高压气井水泥环力学损伤机理及材料改性试验研究

发布时间：2017-10-26 10:06

  本文关键词：高压气井水泥环力学损伤机理及材料改性试验研究

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【摘要】：水泥环是油气井井筒完整性的重要屏障之一,其好坏严重影响油气井的生命周期与生产安全。尤其对于高压气井而言,水泥环的作用更为突出,一旦水泥环的层间封隔能力失效将发生环空气窜现象,轻则导致井口环空带压,重则发生不可控井喷事故,不仅影响气井的固井质量,还威胁气井的安全生产,因此,开展高压气井水泥环力学损伤失效机理的研究势在必行。目前关于水泥环完整性的研究主要是通过建立套管、水泥环、地层围岩组合体模型,结合有限元软件进行理论推导或设计简易的模拟装置进行实验研究,但对于水泥环在实际复杂的井下环境(地层温度、压力、套管内压)是如何承载失效的鲜有研究。因此,建立适用于高压气井水泥环完整性力学模型,研制水泥环力学损伤模拟装置,探究水泥环力学损伤机理,并开展水泥环材料力学的改性实验研究,对提高高压气井水泥环的环空封隔能力,有效保证井筒完整性具有非常重要的意义。本文在高压气井的地质特性与工程难点分析基础上,考虑实际的井眼条件,将初始应力、套管内压力与地层应力变化所产生的应力进行叠加,建立套管-水泥环-井壁围岩的组合体模型,并研制了一种水泥环力学损伤模拟装置,用于模拟井下环境,包括地层温度、压力、套管内压的变化,将实际井筒水泥环在工况变化下承载过程,等效到该装置的水泥环上,结合所建模型设计一套水泥环等效物理实验,为探究高压气井水泥环力学损伤机理奠定基础。本文基于水泥环等效物理实验,为探索水泥环的力学损伤机理,选取一口实例井,将高、低应力环境下水泥环作为实验研究对象。利用模拟装置分别对两种应力环境下的水泥环进行模拟实验,并根据CT扫描与微观扫描的实验现象与结果,探究水泥环的力学损伤机理。依据不同应力环境下水泥环的力学损伤机理,分别选取了四种具有高韧性、高弹模、高抗应力强度、高抗断裂能力增韧改性材料,提高水泥环的力学性能,达到水泥环进行有效封隔的要求,为高压气井的高效生产开发与安全提供有力的保障。本文在理论研究与实验研究的基础上,形成的结论如下：(1)本文结合井眼实际情况,考虑后续井筒作业水泥环应力的叠加,包括地层初始应力、套管内压及地层应力变化产生的应力,建立了水泥环完整性力学模型,并基于几何近似与等效应力原理,设计了一种能模拟实际井身结构、井下温度、压力环境与套管内压连续变化的水泥环力学损伤模拟装置。(2)从理论结合实践的思想角度出发,将建立的水泥环完整性力学模型与水泥环力学损伤模拟装置相结合,设计一套水泥环等效物理实验,将实际井筒水泥环在工况变化下承载过程,等效到该装置的水泥环上,探究水泥环受载后的力学损伤机理。(3)根据水泥环力学损伤模拟装置测试与CT扫描发现,低应力环境条件下,水泥环发生张性破坏,导致径向裂纹产生。高应力环境条件下,水泥环孔隙体积与总体积减小,套管与水泥环的胶结面出现了微环隙。最终由实验结果表明水泥环承载失效有两种主要形式：一是低应力环境下水泥环发生张性裂纹破坏；二是高应力环境下水泥环与套管的胶结面分离,胶结面分离的微观机理是载荷作用下的孔隙体积压缩及界面骨架颗粒破碎,内部组成成分未被完全水化,与水化硅酸钙晶体粘结作用被破坏,发生脱离,最终导致水泥环发生损伤破坏。(4)基于高压气井水泥环在不同应力环境下的力学损伤机理,分别选取了四种增韧材料。低应力环境下：聚乙烯醇纤维、聚酯纤维；高应力环境下：碳纤维、碳酸钙晶须。低应力环境下加量为0.2%的聚酯纤维水泥石改性效果最佳,高应力环境下加量为0.2%的碳纤维水泥石改性效果最佳,并经过水泥环等效物理实验评价,在相同实验条件下水泥环完整性得到保证。
【关键词】：井筒完整性 高压气井 水泥环 等效物理实验 损伤机理
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE256
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 研究目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 油气井水泥环完整性力学模型的研究进展12-14
