CN113155615A - 套管-水泥界面断裂韧度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种套管‑水泥界面断裂韧度测试方法，包括以下步骤：步骤一、加工套管‑水泥界面断裂韧度测试试样；步骤二、获取套管‑水泥界面断裂韧度测试试样中套管与水泥石的弹性模量以及泊松比；步骤三、对套管‑水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷，并获取套管‑水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹扩展的临界载荷；步骤四、计算临界载荷条件下套管‑水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率，并与套管‑水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值对比，以评定套管‑水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹扩展趋势。本发明能够有效的测试套管‑水泥界面断裂韧度，能够评定套管‑水泥环连接界面是否存在界面失效断裂的风险。

Description

套管-水泥界面断裂韧度测试方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气工程技术领域，具体涉及一种套管-水泥界面断裂韧度测试方法。
背景技术
开采和使用低渗透、页岩油气、致密油气等低渗透、低品位油气资源逐渐成为全球油气开发的趋势，低渗、致密油气资源在开发过程中需要进行大规模储层改造，大规模的流体注入容易引起套管、水泥环材料的力学性质产生损伤与劣化，与此同时，套管-水泥环连接界面易产生裂纹，存在界面失效断裂的风险。
现有技术中并没有套管-水泥界面断裂韧度的测试方法，以评定是否存在界面失效断裂的风险。
发明内容
本发明提供了一种套管-水泥界面断裂韧度测试方法，以评定套管-水泥环连接界面是否存在界面失效断裂的风险。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种套管-水泥界面断裂韧度测试方法，包括以下步骤：步骤一、加工套管-水泥界面断裂韧度测试试样；步骤二、获取套管-水泥界面断裂韧度测试试样中套管与水泥石的弹性模量以及泊松比；步骤三、对套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷，并获取套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹扩展的临界载荷；步骤四、计算临界载荷条件下套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率，并与套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值对比，以评定套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹扩展趋势。
进一步地，步骤一包括：截取开采现场实际使用的套管；在套管内表面进行预制裂纹操作；向套管内加入配制好的水泥浆候凝以形成套管-水泥界面断裂韧度测试试样。
进一步地，步骤一还包括：向套管内加入配制好的水泥浆候凝，待水泥浆完全凝固后对形成的套管-水泥界面断裂韧度测试试样按照设定标准进行养护。
进一步地，步骤二为：对套管与水泥石进行单轴拉伸试验，测得套管与水泥石的载荷位移曲线，并获取套管与水泥石的弹性模量和泊松比。
进一步地，步骤三为：对套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷，利用数字图像相关法得到界面裂纹裂尖的位移场并获取界面裂纹扩展的临界载荷。
进一步地，步骤三具体为：将套管-水泥界面断裂韧度测试试样通过夹具固定后施加对称压缩载荷，采集加载过程中套管-水泥界面断裂韧度测试试样表面的散斑图，通过处理分析散斑图得到套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹裂尖的扩展情况以及界面裂纹扩展的临界载荷。
进一步地，步骤三中：通过液压装置对套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷。
进一步地，步骤三中：通过图像数字测量装置采集加载过程中套管-水泥界面断裂韧度测试试样表面的散斑图。
进一步地，步骤三中：通过计算机处理设备处理分析散斑图，以得到套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹裂尖的扩展情况以及界面裂纹扩展的临界载荷。
进一步地，步骤四具体为：通过有限元模拟软件模拟套管-水泥界面断裂韧度测试试样在临界载荷下的裂纹扩展情况，并获得套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率，当套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率大于套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值时，套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹将持续扩展；当套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率小于套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值时，套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹将停止扩展。
本发明的有益效果是，本发明能够有效的测试套管-水泥界面断裂韧度，采用该方法能够为现场评价套管-水泥环界面承载能力及裂纹扩展情况提供理论依据，进而能够评定套管-水泥环连接界面是否存在界面失效断裂的风险。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种套管-水泥界面断裂韧度测试方法，包括以下步骤：
步骤一、加工套管-水泥界面断裂韧度测试试样；
步骤二、获取套管-水泥界面断裂韧度测试试样中套管与水泥石的弹性模量以及泊松比；
步骤三、对套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷，并获取套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹扩展的临界载荷；
步骤四、计算临界载荷条件下套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率，并与套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值对比，以评定套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹扩展趋势。
本发明能够有效的测试套管-水泥界面断裂韧度，采用该方法能够为现场评价套管-水泥环界面承载能力及裂纹扩展情况提供理论依据，进而能够评定套管-水泥环连接界面是否存在界面失效断裂的风险。
本发明实施例中步骤一包括：截取开采现场实际使用的套管(长度约为3-5cm)；在套管内表面采用镜面抛光的方式进行预制裂纹操作；向套管内加入配制好的水泥浆候凝以形成套管-水泥界面断裂韧度测试试样。
进一步地，在向套管内加入配制好的水泥浆候凝步骤后还包括以下步骤：待水泥浆完全凝固后对形成的套管-水泥界面断裂韧度测试试样按照GB/T 10238标准进行养护备用。
在步骤一中通过上述操作可以制作与实际使用中相似的套管-水泥界面断裂韧度测试试样，以达到最真实的模拟效果，能够为后续步骤提供准确的数据依据。
