强交变热载荷下页岩气井水泥环完整性测试
发布时间：2021-03-24 08:10
页岩气井大规模水力压裂过程中,因井筒内的温度、压力波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性。为了弄清强交变热载荷下水泥环完整性失效机理、避免页岩气水平井大规模压裂过程中水泥环屏障失效,基于自主研发的实验装置对全尺寸实物"生产套管—水泥环—技术套管"组合体在强交变热载荷作用下的密封完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了2种全尺寸水泥环（普通水泥环和高强度水泥环）在3种强交变热载荷作用下（出现间断CO2气泡的循环次数分别为4次和14次,出现连续气泡的循环次数分别为5次和15次,交变热载荷分别为30～120℃和30～150℃）的完整性实验结果。研究结果表明:①交变热载荷对水泥环完整性具有显著的负面影响,并且随着交变温度及温差的增大,表征水泥环密封完整性的热循环次数急剧减少;②表征水泥环与套管间的剪切力、轴向与径向结合强度等界面力学性能指标均随交变温度增加而下降;③水泥环微环隙主要是由套管与水泥环材料之间的不协调变形所致,而交变热载荷诱导的水泥石自身力学性能衰退及损伤在一定程度上加剧了水泥环密封完整性失效。结论认为,该研究成果可以为深部页岩...
【文章来源】：天然气工业. 2020,40(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
强交变热载荷作用下水泥环完整性测试系统图
对于30～90℃交变载荷作用下，第1次热载荷循环后，顶部环空压力与初始突破压力相等（2MPa）（图2-a），表明水泥环密封良好，其密封完整性未被破坏；而在第2次和第3次循环后，顶部环空压力开始降低（小于2 MPa），且降低幅度逐渐增加，但底部环空没有监测到CO2气泡，表明水泥环可能出现了轻微损伤，但没有形成连通的微环隙或裂纹；第4次循环后，底部环空有间断气泡出现，顶部环空压力开始持续降低，直到温度再次升高到55℃后，间断气泡消失且环空压力重新增加，表明第4次循环后，水泥环密封完整性已被破坏，且有连通的微环隙形成；在第5次循环后，底部环空有连续气泡出现，顶部环空压力开始持续降低（与第4次循环相比，下降速度更快），直到温度再次升高到62℃，间断气泡消失且环空压力保持稳定，表明水泥环密封完整性完全被破坏，在套管—水泥环之间形成了明显的连通微环隙。由此可知，水泥环发生密封性失效的循环次数为4次。同样，对于30～120℃交变热载荷作用下，第3次循环后，底部环空监测到连续CO2气泡，顶部环空压力出现持续且快速下降（图2-b），直到温度再次升高到65℃，CO2气泡消失，环空压力重新增加，表明水泥环密封性已被破坏，且在水泥环—套管之间形成明显的连通微环隙。同理可知，水泥环发生密封失效的循环次数为2次。对于30～150℃交变热载荷作用下，第1次热载荷循环后，底部环空直接监测到连续CO2气泡，且顶部环空压力持续的快速降低（图2-c），直到温度再次升高到68℃，CO2气泡消失，环空压力停止下降，普通水泥环密封完整性直接被破坏。图3是强交变热载荷下高强度水泥环密封完整性测试过程中环空压力变化规律，测试过程中的热载荷加卸载方式与普通水泥环完全相同。对于30～90℃交变载荷作用下，在前10次热载荷循环后，顶部环空压力均保持不变（与初始突破压力相等）（图3-a），表明高强度水泥环密封完整性良好。然而，第14次循环后，底部环空监测到间断的CO2气泡，顶部环空压力持续下降，直到温度再次升高到55℃，CO2气泡消失，顶部环空压力停止下降并重新开始上升，上述现象表明14次循环后，套管—水泥环之间形成连通的微环隙，其密封完整性发生轻微失效；因而高强度水泥环在30～90℃交变热载荷下发生密封性失效的循环次数为14次。对于30～120℃交变载荷作用下，第10次循环后，底部环空开始监测到间断的CO2气泡，顶部环空压力也持续下降（图3-b），直到温度再次升高到54℃为止，表明经历10次循环后，套管—水泥环之间形成连通的微环隙，高强度水泥环密封完整性已轻微失效。因而，高强度水泥环在30～120℃交变热载荷下发生密封完整性失效的循环次数为10次。对于30～150℃交变热载荷作用下，第5次循环后，底部环空可直接监测到连续CO2气泡，顶部环空压力持续且快速下降（图3-c），直到温度再次升高到64℃为止。
