CN116542038A - 一种固井水泥环初始应力确定方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种固井水泥环初始应力确定方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN116542038A CN202310465275.1A CN202310465275A CN116542038A CN 116542038 A CN116542038 A CN 116542038A CN 202310465275 A CN202310465275 A CN 202310465275A CN 116542038 A CN116542038 A CN 116542038A
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李冠鹏
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Abstract

本发明公开了一种固井水泥环初始应力确定方法、装置、设备及介质，方法包括：构建套管‑水泥环‑地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力；根据所述实时应力与径向应力改变量的差值关系，确定水泥环的初始应力。本发明解决了现有技术中在对固井进行受力分析时无法得知水泥环初始应力，从而导致固井受力分析结果不准确的问题。

Description

一种固井水泥环初始应力确定方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及石油和天然气固井技术领域，具体涉及一种固井水泥环初始应力确定方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
石油与天然气是工业的血液，目前石油与天然气的开发朝着更为复杂的地质条件方向进行，安全、高效、经济开采油气面临着全新的挑战。钻井完毕后下套管进行注水泥作业，待水泥凝固到一定程度后，套管-水泥环-地层形成一个系统。固井形成的套管-水泥环-地层系统密封质量的好坏是影响后期油气能否顺利安全开发的重要因素之一，套管-水泥环-地层系统密封质量高为后续的侧钻开窗、射孔等再开发工序创造了有利条件，反之套管-水泥环-地层系统密封质量差会为后续的侧钻开窗、射孔等工序带来困难，并易造成环空窜流，严重的话会造成该井的报废。
套管-水泥环-地层系统密封质量差会带来一系列安全问题，因此如何提高套管-水泥环-地层系统密封性能显得较为迫切，而套管-水泥环-地层系统所受的初始应力是分析套管-水泥环-地层系统受力的重要因素之一，在建立套管-水泥环-地层系统受力模型时只有符合建井的实际过程才能更准确的对套管-水泥环-地层系统进行受力分析计算。初始应力存在于整个钻完井过程中，因此在建立套管-水泥环-地层系统力学分析模型时，必须充分考虑初始应力的影响，而现有的套管-水泥环-地层系统力学模型要么没考虑初始应力的影响；要么只是说明有初始应力的存在，在计算时只是提到有初始应力，并没有对初始应力进行定量计算。现有的研究方法没有给出初始应力的计算方法，导致在对套管-水泥环-地层系统受力分析时与实际情况存在准确性差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种固井水泥环初始应力确定方法、装置、电子设备及存储介质，解决现有技术中建立套管-水泥环-底层系统力学模型时没有引入定量的初始应力进行分析，导致对模型的受力分析与实际情况存在误差的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种固井水泥环初始应力确定方法，包括：
构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；
基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力；
根据所述实时应力与所述径向应力改变量的差值关系，确定所述水泥环的初始应力。
在一些实施例中，所述基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力，包括：
采用预设的应力检测实验法改变套管受压情况，基于套管-水泥环-地层系统预设的位移边界条件，根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁应力变化量和水泥环内壁应力变化量；
基于预设的厚壁圆筒理论，根据所述水泥环外壁应力变化量和所述水泥环内壁应力变化量对水泥环各个位置处的所述径向应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力。
