發(fā)布時間：2020-10-15 02:28

　　 水泥環(huán)對于保護和固定套管,封隔油、氣、水層具有重要作用。在油氣井作業(yè)過程中,水泥環(huán)完整性會受到破壞,失去密封性,這直接關(guān)系到油氣井安全生產(chǎn)和使用壽命。而準確描述水泥環(huán)的本構(gòu)關(guān)系是實現(xiàn)水泥環(huán)力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)完整性分析的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文以水泥石應(yīng)力應(yīng)變測試實驗為基礎(chǔ),研究了水泥石力學(xué)本構(gòu)關(guān)系模型的建立問題,通過開展單軸應(yīng)力、三軸應(yīng)力、循環(huán)加載等3種試驗方式,從不同角度測試了水泥石的力學(xué)性能,分析了圍壓、養(yǎng)護時間、溫度、循環(huán)載荷等因素對水泥石力學(xué)性能的影響規(guī)律;依據(jù)三軸應(yīng)力條件下水泥石變形特征,運用損傷力學(xué)和統(tǒng)計理論,建立了水泥石統(tǒng)計損傷本構(gòu)關(guān)系數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)給予驗證。以此為基礎(chǔ),運用ANSYS數(shù)值模擬軟件,采用控制變量法,分析了在蠕變地層、彈性地層和剛性地層中,不同參數(shù)對于水泥環(huán)所受應(yīng)力的影響。實驗表明,三軸應(yīng)力條件下水泥石所體現(xiàn)出的力學(xué)變形行為與單軸應(yīng)力條件存在明顯的差異,主要表現(xiàn)為強度的增加和塑性變形增大;隨溫度、養(yǎng)護時間的增大,水泥石抗壓強度和彈性模量也都增大,且水泥石強度與彈性模量成正比關(guān)系;膠乳等增韌材料能夠改善水泥石力學(xué)變形能力,但水泥石力學(xué)行為特征并沒有改變,其應(yīng)力應(yīng)變曲線與原漿水泥石的形狀相近。運用損傷力學(xué)理論,基于Weibull概率密度函數(shù)和D-P破壞失效準則,建立了水泥石統(tǒng)計損傷本構(gòu)關(guān)系,結(jié)合實驗數(shù)據(jù)給予驗證,結(jié)果表明本模型與試驗結(jié)果擬合較好。水泥環(huán)彈性模量越大,水泥環(huán)整體所承受的應(yīng)力越大,且受力越不均勻;水泥環(huán)泊松比越大,其變形能力和傳遞壓力能力越強,抗破壞能力就越強;水泥環(huán)隨著厚度的增加其有效應(yīng)力整體逐漸趨向于減小;因此為了提高水泥環(huán)的封固可靠性,應(yīng)選擇低彈性模量,高泊松比的水泥漿體系。在不同地層條件下,水泥環(huán)參數(shù)對界面應(yīng)力的影響方式相同,但影響水平不同。隨著彈性模量的增加,水泥環(huán)所受的等效應(yīng)力增大,相比于彈性地層和剛性地層,蠕變地層水泥環(huán)所受應(yīng)力作用更加明顯。在剛性地層中水泥環(huán)所承受應(yīng)力為線性變化,隨著泊松比的增大而逐漸減小,減小幅度較大;在蠕變地層中水泥環(huán)承受應(yīng)力隨著泊松比的增大而逐漸減小,但減小幅度不大。
【學(xué)位單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TE931.2
【部分圖文】：

.1.2 試驗巖樣制備1）水泥漿配方：1 號；G 級+水2 號：G 級+15%膠乳+水2）水泥石試驗樣品本文為方便分析對比水泥石在單軸應(yīng)力和三軸應(yīng)力條件下的力學(xué)性質(zhì)差異，統(tǒng)一采直徑 25mm×高度 50mm 的標準圓柱體試樣，如圖 2-1。水泥石試樣統(tǒng)一按照 API 標準行制備，然后放置在相應(yīng)溫度的養(yǎng)護釜中，達到設(shè)定的養(yǎng)護時間取出后冷卻脫模。依水泥漿組成及其應(yīng)用條件，養(yǎng)護溫度設(shè)定為分別為：40℃、60℃、90℃，養(yǎng)護時間分設(shè)定為 2d、7d、15d 和 30d。脫模后的水泥石試樣利用 RLW2000 型三軸試驗機進行強度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試。試過程以 2kN/min 的加載速度，加載至水泥石破碎，以便能夠獲得相對準確的應(yīng)力應(yīng)曲線，實驗數(shù)據(jù)由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。根據(jù)實驗要求，共制備了 34 組（每組兩塊）水泥石試樣，其中包括：單軸試驗 12，三軸試驗 18 組，循環(huán)加載試驗 4 組。

RLW2000微機控制三軸應(yīng)力實驗機

圖 2.3 三軸壓縮試驗安裝試驗過程如下：1）養(yǎng)護好的水泥試樣從養(yǎng)護釜中取出，將上墊片柱體和試樣放入熱縮管（使試樣與油隔開），套入下墊片的柱體上，安裝好傳感器夾子；用熱風(fēng)機給熱縮管加熱，直到管管壁緊貼在試樣和柱體上，裝入壓力釜內(nèi)；2）設(shè)定圍壓值，加載圍壓到設(shè)定值；3）打開 EDC 數(shù)字控制器，設(shè)置軸向加載形式和加載速度，開啟液壓泵為試樣施加載荷，當負荷項開始出現(xiàn)正值，并穩(wěn)定增加，說明試樣與壓頭接觸，開始記錄，可縱坐標和橫坐標的選擇查看所要觀察的曲線。4）當試樣破碎時（應(yīng)力、應(yīng)變曲線達到最大值并開始下降），停止加載，輸出實驗。
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

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本文編號：2841551