CN115163042A - 一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法 - Google Patents
一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115163042A CN115163042A CN202210790586.0A CN202210790586A CN115163042A CN 115163042 A CN115163042 A CN 115163042A CN 202210790586 A CN202210790586 A CN 202210790586A CN 115163042 A CN115163042 A CN 115163042A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cement sheath
- cement
- sigma
- failure
- sheath
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004568 cement Substances 0.000 title claims abstract description 255
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 24
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 22
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 8
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 5
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 claims description 5
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 4
- 238000013001 point bending Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 238000005553 drilling Methods 0.000 abstract description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 abstract description 2
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 abstract description 2
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 6
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000005465 channeling Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003129 oil well Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/005—Monitoring or checking of cementation quality or level
Abstract
一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法，其特征在于，采用全尺寸“套管‑水泥环‑地层”组合体实物模拟极端服役工况下水泥环力学性能(抗压强度、抗拉强度、界面径向胶结强度、界面轴向胶结强度)随载荷谱循环次数的变化，利用微电位技术、无线传感技术实时监测极端服役工况下水泥环内部及界面的径向压应力σrci、环向压应力σcci、径向拉应力σrti、环向拉应力σcti和轴向拉应力σzti，定量判断水泥环完整性失效是否启动及失效机理，实现极端服役工况下水泥环完整性的科学预测，提前诊断水泥环完整性可能出现的失效症状，为智能决策及控制水泥环力学及界面完整性失效提供重要支撑。本发明适合于石油与天然气钻采工程技术领域。
Description
技术领域
本专利涉及石油与天然气钻采工程技术领域，具体是一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法。
背景技术
水泥环作为油气井井筒关键物理屏障之一，在固井中起到支撑和悬挂套管，保护井壁，封堵地层流体以及防止层间窜流的作用，它决定了套管寿命甚至油井寿命。水泥环完整性一旦发生失效，轻则发生环空气窜导致井口环空带压，重则发生井口冒油、冒气甚至发生不可控井喷安全事故。
深部页岩气及致密气等非常规水平井井筒内水泥环面临着极端服役工况，其定义描述为一种剧烈交变温度-压力交替加-卸载产生的载荷谱，例如深层(井深>4500m)页岩气及致密油气等非常规油气水平井大规模水力压裂产生的大排量、高泵压(>100MPa)、剧烈交变的温度(>150℃)、压力及热-力耦合作用。极端服役工况下，井筒内水泥环完整性面临严苛挑战，极易导致水泥环变形、损伤、泄漏、连通等完整性问题，严重威胁井筒安全，并对保障上述极端服役工况下水泥环完整性提出了新的挑战。更为重要的是，水泥环完整性失效及其引发的环空带压等问题已成为制约我国深部页岩气、致密气等非常规油气井钻采技术发展的瓶颈。
当前关于水泥环完整性的评价方法主要集中在理论分析、数值模拟和室内实验三个方面；其中，理论分析和数值模拟是通过建立套管-水泥环-地层耦合体宏观接触力学模型来获取水泥环应力并判断水泥环是否发生力学失效，而定性评价水泥环完整性；现有室内实验虽然可以测试小尺寸套管-水泥环-地层耦合体在不同模拟工况下的完整性，但水泥环完整性失效启动机理及失效形式难以定量判断并科学预测。需要说明的是，失效启动是指水泥环完整性失效是否启动、何时启动。