在一些实施例中，所述根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁应力变化量和水泥环内壁应力变化量，包括：
基于预设的厚壁圆筒理论，分别确定水泥环内壁压力和水泥环外壁压力；
根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁实时应力和水泥环内壁实时应力；
根据所述水泥环外壁实时应力与所述水泥环外壁压力之间的差值关系，确定所述水泥环外壁应力变化量；
根据所述水泥环内壁实时应力与所述水泥环内壁压力之间的差值关系，确定所述水泥环内壁应力变化量。
在一些实施例中，所述根据所述水泥环外壁应力变化量和所述水泥环内壁应力变化量对水泥环各个位置处的所述径向应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力，包括：
分别获取水泥环内壁半径和水泥环外壁半径；
根据所述水泥环内壁半径和所述水泥环外壁半径，确定水泥环各个位置的半径范围；
基于所述半径范围，根据所述水泥环内壁应力变化量和所述水泥环外壁应力变化量对水泥环径向应力的影响程度，确定水泥环各个位置处的实时应力。
在一些实施例中，所述采用预设的应力检测实验法改变套管受压情况，包括：
配制水泥构建套管-水泥环-地层系统模型；
采用密封件将所述套管-水泥环-地层系统模型中的套管两端封闭；
将预设的应变片与套管外壁贴合连接；
采用加压装置通过所述密封件对所述套管内加压，以改变套管受压情况。
在一些实施例中，所述获取套管外壁的径向应力改变量，包括：
根据位于套管外壁的所述应变片的位移变化，确定套管外壁的径向应力改变量。
在一些实施例中，所述水泥环的实时应力可通过如下公式表示：
其中，r2表示水泥环内壁半径，r3表示水泥环外壁半径，r表示水泥环任意位置处半径，ΔP2表示水泥环内壁应力变化量，ΔP3表示水泥环外壁应力变化量。
第二方面，本发明还提供了一种固井水泥环初始应力确定装置，包括：
径向应力改变量确定模块，用于构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；
实时应力确定模块，用于基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力；
初始应力确定模块，用于根据所述实时应力与径向应力改变量的差值关系，确定水泥环的初始应力。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的固井水泥环初始应力确定方法中的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的固井水泥环初始应力确定方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的固井水泥环初始应力确定方法、装置、电子设备及存储介质，首先构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；随后基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力；最后根据所述实时应力与径向应力改变量的差值关系，确定水泥环的初始应力。本发明通过获取套管受力过程中水泥环的径向应变的改变量以及实时的径向应变，从而确定初始应力，对套管-水泥环-地层系统中存在的初始应力进行了定量化计算，为后续的受力分析提供了数据支撑，提高了套管-水泥环-地层系统受力分析的准确性。
附图说明
图1是本发明提供的固井水泥环初始应力确定方法的一实施例的流程图；
图2是本发明提供的固井水泥环初始应力确定方法中，步骤S102的一实施例的流程图；
图3是本发明提供的固井水泥环初始应力确定方法中，步骤S201的一实施例的流程图；
图4是本发明提供的固井水泥环初始应力确定方法中，步骤S202的一实施例的流程图；
图5是本发明提供的固井水泥环初始应力确定装置的一实施例的示意图；
图6是本发明提供的电子设备一实施例的运行环境示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
套管-水泥环-地层系统的密封性决定了套管-水泥环-地层系统是否会产生环空窜流，而环空窜流的危害大，易造成以下不利因素：窜流会使不同压力储层之间传层，导致储层压力不稳定，影响油气的安全开采；窜流造成的环空带压使得油气的安全开采面临着挑战；地层中窜流出的有害气体严重威胁操作人员的人身安全。因此，加强套管-水泥环-地层系统的密封性，避免环空窜流的危险产生是亟待解决的问题。初始应力是影响受力分析和密封性分析的重要因素，因此，本发明提出一种固井水泥环初始应力确定方法，对初始应力定量化计算，从而指导后续的套管-水泥环-地层系统的受力分析，以提高受力分析的准确性。
本发明实施例提供一种固井水泥环初始应力确定方法，请参阅图1，包括：
S101、构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；
