【摘要】：固井后井筒內(nèi)壓力的變化可能導致水泥環(huán)發(fā)生密封失效,將井筒內(nèi)壓力的變化過程分為兩個階段:加壓階段、卸壓階段。在加壓階段中,在高套壓和地應力的作用下水泥環(huán)本體發(fā)生塑性變形、同時當水泥環(huán)應力分布達到剪切強度和抗張強度時水泥環(huán)本體會發(fā)生失效。在卸壓階段中,由于此前水泥環(huán)本體已經(jīng)發(fā)生塑性變形,因此在該階段中,由于套管、水泥環(huán)和地層的形變能力不同,就可能會在固井第一界面或第二界面處產(chǎn)生微環(huán)隙,從而發(fā)生層間竄流以及環(huán)空帶壓,繼而造成油田無法安全生產(chǎn)、降低油田產(chǎn)量等一系列后果。本文基于彈性力學理論、Mohr-Coulomb準則以及最大拉應力準則,考慮套管和地層為彈性體,水泥環(huán)為彈塑性體,重點研究了固井第一界面和水泥環(huán)本體的密封完整性。判斷了在加壓過程中水泥環(huán)本體可能發(fā)生剪切破壞以及張性破壞的區(qū)域。然后通過分析微環(huán)隙的形成機理,對卸壓階段中的微環(huán)隙寬度進行建模,得出微環(huán)隙寬度的理論計算模型。并通過Jackson室內(nèi)試驗,ABAQUS軟件以及現(xiàn)場實例對理論模型性進行了驗證。然后應用理論模型,分析了現(xiàn)場實際條件下,水泥環(huán)彈性模量和泊松比對水泥環(huán)破壞區(qū)域面積的關(guān)系。分析結(jié)果表明:水泥環(huán)本體的在加壓階段中發(fā)生破壞(剪切破壞和張性破裂),其剪切破壞區(qū)域面積隨著彈性模量的增加而變大,隨著泊松比的增加而減小;其張性破壞區(qū)域面積隨著彈性模量的增加而變大,隨著泊松比的增加而減小。本論文研究結(jié)果可以用來計算實際工況下水泥環(huán)本體破壞區(qū)域的范圍,套管水泥環(huán)膠結(jié)面微環(huán)隙的寬度,也可為固井水泥體系的設(shè)計提供理論依據(jù)。
[Abstract]:The change of pressure in the wellbore after cementing may lead to seal failure of cement sheath. The change process of pressure in the wellbore can be divided into two stages: pressure stage and pressure relief stage. In the compression stage, the plastic deformation of cement sheath occurs under the action of high casing pressure and in-situ stress. At the same time, when the stress distribution of cement ring reaches the shear strength and tensile strength, the cement sheath will fail. In the pressure relief phase, since the plastic deformation of the cement sheath has already taken place before, in this stage, due to the different deformation capacity of the casing, the cement sheath and the formation, microannular gaps may occur at the first or second interface of the cementing. As a result, inter-layer channeling and annulus pressure occur, resulting in a series of consequences, such as failure to safely produce oil fields and reducing oil production and so on. Based on the elastic mechanics theory, Mohr-Coulomb criterion and maximum tensile stress criterion, considering the casing and formation as elastomer and cement sheath as elastomer, this paper focuses on the sealing integrity of the first interface of cementing and cement sheath body. The regions where shear failure and tensile failure of cement sheath may occur in the process of compression are judged. Then through the analysis of the formation mechanism of the micro-ring gap, the micro-ring gap width in the pressure relief phase is modeled, and the theoretical calculation model of the micro-ring gap width is obtained. The theoretical model is verified by Jackson indoor test, ABAQUS software and field examples. Then, the relationship between the elastic modulus of cement sheath and Poisson's ratio to the failure area of cement sheath is analyzed by using the theoretical model. The results show that the area of shear failure region increases with the increase of elastic modulus and decreases with the increase of Poisson's ratio when the failure of cement sheath occurs in the compression stage (shear failure and tensile fracture). The results show that the shear failure area increases with the increase of elastic modulus and decreases with the increase of Poisson's ratio. The area of tensile failure region increases with the increase of elastic modulus and decreases with the increase of Poisson's ratio. The results of this paper can be used to calculate the scope of failure zone of cement sheath under actual working conditions and the width of micro-annular gap on caking surface of casing cement ring. It can also provide a theoretical basis for the design of cementing cement system.
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE256

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本文編號：2457887