为此，本发明克服现有技术的不足，提供一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法，该方法可定量判断水泥环完整性失效是否启动及失效机理，实现极端服役工况下水泥环完整性的科学预测，提前诊断水泥环完整性可能出现的失效症状，为智能决策及控制水泥环完整性(水泥环本体及界面力学和密封完整性)失效提供重要支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法，以解决载荷谱作用下水泥环完整性失效启动机理难以定量判断、科学预测的技术难题，该方法简单、可行，可快速定量判断复杂服役工况下水泥环完整性失效是否启动、何时启动及失效机理。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法，所述方法主要包括以下步骤：
步骤一：获取现场施工及生产参数和井筒水泥环服役工况；
步骤二：采用全尺寸“套管-水泥环-地层”组合体实验装置，参照标准(GB/T19139-2012)按照井下实际工况养护形成水泥环，其目的是模拟固井式水泥环面临的服役工况；
步骤三：利用温度和压力控制系统模拟温度-压力载荷谱行为对水泥环的作用，其目的是模拟压裂、注水/气、稠油热采等极端作业过程中井下水泥环面临的极端/苛刻服役工况，其中极端/苛刻服役工况被定义为一种剧烈交变温度-压力交替加-卸载产生的载荷谱；
步骤四：不同温度-压力载荷谱次数作用后，利用活塞抽吸法测试温度-压力载荷谱作用后水泥环界面径向胶结强度σrbi＝f(σrb，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σrbi＝f(σrb，Ti)，若只有压力变化则为σrbi＝f(σrb，Pi)，i代表载荷谱循环次数，σrb初始界面径向胶结强度；
步骤五：利用准静态压出法测试温度-压力载荷谱作用后水泥环轴向胶结强度σzsi＝f(σzs，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σzsi＝f(σzs，Ti)，若只有压力变化则为σzsi＝f(σzs，Pi)，σzs代表初始界面轴向胶结强度；
步骤六：待每次测试完水泥环径向胶结强度后，使用取芯机对水泥环进行圆形和方形取芯处理，得到圆形和方形两种水泥石试样，圆形水泥石试样直径与高度为1：2，方形水泥石试样宽度与高度为1：5；
步骤七：使用三轴压缩试验机测试温度-压力载荷谱作用后圆形水泥石试样抗压强度σci＝f(σc，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σci＝f(σc，Ti)，若只有压力变化则为σci＝f(σc，Pi)，σc代表初始抗压强度；
步骤八：采用声发射技术和四点弯曲法测试表征温度-压力载荷谱作用后方形水泥石试样抗拉强度σti＝f(σt，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σti＝f(σt，Ti)，若只有压力变化则为σti＝f(σt，Pi)，σt代表初始抗拉强度；
步骤九：采用全尺寸“套管-水泥环-地层”组合体实验装置按照井下实际工况养护形成水泥环，其目的是模拟压裂、注水/气、稠油热采等某一种待测作业过程中井下水泥环的苛刻服役工况；
步骤十：利用温度和压力控制系统模拟待测作业过程产生的温度-压力载荷谱行为对水泥环的作用，结合最新微电位技术、无线传感技术，量化测试并表征温度-压力载荷谱作用下“套管-水泥环-地层”组合体中水泥环内部及界面的径向压应力σrci、环向压应力σcci、径向拉应力σrti、环向拉应力σcti和轴向拉应力σzti；
步骤十一：结合实际服役工况(温度T、压力P)，实时定量判断水泥环完整性失效是否启动及失效机理，包括单一、复合两种失效模式、8种失效机理；
步骤十二：水泥环完整性的单一失效启动及失效机理定量判断：I.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，此时启动水泥环的屈服失效；II.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，此时启动水泥环的环向断裂失效；III.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向拉应力σrti>水泥环径向胶结强度σrbi，此时启动水泥环界面的径向剥离失效，形成微环隙；IV.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时启动水泥环界面的轴向剪切失效；
步骤十三：水泥环完整性的复合失效启动及失效机理定量判断：I.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，且水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，此时同时启动水泥环的屈服失效和环向断裂失效；II.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，且水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时同时启动水泥环的屈服失效和轴向剪切失效；III.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，且水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时同时启动水泥环的环向断裂失效和轴向剪切失效；IV.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，且水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时同时启动水泥环的屈服失效、环向断裂失效和轴向剪切失效。
所述步骤一中施工参数包括井身结构，套管的属性参数，水泥浆的配方，地层的属性参数；所述井身结构包括套管尺寸、环空尺寸、所钻井眼尺寸、目标层位深度；所述套管的属性参数包括弹性模量、泊松比、屈服强度；所述地层的属性参数包括弹性模量、泊松比。
所述步骤三中温度-压力载荷谱行为包括温度、压力加卸载速度、级差、频率、循环次数、峰值作用时间。
本发明具有以下优点：本发明可准确实时获取温度/压力载荷谱作用下水泥环完整性失效是否启动及相应的失效机理，为油气井固井水泥环完整性预测及评价提供一种实用可行的方法和技术。