S102、基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力；
S103、根据所述实时应力与径向应力改变量的差值关系，确定水泥环的初始应力。
在本实施例中，首先构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；随后基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力；最后根据所述实时应力与径向应力改变量的差值关系，确定水泥环的初始应力。本发明通过获取套管受力过程中水泥环的径向应变的改变量以及实时的径向应变，从而确定初始应力，对套管-水泥环-地层系统中存在的初始应力进行了定量化计算，为后续的受力分析提供了数据支撑，提高了套管-水泥环-地层系统受力分析的准确性。
在步骤S101中，建立套管-水泥环-地层力学模型，假设套管、水泥环及井壁围岩三者紧密连接，连续，界面处无相对位移滑动，则其交界处满足径向位移连续和径向应力连续的条件，井眼规则，套管居中，水泥浆完全充满环形空间，属于平面应变问题。
需要说明的是，水泥环的实时应力是指在套管-水泥环-地层系统模型中，当套管或水泥环或地层系统的某一处受到压力发生形变，从而引起水泥环的受压情况发生变化引起形变后，能够检测出来的当前的应力，即为实时应力。于本实施例中，通过厚壁圆筒理论确定水泥环的实时应力。地层原始压力变化值ΔPe地层应力在这里认为其变化为零。
进一步的，由于水泥环为具有一定厚度的环状物，水泥环的实时应力包括水泥环与地层接触的外壁实时应力、水泥环与套管接触的内壁实时应力以及水泥环环内各处的实时应力。相应的，于本实施例中，获取套管外壁(即水泥环内壁)的径向应力改变量，相应的，此时则通过外界作业压力对水泥环应力的影响程度，获取水泥环内壁的实时应力，从而根据实时应力与径向应力改变量之间的差值关系，确定水泥环的初始应力。
在一些实施例中，请参阅图2，所述基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力，包括：
S201、采用预设的应力检测实验法改变套管受压情况，基于套管-水泥环-地层系统预设的位移边界条件，根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁应力变化量和水泥环内壁应力变化量；
S202、基于预设的厚壁圆筒理论，根据所述水泥环外壁应力变化量和所述水泥环内壁应力变化量对水泥环各个位置处的所述径向应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力。
在本实施例中，在水泥浆从液态凝固到固体水泥环的过程中，套管-水泥环-地层整个系统一直处于一个动态平衡的过程中，整个系统未发生变形。由于后续的作业打破了套管-水泥环-地层整个系统的动态平衡，作业前后整个系统压力的变化差值才是影响水泥环破坏的关键因素，基于弹塑性理论力学，根据厚壁圆筒理论得到水泥环应力表达式为：
其中，r2表示水泥环内壁半径，r3表示水泥环外壁半径，r表示水泥环任意位置处半径，ΔP2表示水泥环内壁应力变化量，ΔP3表示水泥环外壁应力变化量。
需要说明的是，基于套管-水泥环-地层系统预设的位移边界条件是指在建模的时候，假设套管、水泥环和地层三者成一个整体，当套管压力发生变化，套管会产生位移，其他两者也会发生位移变化，会发生膨胀，以使套管-水泥环-地层系统三者的始终紧密连接。
在一些实施例中，请参阅图3，所述根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁应力变化量和水泥环内壁应力变化量，包括：
S301、基于预设的厚壁圆筒理论，分别确定水泥环内壁压力和水泥环外壁压力；
S302、根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁实时应力和水泥环内壁实时应力；
S303、根据所述水泥环外壁实时应力与所述水泥环外壁压力之间的差值关系，确定所述水泥环外壁应力变化量；
S304、根据所述水泥环内壁实时应力与所述水泥环内壁压力之间的差值关系，确定所述水泥环内壁应力变化量。
在本实施例中，根据厚壁圆筒理论并由套管、水泥环、地层的位移边界条件，可以得到水泥环内壁压力P2以及水泥环外壁压力P3分别为：
其中：
其中t12＝r2/r1，t23＝r3/r2，t34＝r4/r3，μs，μc，μf分别为套管、水泥环、泊松比；Es，Ec，Ef分别为套管、水泥环、地层的弹性模量；系数fi为套管、水泥环和外层套管的弹性模量及其泊松比的相关函数，i＝0，1，…。
进一步的，通过上述公式可得知，水泥环外壁压力和水泥环内壁压力受套管内压力的影响，当套管内压力发生变化时，水泥环外壁压力和水泥环内壁压力随即发生变化，因此，以变化后的套管压力为基准，确定水泥环外壁实时应力及水泥环内壁实时应力，从而根据差值关系确定水泥环内壁应力变化量以水泥环外壁应力变化量。