本实施例中的步骤二为：对套管与水泥石均进行单轴拉伸试验，测得套管与水泥石的载荷位移曲线，并获取套管与水泥石的弹性模量和泊松比。该步骤为能够为后续步骤提供材料力学参数，以便于后续步骤对比和取用。
进一步地，步骤三具体为：将套管-水泥界面断裂韧度测试试样通过夹具固定后施加对称压缩载荷，采集加载过程中套管-水泥界面断裂韧度测试试样表面的散斑图，通过处理分析散斑图得到套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹裂尖的扩展情况以及界面裂纹扩展的临界载荷。
需要说明的是，该步骤中通过液压装置对套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷，以保证载荷施加均匀并能够充分模拟套管-水泥界面断裂韧度测试试样真实工作环境。
通过图像数字测量装置采集加载过程中套管-水泥界面断裂韧度测试试样表面的散斑图，其中，图像数字测量装置采用CCD摄像头能够更加清晰的采集上述散斑图。
进一步地，通过计算机处理设备处理分析散斑图，以得到套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹裂尖的扩展情况以及界面裂纹扩展的临界载荷。
本发明实施例中的步骤四具体为：通过有限元模拟软件模拟套管-水泥界面断裂韧度测试试样在临界载荷下的裂纹扩展情况，并获得套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹裂尖能量释放率，以评定套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹扩展趋势。
其中，临界载荷条件下的界面裂纹裂尖的能量释放率为Gc，即界面断裂韧度，当现场实际的载荷条件下计算界面裂纹裂尖能量释放率G＞Gc时，裂纹扩展，G＜Gc时，裂纹不扩展。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明能够有效的测试套管-水泥界面断裂韧度，采用该方法能够为现场评价套管-水泥环界面承载能力及裂纹扩展情况提供理论依据，进而能够评定套管-水泥环连接界面是否存在界面失效断裂的风险。
本发明可以通过采用不同钢级、不同尺寸的套管及不同标号、不同配方的水泥加工试样，测试实际现场井况条件下的套管-水泥环界面断裂韧性，为现场评价套管-水泥环界面承载能力及裂纹扩展情况提供了理论依据。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、加工套管-水泥界面断裂韧度测试试样；
步骤二、获取所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样中套管与水泥石的弹性模量以及泊松比；
步骤三、对所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷，并获取所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹扩展的临界载荷；
步骤四、计算临界载荷条件下所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率，并与所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值对比，以评定所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹扩展趋势。
2.根据权利要求1所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤一包括：
截取开采现场实际使用的套管；
在所述套管内表面进行预制裂纹操作；
向所述套管内加入配制好的水泥浆候凝以形成所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样。
3.根据权利要求2所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤一还包括：向所述套管内加入配制好的水泥浆候凝，待水泥浆完全凝固后对形成的所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样按照设定标准进行养护。
4.根据权利要求1所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤二为：对所述套管与所述水泥石进行单轴拉伸试验，测得所述套管与所述水泥石的载荷位移曲线，并获取所述套管与所述水泥石的弹性模量和泊松比。
5.根据权利要求1所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤三为：对所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷，利用数字图像相关法得到界面裂纹裂尖的位移场并获取所述界面裂纹扩展的临界载荷。
6.根据权利要求5所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤三具体为：将所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样通过夹具固定后施加对称压缩载荷，采集加载过程中所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样表面的散斑图，通过处理分析所述散斑图得到所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹裂尖的扩展情况以及所述界面裂纹扩展的临界载荷。
7.根据权利要求6所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤三中：通过液压装置对所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样施加对称压缩载荷。
8.根据权利要求6所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤三中：通过图像数字测量装置采集加载过程中所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样表面的散斑图。
9.根据权利要求6所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤三中：通过计算机处理设备处理分析所述散斑图，以得到所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面裂纹裂尖的扩展情况以及所述界面裂纹扩展的临界载荷。
10.根据权利要求1所述的套管-水泥界面断裂韧度测试方法，其特征在于，所述步骤四具体为：通过有限元模拟软件模拟所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样在临界载荷下的裂纹扩展情况，并获得所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率；
当所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率大于所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值时，所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹将持续扩展；
当所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面能量释放率小于所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的界面断裂韧度值时，所述套管-水泥界面断裂韧度测试试样的裂纹将停止扩展。
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