附图说明
图1为本发明的技术路线图。
图2为实施例1中不同压力循环次数下水泥环轴向胶结强度。
图3为实施例1中不同压力循环次数下水泥环径向胶结强度。
图4为实施例1中不同压力循环次数下水泥环抗压强度。
图5为实施例1中不同压力循环次数下水泥环抗拉强度。
图6为实施例1中水泥环界面径向应力发展曲线。
图7为实施例1中水泥环界面环向应力发展曲线。
图8为实施例2中不同温度循环次数下水泥环轴向胶结强度。
图9为实施例2中不同温度循环次数下水泥环径向胶结强度。
图10为实施例2中不同温度循环次数下水泥环抗压强度。
图11为实施例2中不同温度循环次数下水泥环抗拉强度。
图12为实施例2中水泥环界面径向应力发展曲线。
图13为实施例2中水泥环界面环向应力发展曲线。
图14为实施例2中水泥环界面轴向应力发展曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
该实施例从施工现场获取页岩气井压裂施工参数以及井筒水泥环极端服役工况，包括井身结构(套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸、目标层位深度)、套管属性参数(弹性模量、泊松比、屈服强度)、水泥浆的配方、地层属性参数(弹性模量、泊松比)、温度-压力载荷谱行为(温度、压力加卸载速度、级差、频率、循环次数、峰值作用时间)；
该实施例根据实际井身结构建立套管-水泥环-地层组合体实验装置，参照标准(GB/T 19139-2012)，根据现场水泥浆配方配置水泥浆养护于套管-水泥环-地层组合体实验装置(130℃*25MPa)，养护时间为7d；
待水泥环养护完成后，设定压力加-卸载速率为每1min增压1MPa，加载套管内压至69MPa，稳定30min后，再卸载至0MPa，模拟压裂施工时载荷谱行为对水泥环的作用，压力加-卸载循环次数分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10；
不同压力循环次数作用后，使用液压伺服驱动控制万能试验机采用准静态压出法测试水泥环界面轴向胶结强度σzsi＝f(σzs，Pi)，结果如图2所示；
采用活塞抽吸法测试界面径向胶结强度σrbi＝f(σrb，Pi)，结果如图3所示；
待每次使用活塞抽吸法测试完界面径向胶结强度后，使用取芯机对水泥环进行圆形取芯处理，取心直径为25cm，取芯高度为50cm；使用取芯机对水泥环进行方形取芯处理，取心宽度为10cm，与取芯高度50cm；
使用三轴压缩试验机测试圆形取芯水泥石抗压强度σci＝f(σc，Pi)，测试结果如图4所示；
采用声发射技术和四点弯曲法测试表征方形取芯水泥石抗拉强度σti＝f(σt，Pi)，测试结果如图5所示；
该实施例根据实际井身结构建立套管-水泥环-地层组合体实验装置，根据现场水泥浆配方配置水泥浆养护于套管-水泥环-地层组合体实验装置中(130℃*25MPa)，养护时间为7d；
待水泥石养护完成后，设定压力加-卸载速率为每1min增压1MPa，加载套管内压至69MPa，稳定30min后，再卸载至0MPa，并利用无线应变传感器实时监测套管-水泥环界面径向应力和环向应力，压力加-卸载次数一共为10次，实时监测数据如图6、图7所示；
压力循环加-卸载过程中，结合实际服役工况可知，实时诊断水泥环完整性是否失效以及失效机理；
结合实际服役工况可知，在t＝0～902min之间，水泥环完整性均没有发生失效，在此过程中，水泥环界面径向压应力σrci以及环向压应力σcci低于水泥环屈服强度σci，不产生屈服失效；水泥环界面环向拉应力σcti低于水泥环抗拉强度σti，不产生拉伸失效；水泥环界面径向拉应力σrti低于水泥环径向胶结强度σrbi，不产生界面微环隙；同时由于只有压力的加卸载所以不存在水泥环轴向剪切胶结失效；
随着压力循环次数的增加，水泥环抗压强度、抗拉强度以及水泥环界面径向胶结强度和轴向胶结强度均有所下降，在t＝903min(i＝6)时，由于水泥环界面环向拉应力σcti大于水泥环抗拉强度σti，此时水泥环启动拉伸失效；t＝1186min(i＝7)时，由于水泥环界面径向拉应力σrti大于水泥环界面径向胶结强度σrbi，此时水泥环启动界面微环隙失效。
实施例2
该实施例从施工现场获取稠油热采施工参数以及井筒水泥环服役工况，包括井身结构(套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸、目标层位深度)、套管属性参数(弹性模量、泊松比、屈服强度)、现场水泥浆配方、地层属性参数(弹性模量、泊松比)、固井时循环温度以及压力、蒸汽吞吐时载荷谱行为(温度、压力加卸载速度、级差、频率、循环次数、峰值作用时间)；
该实施例根据实际井身结构建立套管-水泥环-地层组合体实验装置，参照标准(GB/T 19139-2012)，根据现场水泥浆配方配置水泥浆养护于套管-水泥环-地层组合体实验装置(60℃*25MPa)，养护时间为7d；
待水泥石养护完成后，加热套管温度至350℃，加载速率为每1h升温300℃，待温度升至350℃后稳定30min，再自然冷却至常温，模拟蒸汽吞吐作用下交变温度对水泥环的作用，温度加-卸载次数分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10；
不同温度循环载次数作用后，使用液压伺服驱动控制万能试验机采用准静态压出法测试水泥环界面轴向胶结强度σzsi＝f(σzs，Ti)，结果如图8所示；
采用活塞抽吸法测试水泥环界面径向胶结强度σrbi＝f(σrb，Ti)，结果如图9所示；
待每次使用活塞抽吸法测试完界面径向胶结强度后，使用取芯机对水泥环进行圆形取芯处理，取心直径为25cm，取芯高度为50cm；使用取芯机对水泥环进行方形取芯处理，取心宽度为10cm，与取芯高度50cm；
使用三轴压缩试验机测试圆形取芯水泥石抗压强度σci＝f(σc，Ti)，结果如图10所示；
采用声发射技术和四点弯曲法测试表征方形取芯水泥石抗拉强度σti＝f(σt，Ti)，结果如图11所示；
该实施例根据实际井身结构建立套管-水泥环-地层组合体实验装置。根据现场水泥浆配方配置水泥浆养护于套管-水泥环-地层组合体实验装置中(60℃*25MPa)，养护时间为7d；
