水泥環(huán)對(duì)于保護(hù)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(huì)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(zhǔn)確描述水泥環(huán)的本構(gòu)關(guān)系是實(shí)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(cè)試實(shí)驗(yàn)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(yàn)方式,從不同角度測(cè)試了水泥石的力學(xué)性能,分析了圍壓、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、溫度、循環(huán)載荷等因素對(duì)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(yùn)用損傷力學(xué)和統(tǒng)計(jì)理論,建立了水泥石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)關(guān)系數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給予驗(yàn)證。以此為基礎(chǔ),運(yùn)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(duì)于水泥環(huán)所受應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度的增加和塑性變形增大;隨溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大,水泥石抗壓強(qiáng)度和彈性模量也都增大,且水泥石強(qiáng)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(yùn)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(zhǔn)則,建立了水泥石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)關(guān)系,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給予驗(yàn)證,結(jié)果表明本模型與試驗(yàn)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(qiáng),抗破壞能力就越強(qiáng);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(duì)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TE931.2
【部分圖文】：

.1.2 試驗(yàn)巖樣制備1）水泥漿配方：1 號(hào)；G 級(jí)+水2 號(hào)：G 級(jí)+15%膠乳+水2）水泥石試驗(yàn)樣品本文為方便分析對(duì)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(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，如圖 2-1。水泥石試樣統(tǒng)一按照 API 標(biāo)準(zhǔn)行制備，然后放置在相應(yīng)溫度的養(yǎng)護(hù)釜中，達(dá)到設(shè)定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間取出后冷卻脫模。依水泥漿組成及其應(yīng)用條件，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)定為分別為：40℃、60℃、90℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)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(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)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(duì)準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)曲線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yàn) 12，三軸試驗(yàn) 18 組，循環(huán)加載試驗(yàn) 4 組。

RLW2000微機(jī)控制三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)

圖 2.3 三軸壓縮試驗(yàn)安裝試驗(yàn)過程如下：1）養(yǎng)護(hù)好的水泥試樣從養(yǎng)護(hù)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(jī)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(dāng)負(fù)荷項(xiàng)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(biāo)和橫坐標(biāo)的選擇查看所要觀察的曲線。4）當(dāng)試樣破碎時(shí)（應(yīng)力、應(yīng)變曲線達(dá)到最大值并開始下降），停止加載，輸出實(shí)驗(yàn)。
【參考文獻(xiàn)】

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1 劉海龍;鄧金根;趙軍;邱匯洋;曹文科;李楊;;非均勻地應(yīng)力下水泥環(huán)完整性規(guī)律研究[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2014年23期

2 郭辛陽;步玉環(huán);李娟;李強(qiáng);;井下復(fù)雜條件下固井水泥環(huán)的失效方式及其預(yù)防措施[J];天然氣工業(yè);2013年11期

3 張景富;張德兵;張強(qiáng);岳宏野;王博;楊金龍;;水泥環(huán)彈性參數(shù)對(duì)套管—水泥環(huán)—地層固結(jié)體結(jié)構(gòu)完整性的影響[J];石油鉆采工藝;2013年05期

4 步玉環(huán);郭辛陽;李娟;王雪英;;水泥石動(dòng)靜態(tài)機(jī)械性能相關(guān)關(guān)系試驗(yàn)研究[J];石油鉆探技術(shù);2010年02期

5 賈春雨;代曉宇;;橢圓水泥環(huán)厚度和彈性模量對(duì)套管受力的影響分析[J];佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年02期

6 伍開松;羅進(jìn)軍;佘月明;張新政;李明;余長柏;;真三維套管-水泥環(huán)-巖層系統(tǒng)力學(xué)模型研究[J];石油機(jī)械;2008年11期

7 李欽道;張娟;喬雨;;油層套管內(nèi)壓力變化與水泥石壓力變化的相關(guān)性[J];鉆采工藝;2008年04期

8 霍志欣;王木樂;王奎升;林覺振;孟令祥;;非均勻地應(yīng)力下的套管損壞機(jī)理[J];石油礦場(chǎng)機(jī)械;2008年03期

9 李早元;郭小陽;韓林;羅平亞;;油井水泥石在圍壓作用下的力學(xué)形變行為[J];天然氣工業(yè);2007年09期

10 李早元;郭小陽;韓林;羅平亞;;膠乳對(duì)水泥石三軸力學(xué)形變能力的作用[J];石油學(xué)報(bào);2007年04期

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1 楊振杰;膠結(jié)界面的微觀結(jié)構(gòu)與界面膠結(jié)強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究[D];西南石油學(xué)院;2002年

2 張景富;G級(jí)油井水泥的水化硬化及性能[D];浙江大學(xué);2001年

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1 陳俊東;水泥環(huán)力學(xué)變形規(guī)律及其對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響[D];東北石油大學(xué);2017年

2 陳思宇;套管內(nèi)載荷作用下水泥環(huán)力學(xué)性能分析[D];東北石油大學(xué);2016年

3 張德兵;影響套管和水泥環(huán)結(jié)構(gòu)完整性的因素及規(guī)律[D];東北石油大學(xué);2013年

4 高莉莉;超深井固井水泥石性能變化規(guī)律研究[D];東北石油大學(xué);2010年

5 繆海賓;損傷引起巖石剪切破壞的數(shù)值模擬研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2008年

6 李鴻波;混凝土大壩各向異性脆性動(dòng)力損傷問題的三維有限元程序與分析[D];浙江大學(xué);2006年

7 黃夢(mèng)宏;巖石損傷演化模型和損傷臨界值理論與實(shí)驗(yàn)研究[D];中南大學(xué);2003年

本文編號(hào)：2841551