在一些实施例中，请参阅图4，所述根据所述水泥环外壁应力变化量和所述水泥环内壁应力变化量对水泥环各个位置处的所述径向应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力，包括：
S401、分别获取水泥环内壁半径和水泥环外壁半径；
S402、根据所述水泥环内壁半径和所述水泥环外壁半径，确定水泥环各个位置的半径范围；
S403、基于所述半径范围，根据所述水泥环内壁应力变化量和所述水泥环外壁应力变化量对水泥环径向应力的影响程度，确定水泥环各个位置处的实时应力。
在本实施例中，水泥环是具有一定厚度的环状物，水泥环距离圆心不同位置处的实时应力不同，不同位置处的初始应力也不一样。由于水泥环内壁与外壁边界处的初始应力对套管-水泥环-地层系统的受力分析影响最大，因此本申请一个具体的实施例中以求解水泥环内壁实时应力，从而得出水泥环内壁初始应力为主。可以理解的是，本申请所提出的初始应力确定法方法同样可用于求解水泥环各个位置处的初始应力。
在一些实施例中，所述采用预设的应力检测实验法改变套管受压情况，包括：
配制水泥构建套管-水泥环-地层系统模型；
采用密封件将所述套管-水泥环-地层系统模型中的套管两端封闭；
将预设的应变片与套管外壁贴合连接；
采用加压装置通过所述密封件对所述套管内加压，以改变套管受压情况。
在本实施例中，得到高温高压条件下套管外壁准确的应变量是整个理论与实验结合方法求解界面处求解初始应力的关键，根据位于套管外壁的所述应变片的位移变化，确定套管外壁的径向应力改变量。本发明基于密封完整性装置，在套管外壁贴应变片，改变套管内压力，通过监测记录应变片的位移变化，运用理论建模与实验结合的方式反推计算出套管-水泥环界面，水泥环-地层界面的初始应力。
实验步骤如下：
①配置水泥制作地层，按照要求在一定温度下进行养护合适时间；
②套管外壁处贴应变片，焊接延长应变片信号线；
③套管放入地层中，在套管与地层的环形空间中浇筑按照配方配置好的水泥浆；
④接通压力管线，打开套管加压泵，使套管内压力加压到P1；打开围压加压泵，打开温度控制器，试件在一定压力、温度下进行养护；
⑤养护完成；
⑥使N26通入界面处，逐渐慢慢打开N26开关阀门，当压力表有度数的瞬间，记录下压力值，此值就是突破压力的大小；
⑦首先重复步骤①～⑧，然后通过改变套管内压力，此时套管内压力变为P1ˊ；
⑧应变片记录检测仪，在水泥浆凝固的过程中时刻记录应变片的数据。
需要说明的是，由于套管为工厂预制，因此在实验中应变片只能贴于套管内壁或套管外壁，为了获得水泥环的初始应力，于本实施例中采用将应变片贴于套管外壁的方式，获得水泥环内壁的应力改变量，并通过厚壁圆筒理论获得水泥环内壁的实时应力，从而根据内壁的应力改变量和水泥环内壁的实时应力，确定水泥环内壁的初始应力。在其他实施例中，可通过定制套管并将应变片贴于需求位置从而求得水泥环其他厚度位置处的应力改变量，从而确定其他位置处的初始应力。
基于上述固井水泥环初始应力确定方法，本发明实施例还相应地提供一种固井水泥环初始应力确定装置500，请参阅图5，该固井水泥环初始应力确定装置500包括径向应力改变量确定模块510、实时应力确定模块520和初始应力确定模块530。
径向应力改变量确定模块510，用于构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；
实时应力确定模块520，用于基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力；
初始应力确定模块530，用于根据所述实时应力与径向应力改变量的差值关系，确定水泥环的初始应力。
如图6所示，基于上述固井水泥环初始应力确定方法，本发明还相应提供了一种电子设备，该电子设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该电子设备包括处理器610、存储器620及显示器630。图6仅示出了电子设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
存储器620在一些实施例中可以是该电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。存储器620在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器620还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器620用于存储安装于电子设备的应用软件及各类数据，例如安装电子设备的程序代码等。存储器620还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器620上存储有固井水泥环初始应力确定程序640，该固井水泥环初始应力确定程序640可被处理器610所执行，从而实现本申请各实施例的固井水泥环初始应力确定方法。