待水泥石养护完成后，加热套管温度至350℃，加载速率为每1h升温300℃，待温度升至350℃后稳定30min，再自然冷却至常温，并利用无线应变传感器实时监测套管-水泥环界面径向应力、环向应力以及轴向应力，温度加-卸载次数总共为10次，实时监测数据如图12、图13和图14所示；
温度加-卸载过程中，结合实际服役工况，实时诊断水泥环完整性是否失效以及失效机理；
结合实际服役工况可知，在t＝0～1360min之间，水泥环完整性均没有发生失效，在此过程中，水泥环界面径向压应力σrci以及环向压应力σcci低于水泥环屈服强度σci，不产生屈服失效；水泥环界面环向拉应力σcti低于水泥环抗拉强度σti，不产生拉伸失效；水泥环界面径向拉应力σrti低于水泥环径向胶结强度σrbi，不产生界面微环隙；水泥环轴向拉应力σzti低于水泥环轴向胶结强度σzsi，不产生界面轴向剪切失效；
随着温度循环次数的增加，水泥环抗压强度、抗拉强度以及水泥环界面径向胶结强度和轴向胶结强度均有所下降，在t＝1360min(i＝9)时，由于水泥环界面轴向拉应力σzti大于水泥环界面轴向胶结强度σzsi，此时水泥环启动界面轴向剪切失效。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法，其特征在于，所述方法主要包括以下步骤：
步骤一：获取现场施工及生产参数和井筒水泥环服役工况；
步骤二：采用全尺寸“套管-水泥环-地层”组合体实验装置，参照标准(GB/T 19139-2012)按照井下实际工况养护形成水泥环，其目的是模拟固井时水泥环面临的服役工况；
步骤三：利用温度和压力控制系统模拟温度-压力载荷谱行为对水泥环的作用，其目的是模拟压裂、注水/气、稠油热采等极端作业过程中井下水泥环面临的极端服役工况；
步骤四：不同温度-压力载荷谱次数作用后，利用活塞抽吸法测试温度-压力载荷谱作用后水泥环界面径向胶结强度σrbi＝f(σrb，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σrbi＝f(σrb，Ti)，若只有压力变化则为σrbi＝f(σrb，Pi)，i代表载荷谱循环次数，σrb初始界面径向胶结强度；
步骤五：利用准静态压出法测试温度-压力载荷谱作用后水泥环轴向胶结强度σzsi＝f(σzs，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σzsi＝f(σzs，Ti)，若只有压力变化则为σzsi＝f(σzs，Pi)，σzs代表初始界面轴向胶结强度；
步骤六：待每次测试完水泥环径向胶结强度后，使用取芯机对水泥环进行圆形和方形取芯处理，得到圆形和方形两种水泥石试样，圆形水泥石试样直径与高度为1：2，方形水泥石试样宽度与高度为1：5；
步骤七：使用三轴压缩试验机测试温度-压力载荷谱作用后圆形水泥石试样抗压强度σci＝f(σc，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σci＝f(σc，Ti)，若只有压力变化则为σci＝f(σc，Pi)，σc代表初始抗压强度；
步骤八：采用声发射技术和四点弯曲法测试表征温度-压力载荷谱作用后方形水泥石试样抗拉强度σti＝f(σt，Ti，Pi)，若只有温度变化则为σti＝f(σt，Ti)，若只有压力变化则为σti＝f(σt，Pi)，σt代表初始抗拉强度；
步骤九：采用全尺寸“套管-水泥环-地层”组合体实验装置按照井下实际工况养护形成水泥环，其目的是模拟压裂、注水/气、稠油热采等某一种待测作业过程中井下水泥环的苛刻服役工况；
步骤十：利用温度和压力控制系统模拟待测作业过程产生的温度-压力载荷谱行为对水泥环的作用，结合最新微电位技术、无线传感技术，量化测试并表征温度-压力载荷谱作用下“套管-水泥环-地层”组合体中水泥环内部及界面的径向压应力σrci、环向压应力σcci、径向拉应力σrti、环向拉应力σcti和轴向拉应力σzti；
步骤十一：结合实际服役工况(温度T、压力P)，实时定量判断水泥环完整性失效是否启动及失效机理，包括单一、复合两种失效模式、8种失效机理；
步骤十二：水泥环完整性的单一失效启动及失效机理定量判断：I.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，此时启动水泥环的屈服失效；II.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，此时启动水泥环的环向断裂失效；III.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向拉应力σrti>水泥环径向胶结强度σrbi，此时启动水泥环界面的径向剥离失效，形成微环隙；IV.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时启动水泥环界面的轴向剪切失效；
步骤十三：水泥环完整性的复合失效启动及失效机理定量判断：I.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，且水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，此时同时启动水泥环的屈服失效和环向断裂失效；II.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，且水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时同时启动水泥环的屈服失效和轴向剪切失效；III.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，且水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时同时启动水泥环的环向断裂失效和轴向剪切失效；IV.如果某一时间点/循环左右次数下水泥环径向压应力σrci>水泥环抗压强度σci或水泥环环向压应力σcci>水泥环抗压强度σci，水泥环环向拉应力σcti>水泥环抗拉强度σti，且水泥环轴向拉应力σzti>水泥环轴向胶结强度σzsi，此时同时启动水泥环的屈服失效、环向断裂失效和轴向剪切失效。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210790586.0A CN115163042B (zh) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210790586.0A CN115163042B (zh) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115163042A true CN115163042A (zh) | 2022-10-11 |
