内压(应力)耦合作用极大地影响着水泥环的密封完整性。基于CO_(2)腐蚀实验,获得不同腐蚀程度水泥石材料力学性能参数,采用混凝土损伤塑性(CDP)本构模型和Mohor-Coulomb准则描述腐蚀前后水泥环的应力-应变行为,利用ABAQUS软件建立考虑CO_(2)腐蚀与应力耦合作用的井筒组合体(套管-水泥环-地层围岩)有限元分析模型,分析和探讨了套管内压和腐蚀时间对水泥环完整性的影响。结果表明,较高套管内压下,井筒水泥环发生弹塑性变形,出现结构损伤,套管与水泥环界面易形成微间隙;受腐蚀和套管内压的耦合作用,水泥环更易于出现完整性失效问题,相比较于未腐蚀水泥环,腐蚀水泥环受压后径向应力、等效塑性应变、微间隙以及拉伸和压缩损伤均较大,与之相反,塑性半径是减小的;微间隙与拉伸和压缩损伤受腐蚀时间的影响不明显。

基于地层成拱效应的水泥环对套管应力影响规律研究

【目的】随着对油气需求的增长以及开采技术的进步,油气钻井深度不断刷新纪录。随着钻井深度的增加,地应力急剧增加,因此超深油气井套管损伤问题日益突出。为了提高套管在高地应力条件下的承载力,通常采用大壁厚高强套管来解决这个问题,但收效甚微。【方法】通过套管-水泥环-地层系统的有限元模型,证实在套管系统中成拱效应的存在以及柔性水泥环对套管的保护作用。在此基础上,通过参数分析,研究不同地层、水泥环的材料参数及其厚度对系统内应力传递机制的影响。【结果和结论】结果表明:柔性固井水泥通过允许套管附近地层发生有限变形的形式使地层能够承担地应力,进而减小套管所承担的载荷;刚性固井水泥通过限制套管附近地层发生变形来承担地应力,从而使套管与其共同承担地应力。在前者的受力体系中,固井水泥的弹性模量越小,套管应力越小,属于主动拱效应;而在后者的受力体系中,固井水泥的弹性模量越大,套管应力越小,属于被动拱效应。然而,主动拱效应场景中的应力减小幅度远远大于被动拱场景。因此,主动拱效应对套管具有更好的保护效果,而且,在硬地层中要比软地层中明显。此外,水泥环泊松比及其厚度对套管应力也有一定的影响,但影响程度不及水泥环弹性模量。鉴于此,认为采用柔性水泥固井的条件应为地层是否具备成拱条件,即地层是否具有抗剪强度,而非地层本身的软硬程度。

循环载荷作用下水泥环完整性试验研究

在页岩气井多级压裂过程中,从地下很难直接获取水泥环温度和应变等用于评估其完整性的信息。为此,结合光纤光栅传感技术和全尺寸物理模拟试验装置,通过试验获得了水泥环在候凝阶段和完井阶段的温度和应变变化规律,分析了压力和温度循环载荷对水泥环完整性的影响。研究结果表明:在候凝阶段,水泥环峰值温度比养护温度高1.9℃,水泥环周向应变为拉应变,最大值为403.7×10^(-6)m/m;在完井阶段,在40和50 MPa内压循环载荷作用下,水泥环产生塑性应变并不断累积,当累积塑性应变达到临界值87.1×10^(-6)m/m时,界面微环隙会导致环空气体泄漏;在温度循环载荷作用下,水泥环产生周向压应变,该收缩会在第一界面产生周向和径向拉应力,导致出现微环隙的风险增加。研究结论可为多级压裂现场施工提供理论参考。

储气库井注采工况对水泥环密封压力的影响

研究储气库井注采工况下的水泥环密封压力变化对于预防储气库气体泄漏和保障储气库安全运行具有重要的意义。选用不同性能的水泥环,先测试了水泥环与密封相关的性能,然后开展了储气库井注采工况下水泥环密封压力变化实验,分析了水泥环密封压力变化规律和水泥环力学性能的影响。结果表明:温度越高,水泥环强度增长越快,密封压力越高;注采压力变化会导致水泥环密封压力降低,且注采压差越大,密封压力降低幅度越大;随着注采周期增加,水泥环密封压力先显著降低后基本维持不变;水泥环弹性模量越低、胶结强度越高,则其密封压力也越高,且在经历储气库井不同注采工况后仍具有较高的密封压力,建议储气库井采用该种性能的水泥环。

