本文關(guān)鍵詞：高壓氣井水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理及材料改性試驗(yàn)研究

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【摘要】：水泥環(huán)是油氣井井筒完整性的重要屏障之一,其好壞嚴(yán)重影響油氣井的生命周期與生產(chǎn)安全。尤其對(duì)于高壓氣井而言,水泥環(huán)的作用更為突出,一旦水泥環(huán)的層間封隔能力失效將發(fā)生環(huán)空氣竄現(xiàn)象,輕則導(dǎo)致井口環(huán)空帶壓,重則發(fā)生不可控井噴事故,不僅影響氣井的固井質(zhì)量,還威脅氣井的安全生產(chǎn),因此,開展高壓氣井水泥環(huán)力學(xué)損傷失效機(jī)理的研究勢(shì)在必行。目前關(guān)于水泥環(huán)完整性的研究主要是通過建立套管、水泥環(huán)、地層圍巖組合體模型,結(jié)合有限元軟件進(jìn)行理論推導(dǎo)或設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的模擬裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,但對(duì)于水泥環(huán)在實(shí)際復(fù)雜的井下環(huán)境(地層溫度、壓力、套管內(nèi)壓)是如何承載失效的鮮有研究。因此,建立適用于高壓氣井水泥環(huán)完整性力學(xué)模型,研制水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置,探究水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理,并開展水泥環(huán)材料力學(xué)的改性實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)提高高壓氣井水泥環(huán)的環(huán)空封隔能力,有效保證井筒完整性具有非常重要的意義。本文在高壓氣井的地質(zhì)特性與工程難點(diǎn)分析基礎(chǔ)上,考慮實(shí)際的井眼條件,將初始應(yīng)力、套管內(nèi)壓力與地層應(yīng)力變化所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行疊加,建立套管-水泥環(huán)-井壁圍巖的組合體模型,并研制了一種水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置,用于模擬井下環(huán)境,包括地層溫度、壓力、套管內(nèi)壓的變化,將實(shí)際井筒水泥環(huán)在工況變化下承載過程,等效到該裝置的水泥環(huán)上,結(jié)合所建模型設(shè)計(jì)一套水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn),為探究高壓氣井水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理奠定基礎(chǔ)。本文基于水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn),為探索水泥環(huán)的力學(xué)損傷機(jī)理,選取一口實(shí)例井,將高、低應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。利用模擬裝置分別對(duì)兩種應(yīng)力環(huán)境下的水泥環(huán)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),并根據(jù)CT掃描與微觀掃描的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果,探究水泥環(huán)的力學(xué)損傷機(jī)理。依據(jù)不同應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)的力學(xué)損傷機(jī)理,分別選取了四種具有高韌性、高彈模、高抗應(yīng)力強(qiáng)度、高抗斷裂能力增韌改性材料,提高水泥環(huán)的力學(xué)性能,達(dá)到水泥環(huán)進(jìn)行有效封隔的要求,為高壓氣井的高效生產(chǎn)開發(fā)與安全提供有力的保障。本文在理論研究與實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,形成的結(jié)論如下：(1)本文結(jié)合井眼實(shí)際情況,考慮后續(xù)井筒作業(yè)水泥環(huán)應(yīng)力的疊加,包括地層初始應(yīng)力、套管內(nèi)壓及地層應(yīng)力變化產(chǎn)生的應(yīng)力,建立了水泥環(huán)完整性力學(xué)模型,并基于幾何近似與等效應(yīng)力原理,設(shè)計(jì)了一種能模擬實(shí)際井身結(jié)構(gòu)、井下溫度、壓力環(huán)境與套管內(nèi)壓連續(xù)變化的水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置。(2)從理論結(jié)合實(shí)踐的思想角度出發(fā),將建立的水泥環(huán)完整性力學(xué)模型與水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置相結(jié)合,設(shè)計(jì)一套水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn),將實(shí)際井筒水泥環(huán)在工況變化下承載過程,等效到該裝置的水泥環(huán)上,探究水泥環(huán)受載后的力學(xué)損傷機(jī)理。(3)根據(jù)水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置測(cè)試與CT掃描發(fā)現(xiàn),低應(yīng)力環(huán)境條件下,水泥環(huán)發(fā)生張性破壞,導(dǎo)致徑向裂紋產(chǎn)生。高應(yīng)力環(huán)境條件下,水泥環(huán)孔隙體積與總體積減小,套管與水泥環(huán)的膠結(jié)面出現(xiàn)了微環(huán)隙。最終由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水泥環(huán)承載失效有兩種主要形式：一是低應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)發(fā)生張性裂紋破壞；二是高應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)與套管的膠結(jié)面分離,膠結(jié)面分離的微觀機(jī)理是載荷作用下的孔隙體積壓縮及界面骨架顆粒破碎,內(nèi)部組成成分未被完全水化,與水化硅酸鈣晶體粘結(jié)作用被破壞,發(fā)生脫離,最終導(dǎo)致水泥環(huán)發(fā)生損傷破壞。(4)基于高壓氣井水泥環(huán)在不同應(yīng)力環(huán)境下的力學(xué)損傷機(jī)理,分別選取了四種增韌材料。低應(yīng)力環(huán)境下：聚乙烯醇纖維、聚酯纖維；高應(yīng)力環(huán)境下：碳纖維、碳酸鈣晶須。低應(yīng)力環(huán)境下加量為0.2%的聚酯纖維水泥石改性效果最佳,高應(yīng)力環(huán)境下加量為0.2%的碳纖維水泥石改性效果最佳,并經(jīng)過水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),在相同實(shí)驗(yàn)條件下水泥環(huán)完整性得到保證。