| CN115163042B CN115163042B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=83490784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210790586.0A Active CN115163042B (zh) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115163042B (zh) |
Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030150263A1 (en) * | 2002-02-08 | 2003-08-14 | Economides Michael J. | System and method for stress and stability related measurements in boreholes |
| CN101016837A (zh) * | 2006-09-30 | 2007-08-15 | 中国海洋石油总公司 | 水泥环界面剪切超声测试方法 |
| US20120205103A1 (en) * | 2011-02-16 | 2012-08-16 | Halliburton Energy Services, Inc. | Cement Slurry Monitoring |
| US20140318783A1 (en) * | 2013-04-30 | 2014-10-30 | Baker Hughes Incorporated | Method of Real Time Monitoring of Well Operations Using Self-Sensing Treatment Fluids |
| CN104727805A (zh) * | 2013-12-24 | 2015-06-24 | 中国石油化工集团公司 | 水泥环胶结强度评价装置 |
| US20170081942A1 (en) * | 2015-09-17 | 2017-03-23 | Schlumberger Technology Corporation | Inhibiting longitudinal propagation of cracks in wellbore cement |
| US20170096874A1 (en) * | 2014-03-21 | 2017-04-06 | Schlumberger Technology Corporation | Methods of designing cementing operations and predicting stress, deformation, and failure of a well cement sheath |
| CN106771096A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-05-31 | 西南石油大学 | 一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法 |
| US20170205388A1 (en) * | 2014-04-04 | 2017-07-20 | Schlumberger Technology Corporation | Wellbore cement simulator |
| CN107991165A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-05-04 | 中国石油大学(北京) | 一种水泥环气密封性失效判断方法 |
| US20210082543A1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-03-18 | Southwest Petroleum University | Method for establishing chart for designing mechanical properties of cement stones in large-scale fracturing oil well |
| CN113063664A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-07-02 | 西南石油大学 | 油气井固井水泥环第一界面拉伸胶结强度测试装置及方法 |
| CN113756744A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-07 | 中海石油(中国)有限公司 | 一种深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法 |
| CN113756743A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-07 | 中海石油(中国)有限公司 | 一种复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置及测试方法 |
| WO2022011970A1 (zh) * | 2020-07-14 | 2022-01-20 | 中国石油大学(北京) | 一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置 |
| CN215985532U (zh) * | 2021-09-29 | 2022-03-08 | 西南石油大学 | 一种拉伸法测水泥石抗拉强度装置 |