考虑胶结面孔隙影响的套管-水泥环胶结面应力场分析

考虑到套管-水泥环胶结面的力学性质和胶结面孔隙结构形状的影响,基于弹性力学理论,建立了套管-胶结面-水泥环-地层组合体力学模型,同时借助有限元分析方法,建立了套管-水泥环胶结面孔隙数量与孔隙结构形状对应力场的影响系数,得到考虑胶结面孔隙影响的套管-水泥环胶结面应力场的表达式。研究结果表明:当孔隙存在时Mises等效应力增大12.50%,径向应力增大9.30%,环向应力增大8.65%。套管-水泥环胶结面孔隙数量与孔隙结构形状会加剧应力场的非均匀性。孔隙数量对应力场影响更大,影响系数最大为1.1524。研究结果对于井筒系统安全性评价具有一定的工程价值。

CCUS井水泥环腐蚀预测模型及影响因素

目的CCUS井的水泥环长期处于CO_(2)腐蚀环境中,水泥环将被腐蚀导致CO_(2)泄漏,需对腐蚀速率进行预测。然而目前的腐蚀预测模型以井眼和半经验公式为主,导致水泥环腐蚀预测不准确,制约了CCUS井水泥环腐蚀防治技术的研究。方法针对这一问题,基于CO_(2)和钙质量守恒定律,建立了CO_(2)腐蚀深度预测模型,并利用该模型分析了腐蚀时间、温度、CO_(2)分压、水灰比和耐腐蚀材料加量对腐蚀深度的影响规律,并建立了评价模型,对影响因素的影响程度进行排序。结果CO_(2)腐蚀深度随腐蚀时间、温度、Cl—浓度、CO_(2)分压、水灰比及含水饱和度增加而增大,随着水泥环密度、耐腐蚀材料加量增加而减少;水泥环中CO_(2)含量随腐蚀深度呈非线性降低。影响因素由强到弱为:含水饱和度>耐腐蚀材料>水灰比>CO_(2)分压>腐蚀时间>水泥环密度>Cl—浓度>温度。结论研究成果对于CCUS井控制CO_(2)对水泥环的碳化腐蚀保障井筒完整性具有指导意义。

长水平段水泥环应力动态变化及失效评价

页岩油气水平井压裂过程中井筒密封完整性失效问题频发,但当前较少研究可对于温度压力耦合条件下长水平段水泥环密封完整性进行评价。针对此,建立了压裂过程中全井筒瞬态温度场计算模型,以及长水平段瞬态温度-压力耦合作用下水泥环径向应力和周向应力计算有限元分析模型,基于Mohr-Coulomb准则对于水平段不同位置处水泥环完整性的失效进行了分析,评价了水泥环弹性模量、套管内压以及压裂排量对于长水平段不同位置处水泥环密封完整失效的影响规律。研究结果表明:压裂过程中温度场模型计算结果与Landwark软件误差率低于10%,确保了模型的正确性;同等条件下水平段从井筒趾端向跟端,水泥环承受的径向应力和切向应力增加,井筒跟段是水泥环密封完整性失效的“风险段”;水泥环弹性模量从趾端到跟段呈降序排列,有利于井筒密封完整性的保持;水力压裂过程中降低井口压力或者在井口压力不变的条件下增大压裂排量,可以有效降低水泥环的径向应力和切向应力。研究结果可为固井工艺的优化以及页岩油气井屏障的建立提供参考。

超高温热循环作用下水泥环完整性及界面力学性能衰退规律

稠油热采井因周期性蒸汽吞吐,造成井筒内的温度波动及持续变化、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,导致井口抬升等安全问题频发。为了弄清超高温热循环作用下水泥环完整性失效机理、界面胶结衰退规律,避免蒸汽吞吐过程中套管-水泥环界面胶结失效,提出了超高温热循环环境下水泥环胶结强度评价方法,自主研发了集浇筑、养护、加热及测试一体化的水泥环胶结强度特色测试装置,并对“生产套管-水泥环-技术套管”组合体在超高温热循环作用下的界面完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了水泥环在3种不同温度(常温↗150℃↘常温,常温↗200℃↘常温,常温↗250℃↘常温)热循环作用下的完整性及界面力学性能实验结果。研究结果表明:高温热循环作用对水泥环力学及界面力学完整性具有显著的负面影响;随着温度和热循环次数的增大,水泥环界面力学性能显著降低。150℃热循环7次、200℃热循环5次以及250℃热循环1次后,套管与水泥环界面脱离;150℃热循环13次、200℃热循环9次以及250℃热循环7次后,水泥环界面剪切力、化学胶结力、摩擦力以及剪切胶结强度均降低为0,水泥环界面力学性能丧失。水泥环本体失效均以拉伸破坏为主,包括径向裂纹和周向裂纹;径向开裂,周向裂纹以及界面脱离使得水泥环完整性(本位完整性、密封完整性以及力学完整性)失效,水泥环产生连通的微裂缝、微环隙,造成水泥环变形、损伤、泄露,套管成为自由段,引发严重的环空带压、井口抬升等安全问题。