• 1.2.2 油气井水泥石的材料力学改性研究进展14-16
• 1.3 目前研究存在的问题16-17
• 1.4 研究内容和技术路线17-19
• 1.4.1 研究内容17-18
• 1.4.2 技术路线18-19
• 1.5 主要创新点19-20
• 第2章 高压气井地质特性与工程难点分析20-28
• 2.1 高压气藏的地质特性分析20-23
• 2.1.1 压力系统的复杂性21-22
• 2.1.2 地层岩性的复杂性22-23
• 2.2 高压气井固井工程难点分析23-25
• 2.2.1 环空易发生气窜24
• 2.2.2 井底温度高24-25
• 2.2.3 钻井液密度高25
• 2.3 后续生产工况难点分析25-26
• 2.3.1 套管试压25
• 2.3.2 射孔25-26
• 2.3.3 试油26
• 2.3.4 压裂酸化26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 水泥环等效物理实验的研究28-43
• 3.1 水泥环完整性力学模型的建立28-35
• 3.1.1 套管、水泥环、井壁围岩组合体模型建立28-30
• 3.1.2 初始应力对水泥环应力分布研究30-31
• 3.1.3 套管内压力变化对水泥环应力分布研究31-33
• 3.1.4 地层应力变化对水泥环应力分布研究33-34
• 3.1.5 水泥环应力分布理论解34-35
• 3.2 水泥环力学损伤模拟装置的研究35-38
• 3.2.1 水泥环完整性评价装置的研究背景35-36
• 3.2.2 水泥环力学损伤模拟装置的工作原理36-37
• 3.2.3 水泥环力学损伤模拟装置的特点37-38
• 3.3 水泥环等效物理实验的设计38-42
• 3.3.1 水泥环制作的主要实验装置及方法38-39
• 3.3.2 实验对象与材料39-41
• 3.3.3 实验评价过程41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 高压气井水泥环力学损伤机理的探究43-60
• 4.1 水泥环等效物理实验对象选取43-46
• 4.1.1 水泥环封固段实验点的确定43-44
• 4.1.2 水泥环等效物理实验等效内压值的计算44-46
• 4.2 低应力环境下水泥环力学损伤机理探究46-49
• 4.2.1 低应力环境下水泥环等效物理实验研究46-49
• 4.2.2 低应力环境下水泥环力学损伤机理分析49
• 4.3 高应力环境下水泥环力学损伤机理探究49-59
• 4.3.1 高应力环境下水泥环等效物理实验研究50-52
• 4.3.2 基于CT宏观扫描技术对水泥环损伤的实验研究52-55
• 4.3.3 微观实验对水泥环损伤的研究55-58
• 4.3.4 高应力环境下水泥环力学损伤机理分析58-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第5章 高压气井水泥环材料力学改性试验研究60-75
• 5.1 水泥环力学改性材料的优选60-61
• 5.2 低应力环境下水泥环材料力学改性实验研究61-66
• 5.2.1 聚乙烯醇和聚酯纤维对水泥浆性能的影响61-63
• 5.2.2 聚乙烯醇和聚酯纤维对水泥石力学性能的影响63-65
• 5.2.3 聚乙烯醇和聚酯纤维改性水泥石微观结构及增强机理65-66
• 5.3 高应力环境下水泥环材料力学改性实验研究66-72
• 5.3.1 碳纤维和碳酸钙晶须对水泥浆性能的影响67-68
• 5.3.2 碳纤维和碳酸钙晶须对水泥石力学性能的影响68-70
• 5.3.3 碳纤维和碳酸钙晶须改性水泥石微观结构及增强机理70-72
• 5.4 改性水泥环等效物理实验的评价72-74
• 5.5 本章小结74-75
• 第6章 结论与建议75-77
• 6.1 结论75-76
• 6.2 建议76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-85
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果85

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本文编号：1098169