三轴应力条件下水泥环损伤力学本构模型的建立

发布时间：2020-10-15 02:28

　　 水泥环对于保护和固定套管,封隔油、气、水层具有重要作用。在油气井作业过程中,水泥环完整性会受到破坏,失去密封性,这直接关系到油气井安全生产和使用寿命。而准确描述水泥环的本构关系是实现水泥环力学分析及结构完整性分析的物质基础。本文以水泥石应力应变测试实验为基础,研究了水泥石力学本构关系模型的建立问题,通过开展单轴应力、三轴应力、循环加载等3种试验方式,从不同角度测试了水泥石的力学性能,分析了围压、养护时间、温度、循环载荷等因素对水泥石力学性能的影响规律;依据三轴应力条件下水泥石变形特征,运用损伤力学和统计理论,建立了水泥石统计损伤本构关系数学模型,并结合实验数据给予验证。以此为基础,运用ANSYS数值模拟软件,采用控制变量法,分析了在蠕变地层、弹性地层和刚性地层中,不同参数对于水泥环所受应力的影响。实验表明,三轴应力条件下水泥石所体现出的力学变形行为与单轴应力条件存在明显的差异,主要表现为强度的增加和塑性变形增大;随温度、养护时间的增大,水泥石抗压强度和弹性模量也都增大,且水泥石强度与弹性模量成正比关系;胶乳等增韧材料能够改善水泥石力学变形能力,但水泥石力学行为特征并没有改变,其应力应变曲线与原浆水泥石的形状相近。运用损伤力学理论,基于Weibull概率密度函数和D-P破坏失效准则,建立了水泥石统计损伤本构关系,结合实验数据给予验证,结果表明本模型与试验结果拟合较好。水泥环弹性模量越大,水泥环整体所承受的应力越大,且受力越不均匀;水泥环泊松比越大,其变形能力和传递压力能力越强,抗破坏能力就越强;水泥环随着厚度的增加其有效应力整体逐渐趋向于减小;因此为了提高水泥环的封固可靠性,应选择低弹性模量,高泊松比的水泥浆体系。在不同地层条件下,水泥环参数对界面应力的影响方式相同,但影响水平不同。随着弹性模量的增加,水泥环所受的等效应力增大,相比于弹性地层和刚性地层,蠕变地层水泥环所受应力作用更加明显。在刚性地层中水泥环所承受应力为线性变化,随着泊松比的增大而逐渐减小,减小幅度较大;在蠕变地层中水泥环承受应力随着泊松比的增大而逐渐减小,但减小幅度不大。
【学位单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE931.2
【部分图文】：

.1.2 试验岩样制备1）水泥浆配方：1 号；G 级+水2 号：G 级+15%胶乳+水2）水泥石试验样品本文为方便分析对比水泥石在单轴应力和三轴应力条件下的力学性质差异，统一采直径 25mm×高度 50mm 的标准圆柱体试样，如图 2-1。水泥石试样统一按照 API 标准行制备，然后放置在相应温度的养护釜中，达到设定的养护时间取出后冷却脱模。依水泥浆组成及其应用条件，养护温度设定为分别为：40℃、60℃、90℃，养护时间分设定为 2d、7d、15d 和 30d。脱模后的水泥石试样利用 RLW2000 型三轴试验机进行强度与应力-应变曲线测试。试过程以 2kN/min 的加载速度，加载至水泥石破碎，以便能够获得相对准确的应力应曲线，实验数据由计算机数据采集系统自动采集。根据实验要求，共制备了 34 组（每组两块）水泥石试样，其中包括：单轴试验 12，三轴试验 18 组，循环加载试验 4 组。

RLW2000微机控制三轴应力实验机

图 2.3 三轴压缩试验安装试验过程如下：1）养护好的水泥试样从养护釜中取出，将上垫片柱体和试样放入热缩管（使试样与油隔开），套入下垫片的柱体上，安装好传感器夹子；用热风机给热缩管加热，直到管管壁紧贴在试样和柱体上，装入压力釜内；2）设定围压值，加载围压到设定值；3）打开 EDC 数字控制器，设置轴向加载形式和加载速度，开启液压泵为试样施加载荷，当负荷项开始出现正值，并稳定增加，说明试样与压头接触，开始记录，可纵坐标和横坐标的选择查看所要观察的曲线。4）当试样破碎时（应力、应变曲线达到最大值并开始下降），停止加载，输出实验。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘海龙;邓金根;赵军;邱汇洋;曹文科;李杨;;非均匀地应力下水泥环完整性规律研究[J];科学技术与工程;2014年23期

2 郭辛阳;步玉环;李娟;李强;;井下复杂条件下固井水泥环的失效方式及其预防措施[J];天然气工业;2013年11期

3 张景富;张德兵;张强;岳宏野;王博;杨金龙;;水泥环弹性参数对套管—水泥环—地层固结体结构完整性的影响[J];石油钻采工艺;2013年05期

4 步玉环;郭辛阳;李娟;王雪英;;水泥石动静态机械性能相关关系试验研究[J];石油钻探技术;2010年02期

5 贾春雨;代晓宇;;椭圆水泥环厚度和弹性模量对套管受力的影响分析[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2009年02期

6 伍开松;罗进军;佘月明;张新政;李明;余长柏;;真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型研究[J];石油机械;2008年11期

7 李钦道;张娟;乔雨;;油层套管内压力变化与水泥石压力变化的相关性[J];钻采工艺;2008年04期

8 霍志欣;王木乐;王奎升;林觉振;孟令祥;;非均匀地应力下的套管损坏机理[J];石油矿场机械;2008年03期

9 李早元;郭小阳;韩林;罗平亚;;油井水泥石在围压作用下的力学形变行为[J];天然气工业;2007年09期

10 李早元;郭小阳;韩林;罗平亚;;胶乳对水泥石三轴力学形变能力的作用[J];石油学报;2007年04期

相关博士学位论文 前2条

1 杨振杰;胶结界面的微观结构与界面胶结强度强化机理研究[D];西南石油学院;2002年

2 张景富;G级油井水泥的水化硬化及性能[D];浙江大学;2001年

相关硕士学位论文 前7条

1 陈俊东;水泥环力学变形规律及其对结构完整性的影响[D];东北石油大学;2017年

2 陈思宇;套管内载荷作用下水泥环力学性能分析[D];东北石油大学;2016年

3 张德兵;影响套管和水泥环结构完整性的因素及规律[D];东北石油大学;2013年

4 高莉莉;超深井固井水泥石性能变化规律研究[D];东北石油大学;2010年

5 缪海宾;损伤引起岩石剪切破坏的数值模拟研究[D];辽宁工程技术大学;2008年

6 李鸿波;混凝土大坝各向异性脆性动力损伤问题的三维有限元程序与分析[D];浙江大学;2006年

7 黄梦宏;岩石损伤演化模型和损伤临界值理论与实验研究[D];中南大学;2003年

本文编号：2841551