处理器610在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器620中存储的程序代码或处理数据，例如执行固井水泥环初始应力确定方法等。
显示器630在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器630用于显示在所述固井水泥环初始应力确定设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备的部件610-630通过系统总线相互通信。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固井水泥环初始应力确定方法，其特征在于，包括：
构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；
基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力；
根据所述实时应力与所述径向应力改变量的差值关系，确定所述水泥环的初始应力。
2.根据权利要求1所述的固井水泥环初始应力确定方法，其特征在于，所述基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力，包括：
采用预设的应力检测实验法改变套管受压情况，基于套管-水泥环-地层系统预设的位移边界条件，根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁应力变化量和水泥环内壁应力变化量；
基于预设的厚壁圆筒理论，根据所述水泥环外壁应力变化量和所述水泥环内壁应力变化量对水泥环各个位置处的所述径向应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力。
3.根据权利要求2所述的固井水泥环初始应力确定方法，其特征在于，所述根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁应力变化量和水泥环内壁应力变化量，包括：
基于预设的厚壁圆筒理论，分别确定水泥环内壁压力和水泥环外壁压力；
根据所述套管受压情况，确定水泥环外壁实时应力和水泥环内壁实时应力；
根据所述水泥环外壁实时应力与所述水泥环外壁压力之间的差值关系，确定所述水泥环外壁应力变化量；
根据所述水泥环内壁实时应力与所述水泥环内壁压力之间的差值关系，确定所述水泥环内壁应力变化量。
4.根据权利要求3所述的固井水泥环初始应力确定方法，其特征在于，所述根据所述水泥环外壁应力变化量和所述水泥环内壁应力变化量对水泥环各个位置处的所述径向应力的影响程度，确定所述水泥环的实时应力，包括：
分别获取水泥环内壁半径和水泥环外壁半径；
根据所述水泥环内壁半径和所述水泥环外壁半径，确定水泥环各个位置的半径范围；
基于所述半径范围，根据所述水泥环内壁应力变化量和所述水泥环外壁应力变化量对水泥环径向应力的影响程度，确定水泥环各个位置处的实时应力。
5.根据权利要求2所述的固井水泥环初始应力确定方法，其特征在于，所述采用预设的应力检测实验法改变套管受压情况，包括：
配制水泥构建套管-水泥环-地层系统模型；
采用密封件将所述套管-水泥环-地层系统模型中的套管两端封闭；
将预设的应变片与套管外壁贴合连接；
采用加压装置通过所述密封件对所述套管内加压，以改变套管受压情况。
6.根据权利要求5所述的固井水泥环初始应力确定方法，其特征在于，所述获取套管外壁的径向应力改变量，包括：
根据位于套管外壁的所述应变片的位移变化，确定套管外壁的径向应力改变量。
7.根据权利要求1所述的固井水泥环初始应力确定方法，其特征在于，所述水泥环的实时应力可通过如下公式表示：
其中，r2表示水泥环内壁半径，r3表示水泥环外壁半径，r表示水泥环任意位置处半径，ΔP2表示水泥环内壁应力变化量，ΔP3表示水泥环外壁应力变化量。
8.一种固井水泥环初始应力确定装置，其特征在于，包括：
径向应力改变量确定模块，用于构建套管-水泥环-地层系统模型，获取套管外壁的径向应力改变量；
实时应力确定模块，用于基于弹塑性力学中预设的厚壁圆筒理论，根据外界作业压力对水泥环应力的影响程度，确定水泥环的实时应力；
初始应力确定模块，用于根据所述实时应力与径向应力改变量的差值关系，确定水泥环的初始应力。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-7所述的固井水泥环初始应力确定方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-7所述的固井水泥环初始应力确定方法中的步骤。
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