强交变热载荷下高强度水泥环密封完整性测试过程中环空压力变化规律图
本文编号：3097388
【文章来源】：天然气工业. 2020,40(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
强交变热载荷作用下水泥环完整性测试系统图
对于30～90℃交变载荷作用下，第1次热载荷循环后，顶部环空压力与初始突破压力相等（2MPa）（图2-a），表明水泥环密封良好，其密封完整性未被破坏；而在第2次和第3次循环后，顶部环空压力开始降低（小于2 MPa），且降低幅度逐渐增加，但底部环空没有监测到CO2气泡，表明水泥环可能出现了轻微损伤，但没有形成连通的微环隙或裂纹；第4次循环后，底部环空有间断气泡出现，顶部环空压力开始持续降低，直到温度再次升高到55℃后，间断气泡消失且环空压力重新增加，表明第4次循环后，水泥环密封完整性已被破坏，且有连通的微环隙形成；在第5次循环后，底部环空有连续气泡出现，顶部环空压力开始持续降低（与第4次循环相比，下降速度更快），直到温度再次升高到62℃，间断气泡消失且环空压力保持稳定，表明水泥环密封完整性完全被破坏，在套管—水泥环之间形成了明显的连通微环隙。由此可知，水泥环发生密封性失效的循环次数为4次。同样，对于30～120℃交变热载荷作用下，第3次循环后，底部环空监测到连续CO2气泡，顶部环空压力出现持续且快速下降（图2-b），直到温度再次升高到65℃，CO2气泡消失，环空压力重新增加，表明水泥环密封性已被破坏，且在水泥环—套管之间形成明显的连通微环隙。同理可知，水泥环发生密封失效的循环次数为2次。对于30～150℃交变热载荷作用下，第1次热载荷循环后，底部环空直接监测到连续CO2气泡，且顶部环空压力持续的快速降低（图2-c），直到温度再次升高到68℃，CO2气泡消失，环空压力停止下降，普通水泥环密封完整性直接被破坏。图3是强交变热载荷下高强度水泥环密封完整性测试过程中环空压力变化规律，测试过程中的热载荷加卸载方式与普通水泥环完全相同。对于30～90℃交变载荷作用下，在前10次热载荷循环后，顶部环空压力均保持不变（与初始突破压力相等）（图3-a），表明高强度水泥环密封完整性良好。然而，第14次循环后，底部环空监测到间断的CO2气泡，顶部环空压力持续下降，直到温度再次升高到55℃，CO2气泡消失，顶部环空压力停止下降并重新开始上升，上述现象表明14次循环后，套管—水泥环之间形成连通的微环隙，其密封完整性发生轻微失效；因而高强度水泥环在30～90℃交变热载荷下发生密封性失效的循环次数为14次。对于30～120℃交变载荷作用下，第10次循环后，底部环空开始监测到间断的CO2气泡，顶部环空压力也持续下降（图3-b），直到温度再次升高到54℃为止，表明经历10次循环后，套管—水泥环之间形成连通的微环隙，高强度水泥环密封完整性已轻微失效。因而，高强度水泥环在30～120℃交变热载荷下发生密封完整性失效的循环次数为10次。对于30～150℃交变热载荷作用下，第5次循环后，底部环空可直接监测到连续CO2气泡，顶部环空压力持续且快速下降（图3-c），直到温度再次升高到64℃为止。
强交变热载荷下高强度水泥环密封完整性测试过程中环空压力变化规律图
本文编号：3097388
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