頁巖氣井大規(guī)模水力壓裂過程中,因井筒內的溫度、壓力波動及持續(xù)變化、循環(huán)加卸載引發(fā)的水泥環(huán)完整性問題將威脅到井筒的完整性。為了弄清強交變熱載荷下水泥環(huán)完整性失效機理、避免頁巖氣水平井大規(guī)模壓裂過程中水泥環(huán)屏障失效,基于自主研發(fā)的實驗裝置對全尺寸實物"生產套管—水泥環(huán)—技術套管"組合體在強交變熱載荷作用下的密封完整性和力學完整性進行了測試及評價,獲得了2種全尺寸水泥環(huán)（普通水泥環(huán)和高強度水泥環(huán)）在3種強交變熱載荷作用下（出現間斷CO₂氣泡的循環(huán)次數分別為4次和14次,出現連續(xù)氣泡的循環(huán)次數分別為5次和15次,交變熱載荷分別為30～120℃和30～150℃）的完整性實驗結果。研究結果表明:①交變熱載荷對水泥環(huán)完整性具有顯著的負面影響,并且隨著交變溫度及溫差的增大,表征水泥環(huán)密封完整性的熱循環(huán)次數急劇減少;②表征水泥環(huán)與套管間的剪切力、軸向與徑向結合強度等界面力學性能指標均隨交變溫度增加而下降;③水泥環(huán)微環(huán)隙主要是由套管與水泥環(huán)材料之間的不協調變形所致,而交變熱載荷誘導的水泥石自身力學性能衰退及損傷在一定程度上加劇了水泥環(huán)密封完整性失效。結論認為,該研究成果可以為深部頁巖... 

【文章來源】：天然氣工業(yè). 2020,40(05)北大核心EICSCD

【文章頁數】：8 頁

【部分圖文】：

強交變熱載荷作用下水泥環(huán)完整性測試系統圖

對于30～90℃交變載荷作用下，第1次熱載荷循環(huán)后，頂部環(huán)空壓力與初始突破壓力相等（2MPa）（圖2-a），表明水泥環(huán)密封良好，其密封完整性未被破壞；而在第2次和第3次循環(huán)后，頂部環(huán)空壓力開始降低（小于2 MPa），且降低幅度逐漸增加，但底部環(huán)空沒有監(jiān)測到CO2氣泡，表明水泥環(huán)可能出現了輕微損傷，但沒有形成連通的微環(huán)隙或裂紋；第4次循環(huán)后，底部環(huán)空有間斷氣泡出現，頂部環(huán)空壓力開始持續(xù)降低，直到溫度再次升高到55℃后，間斷氣泡消失且環(huán)空壓力重新增加，表明第4次循環(huán)后，水泥環(huán)密封完整性已被破壞，且有連通的微環(huán)隙形成；在第5次循環(huán)后，底部環(huán)空有連續(xù)氣泡出現，頂部環(huán)空壓力開始持續(xù)降低（與第4次循環(huán)相比，下降速度更快），直到溫度再次升高到62℃，間斷氣泡消失且環(huán)空壓力保持穩(wěn)定，表明水泥環(huán)密封完整性完全被破壞，在套管—水泥環(huán)之間形成了明顯的連通微環(huán)隙。由此可知，水泥環(huán)發(fā)生密封性失效的循環(huán)次數為4次。同樣，對于30～120℃交變熱載荷作用下，第3次循環(huán)后，底部環(huán)空監(jiān)測到連續(xù)CO2氣泡，頂部環(huán)空壓力出現持續(xù)且快速下降（圖2-b），直到溫度再次升高到65℃，CO2氣泡消失，環(huán)空壓力重新增加，表明水泥環(huán)密封性已被破壞，且在水泥環(huán)—套管之間形成明顯的連通微環(huán)隙。同理可知，水泥環(huán)發(fā)生密封失效的循環(huán)次數為2次。對于30～150℃交變熱載荷作用下，第1次熱載荷循環(huán)后，底部環(huán)空直接監(jiān)測到連續(xù)CO2氣泡，且頂部環(huán)空壓力持續(xù)的快速降低（圖2-c），直到溫度再次升高到68℃，CO2氣泡消失，環(huán)空壓力停止下降，普通水泥環(huán)密封完整性直接被破壞。圖3是強交變熱載荷下高強度水泥環(huán)密封完整性測試過程中環(huán)空壓力變化規(guī)律，測試過程中的熱載荷加卸載方式與普通水泥環(huán)完全相同。對于30～90℃交變載荷作用下，在前10次熱載荷循環(huán)后，頂部環(huán)空壓力均保持不變（與初始突破壓力相等）（圖3-a），表明高強度水泥環(huán)密封完整性良好。然而，第14次循環(huán)后，底部環(huán)空監(jiān)測到間斷的CO2氣泡，頂部環(huán)空壓力持續(xù)下降，直到溫度再次升高到55℃，CO2氣泡消失，頂部環(huán)空壓力停止下降并重新開始上升，上述現象表明14次循環(huán)后，套管—水泥環(huán)之間形成連通的微環(huán)隙，其密封完整性發(fā)生輕微失效；因而高強度水泥環(huán)在30～90℃交變熱載荷下發(fā)生密封性失效的循環(huán)次數為14次。對于30～120℃交變載荷作用下，第10次循環(huán)后，底部環(huán)空開始監(jiān)測到間斷的CO2氣泡，頂部環(huán)空壓力也持續(xù)下降（圖3-b），直到溫度再次升高到54℃為止，表明經歷10次循環(huán)后，套管—水泥環(huán)之間形成連通的微環(huán)隙，高強度水泥環(huán)密封完整性已輕微失效。因而，高強度水泥環(huán)在30～120℃交變熱載荷下發(fā)生密封完整性失效的循環(huán)次數為10次。對于30～150℃交變熱載荷作用下，第5次循環(huán)后，底部環(huán)空可直接監(jiān)測到連續(xù)CO2氣泡，頂部環(huán)空壓力持續(xù)且快速下降（圖3-c），直到溫度再次升高到64℃為止。

強交變熱載荷下高強度水泥環(huán)密封完整性測試過程中環(huán)空壓力變化規(guī)律圖


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