| CN114215505A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-22 | 西南石油大学 | 一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法 |
| CN114414781A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-04-29 | 西南石油大学 | 一种交变温度下水泥环轴向应力-变形沿径向分布的测试装置及方法 |
-
2022
- 2022-07-06 CN CN202210790586.0A patent/CN115163042B/zh active Active
Patent Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030150263A1 (en) * | 2002-02-08 | 2003-08-14 | Economides Michael J. | System and method for stress and stability related measurements in boreholes |
| CN101016837A (zh) * | 2006-09-30 | 2007-08-15 | 中国海洋石油总公司 | 水泥环界面剪切超声测试方法 |
| US20120205103A1 (en) * | 2011-02-16 | 2012-08-16 | Halliburton Energy Services, Inc. | Cement Slurry Monitoring |
| US20140318783A1 (en) * | 2013-04-30 | 2014-10-30 | Baker Hughes Incorporated | Method of Real Time Monitoring of Well Operations Using Self-Sensing Treatment Fluids |
| CN104727805A (zh) * | 2013-12-24 | 2015-06-24 | 中国石油化工集团公司 | 水泥环胶结强度评价装置 |
| US20170096874A1 (en) * | 2014-03-21 | 2017-04-06 | Schlumberger Technology Corporation | Methods of designing cementing operations and predicting stress, deformation, and failure of a well cement sheath |
| US20170205388A1 (en) * | 2014-04-04 | 2017-07-20 | Schlumberger Technology Corporation | Wellbore cement simulator |
| US20170081942A1 (en) * | 2015-09-17 | 2017-03-23 | Schlumberger Technology Corporation | Inhibiting longitudinal propagation of cracks in wellbore cement |
| CN106771096A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-05-31 | 西南石油大学 | 一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法 |
| CN107991165A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-05-04 | 中国石油大学(北京) | 一种水泥环气密封性失效判断方法 |
| WO2022011970A1 (zh) * | 2020-07-14 | 2022-01-20 | 中国石油大学(北京) | 一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置 |
| US20210082543A1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-03-18 | Southwest Petroleum University | Method for establishing chart for designing mechanical properties of cement stones in large-scale fracturing oil well |
| CN113063664A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-07-02 | 西南石油大学 | 油气井固井水泥环第一界面拉伸胶结强度测试装置及方法 |
| CN113756744A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-07 | 中海石油(中国)有限公司 | 一种深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法 |
| CN113756743A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-07 | 中海石油(中国)有限公司 | 一种复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置及测试方法 |
| CN215985532U (zh) * | 2021-09-29 | 2022-03-08 | 西南石油大学 | 一种拉伸法测水泥石抗拉强度装置 |
| CN114215505A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-22 | 西南石油大学 | 一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法 |