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气水平井大规模压裂施工设计提供参考。

中深层地热井开采对套管与水泥环性能影响的研究

地热井开采过程中井筒热流体造成的瞬时高温条件下,对套管的力学性能有较大的影响。本文基于套管-水泥环-地层岩石稳态热传导数学模型计算井筒温压场,建立中深层地热开采放热与套管相互作用力学评价的数学模型,并对地热开采放热对套损的影响进行有限元计算和试验模拟,得到以下结论:在地热开采井筒放热作用下,使套管产生了较大的椭圆度,削弱了套管的抗挤强度。当内压达到90 MPa、套管内温度为30℃时,在地层径向压力不等的情况下,内壁面应力分布极不均匀,应力最大差值为560 MPa,应力沿周向分层分布,受到地层径向压力大的一侧出现大范围的应力集中区域。随着温度的升高,套管的位移云图变化不大,最大位移值略有增加。当温度达到120℃后,套管处于较为恶劣的热力环境,热应力的变大导致套管塑性变形严重,同时内压增大到120 MPa时,套管内壁整体呈高应力状态,更易导致壁面出现塑性破坏。研究成果对研究地热开采放热对套损的影响规律,对评估套管的受力环境、水泥环强度、水泥环微间隙宽度等参数提供指导意义。

页岩气水平井压裂工况下水泥环力学特性的研究

本文主要目的是探究在页岩气水平井压裂过程中的水泥环的物理性质。我们利用有限元建模技术来精确划分子单元格并设置约束条件,以深入了解射孔孔径、密度、方向角度及相位角等因素如何影响水泥环的压力状态。此外,我们也考察了分段压裂期间射孔段水泥环内的温度和压力的变化情况,同时还研究了套管内压、孔径和孔密度对水泥环封闭效果的影响模式。我们的实验表明,射孔参数的调整会对水泥环的压力分布产生重大影响,进而影响到井壁的安全性。当考虑到瞬间的热力和机械相互作用时,水泥环孔口处的失效概率会有所增加。虽然孔径和孔密度的变动对水泥环的剪切应力的影响相对较小,但这些结论为实际操作提供有价值的理论参考,有利于提升压裂设计的质量和增强井筒的安全性能。结论和建议部分总结了研究的主要发现,并提出了未来研究方向。

水泥环缺失角度对油气井套管可靠性影响分析

为了探究水泥环缺失角度对套管安全可靠性的影响,在前期文献调研的基础上,建立了地层–水泥环–套管的组合模型,同时利用ANSYS有限元分析软件对水泥环不同缺失界面及角度下的套管外载进行仿真模拟,结合载荷计算公式分析其对套管外载的具体影响,揭示固井质量对套管安全可靠性的影响原理,并提出相应的评价和控制方法,为深层油气井的长期安全生产提供技术支撑。

基于线性和双曲型Drucker-Prager准则的水泥环完整性研究

水泥环在油井使用中起着至关重要的作用,它可防止层间错流,并为套管提供支撑。考虑到井下条件的复杂环境,数值模拟在水泥环完整性评价中起着重要作用,准确描述水泥环的力学性能变得越来越重要。本文对水泥石的破坏准则进行了研究。为了预测不同胶结石的强度特性,对胶结石进行了单轴拉伸和三轴压缩实验。根据实验结果,采用线性Drucker-Prager(D-P)准则和双曲型D-P准则对水泥石的破坏进行了预测。采用热-力耦合有限元模型对高温条件下水力压裂过程中水泥环的完整性进行了评价。实验结果表明,双曲型D-P准则在压缩剪切和拉伸破坏方面都比线性D-P准则具有更好的精度。