【關(guān)鍵詞】：井筒完整性 高壓氣井 水泥環(huán) 等效物理實(shí)驗(yàn) 損傷機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TE256
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 研究目的和意義10-11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 油氣井水泥環(huán)完整性力學(xué)模型的研究進(jìn)展12-14
• 1.2.2 油氣井水泥石的材料力學(xué)改性研究進(jìn)展14-16
• 1.3 目前研究存在的問題16-17
• 1.4 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線17-19
• 1.4.1 研究?jī)?nèi)容17-18
• 1.4.2 技術(shù)路線18-19
• 1.5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)19-20
• 第2章 高壓氣井地質(zhì)特性與工程難點(diǎn)分析20-28
• 2.1 高壓氣藏的地質(zhì)特性分析20-23
• 2.1.1 壓力系統(tǒng)的復(fù)雜性21-22
• 2.1.2 地層巖性的復(fù)雜性22-23
• 2.2 高壓氣井固井工程難點(diǎn)分析23-25
• 2.2.1 環(huán)空易發(fā)生氣竄24
• 2.2.2 井底溫度高24-25
• 2.2.3 鉆井液密度高25
• 2.3 后續(xù)生產(chǎn)工況難點(diǎn)分析25-26
• 2.3.1 套管試壓25
• 2.3.2 射孔25-26
• 2.3.3 試油26
• 2.3.4 壓裂酸化26
• 2.4 本章小結(jié)26-28
• 第3章 水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)的研究28-43
• 3.1 水泥環(huán)完整性力學(xué)模型的建立28-35
• 3.1.1 套管、水泥環(huán)、井壁圍巖組合體模型建立28-30
• 3.1.2 初始應(yīng)力對(duì)水泥環(huán)應(yīng)力分布研究30-31
• 3.1.3 套管內(nèi)壓力變化對(duì)水泥環(huán)應(yīng)力分布研究31-33
• 3.1.4 地層應(yīng)力變化對(duì)水泥環(huán)應(yīng)力分布研究33-34
• 3.1.5 水泥環(huán)應(yīng)力分布理論解34-35
• 3.2 水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置的研究35-38
• 3.2.1 水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)裝置的研究背景35-36
• 3.2.2 水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置的工作原理36-37
• 3.2.3 水泥環(huán)力學(xué)損傷模擬裝置的特點(diǎn)37-38
• 3.3 水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)38-42
• 3.3.1 水泥環(huán)制作的主要實(shí)驗(yàn)裝置及方法38-39
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與材料39-41
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)過程41-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第4章 高壓氣井水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理的探究43-60
• 4.1 水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取43-46
• 4.1.1 水泥環(huán)封固段實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的確定43-44
• 4.1.2 水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)等效內(nèi)壓值的計(jì)算44-46
• 4.2 低應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理探究46-49
• 4.2.1 低應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)研究46-49
• 4.2.2 低應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理分析49
• 4.3 高應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理探究49-59
• 4.3.1 高應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)研究50-52
• 4.3.2 基于CT宏觀掃描技術(shù)對(duì)水泥環(huán)損傷的實(shí)驗(yàn)研究52-55
• 4.3.3 微觀實(shí)驗(yàn)對(duì)水泥環(huán)損傷的研究55-58
• 4.3.4 高應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)力學(xué)損傷機(jī)理分析58-59
• 4.4 本章小結(jié)59-60
• 第5章 高壓氣井水泥環(huán)材料力學(xué)改性試驗(yàn)研究60-75
• 5.1 水泥環(huán)力學(xué)改性材料的優(yōu)選60-61
• 5.2 低應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)材料力學(xué)改性實(shí)驗(yàn)研究61-66
• 5.2.1 聚乙烯醇和聚酯纖維對(duì)水泥漿性能的影響61-63
• 5.2.2 聚乙烯醇和聚酯纖維對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響63-65
• 5.2.3 聚乙烯醇和聚酯纖維改性水泥石微觀結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)機(jī)理65-66
• 5.3 高應(yīng)力環(huán)境下水泥環(huán)材料力學(xué)改性實(shí)驗(yàn)研究66-72
• 5.3.1 碳纖維和碳酸鈣晶須對(duì)水泥漿性能的影響67-68
• 5.3.2 碳纖維和碳酸鈣晶須對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響68-70
• 5.3.3 碳纖維和碳酸鈣晶須改性水泥石微觀結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)機(jī)理70-72
• 5.4 改性水泥環(huán)等效物理實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)72-74
• 5.5 本章小結(jié)74-75
• 第6章 結(jié)論與建議75-77
• 6.1 結(jié)論75-76
• 6.2 建議76-77
• 致謝77-78
• 參考文獻(xiàn)78-85
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果85

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本文編號(hào)：1098169