| CN114414781A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-04-29 | 西南石油大学 | 一种交变温度下水泥环轴向应力-变形沿径向分布的测试装置及方法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| "油气井密封结构的变形与失效行为研究进展", 《力学学报》, vol. 51, no. 3, 10 April 2019 (2019-04-10) * |
| KUANHAI, D: "Study on the effect of interface failure between casing and cement sheath on casing stress under non-uniform in-situ stress", 《APPLIED MATHEMATICAL MODELLING》, 31 March 2021 (2021-03-31) * |
| 席传明: "考虑初始状态影响的套管—水泥环—地层系统力学分析模型及应用", 《中国优秀硕士论文全文库工程科技I辑》, no. 7, 15 July 2018 (2018-07-15) * |
| 张林海: "模拟压裂作用对水泥环密封性破坏及改善研究", 《 科学技术与工程》, vol. 17, no. 13, 8 May 2017 (2017-05-08) * |
| 张海志: "水泥环密封失效实验预测研究", 《中国优秀硕士论文全文库工程科技I辑》, no. 3, 15 March 2022 (2022-03-15) * |
| 林元华: "套管在单轴压缩载荷下的失效规律", 《天然气工业》, vol. 36, no. 1, 25 January 2016 (2016-01-25) * |
| 罗翰: "复杂工程地质条件下水泥环承载能力研究", 《中国优秀硕士论文全文库工程科技I辑》, no. 6, 15 June 2020 (2020-06-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115163042B (zh) | 2024-04-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114215505B (zh) | 一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法 | |
| Kuanhai et al. | Experimental study on the integrity of casing-cement sheath in shale gas wells under pressure and temperature cycle loading | |
| CN107991165B (zh) | 一种水泥环气密封性失效判断方法 | |
| CN106522923A (zh) | 油气井水泥环密封完整性测试装置及利用此装置进行评价的方法 | |
| CN108729913B (zh) | 可控冲击波预裂页岩储层方法 | |
| CN112052592B (zh) | 用于大规模压裂油井水泥石力学性能设计的图版建立方法 | |
| CN105041284A (zh) | 油气井压裂工况井筒完整性评价的实验装置与方法 | |
| CN110593811B (zh) | 一种水泥环初始应力状态监测实验方法 | |
| CN111287731A (zh) | 一种固井水泥环完整性评价装置及方法 | |
| CN107269263A (zh) | 一种蠕变地层定向井筒力学行为模拟实验装置与方法 | |
| US11828733B2 (en) | Device for testing strength and sealing performance of cement sheath after perforation and using method thereof | |
| CN212671758U (zh) | 一种固井水泥环完整性评价装置 | |
| CN113266304B (zh) | 一种提升油气井长效生产寿命的穿越型水合物层固井方法 | |
| CN115163042B (zh) | 一种极端服役工况下水泥环完整性失效启动机理的预测方法 | |
| Luo et al. | Influence of the Initial Stress State of the cement sheath on the Casing-cement sheath-formation System Stress Distribution | |
| CN110578494B (zh) | 一种水泥环初始应力状态监测实验装置 | |
| CN111300617B (zh) | 一种高温高压水泥石养护装置及水泥石的制备方法 | |
| CN111456715A (zh) | 一种油气井水泥环-脆性地层界面剪切结合强度测试装置及方法 | |
| CN114458274A (zh) | 一种岩石扩容方法 | |
| CN107573912B (zh) | 泥饼弹性化剂、其制备方法与应用以及泥饼成型模拟方法 | |
| CN116698631A (zh) | 一种多次交变载荷下油气井水泥环界面微环隙预测方法 | |
| Liu et al. | Application and analysis of fracture simulation of the slip of the permanent packer | |
| RU2761909C1 (ru) | Способ опрессовки эксплуатационной обсадной колонны простаивающей скважины | |
| CN117345207B (zh) | 基于井筒及升高短节完整性检测分析的油气井封堵方法 | |
| CN211453181U (zh) | 一种固井水泥石性能测试装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |