水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响分析

利用弹性力学解析及有限元方法，分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究结果表明，增加水泥环弹性模量对套管外挤载荷有一定的减缓作用，但效果远没有降低水泥环弹性模量明显。理想水泥环的性能应该是高强度、低刚度。在固井作业时，对软地层推荐采用弹性模量大的水泥，对硬地层推荐采用弹性模量小的水泥。     

水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响分析

利用弹性力学解析及有限元方法,分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究结果表明,增加水泥环弹性模量对套管外挤载荷有一定的减缓作用,但效果远没有降低水泥环弹性模量明显。理想水泥环的性能应该是高强度、低刚度。在固井作业时,对软地层推荐采用弹性模量大的水泥,对硬地层推荐采用弹性模量小的水泥。     

非均匀地应力作用下套管与水泥环的受力分析

以地层－水泥环－套管组合系统地研究对象，以弹性力学为基础，对套管及水泥环在理想关头主况下受非均匀地应力和均匀内共同作用时的受载特性进行了分析，并依据不同的接触条件推导出相应的线性代数方程组。借助于计算机计算出不同地应力及表面受力分布，并可分析水泥环弹性模量及厚度、套管壁厚、水泥环与套管的接触状况等因素对套管及水泥环受力分布的影响。     

水泥环性质对套管外载影响的模拟试验

在非均匀地应力作用下，含水泥岩蠕变使套管产生一个外挤力。在自制的真三轴模拟试验装置上进行了大尺寸真三轴模拟试验。试验结果表明，套管外挤力的分布是非均匀的，且随着时间的延长而增大；套管外载的分布为类椭圆形，经过较长时间趋于稳定值，其大小与地应力成正比。水泥环的弹性参数和泥岩含水量等对套管外载有一定影响。随水泥环弹性模量的增加，套管所受外载减小，且其非均匀性减小。水泥环厚度变化对套管外载无太大影响。     

斜直井段套管-水泥环组合系统受力特性分析

为分析斜直井条件下套管-水泥环-地层组合系统的受力特性,将地层主应力通过坐标变换转换到井眼轴线与垂直于井眼轴线平面所确定的坐标系上,将变换后的应力张量进行分解,得到3个新的应力张量,以3个新应力张量为边界条件建立相应的线性方程组,并计算地层主应力3种条件下斜直井中系统各接触表面的应力分布,对比不同井斜角条件下的应力分布规律。结果表明:地层3个主应力大小关系不同时得到的斜直井下套管-水泥环界面的径向接触应力随井斜角的变化规律不同,在某些地层下水平井的套管抗外挤能力大于同等条件下直井的套管抗外挤能力,而在另一些地层下直井的套管抗外挤能力大于同等条件下水平井的套管抗外挤能力。     

对医用椭圆环微带照射器基片厚度的研究

根据椭圆环微带照射器的频域理论,对工作在２４５０ＭＨｚ的医用椭圆环微带照射器进行近场分布的计算,分析基片厚度的变化对近场分布的影响,并找出了较满意的椭圆环结构参数,以适合地医学应用的要求。     

多射孔对套管-水泥环结构强度的影响

结合油井试采工程实际问题,研究了圆形和椭圆形两种形状的多个射孔对套管-水泥环结构强度的影响.给出了外压作用下的双层长圆柱壳结构开任意形状的单个贯穿孔问题的理论解,并用有限元软件ANSYS分别对具有圆形及椭圆形两种形状的单个射孔及多个射孔的套管-水泥环结构在受横向均布外压作用下的孔边应力进行了数值计算.计算结果表明,开单孔情况套管的最大应力的数值解与理论解很接近,每米分布40个圆形射孔情况下的套管-水泥环结构强度比每米分布八个椭圆形射孔情况提高20%以上,因而较为合理.     

水泥环对套管抗内压强度的影响研究

通过有限元模拟,计算分析了水泥环对套管的抗内压强度影响。得出有水泥环保护下,磨损套管的剩余抗内压强度变化规律。同时,对水泥环缺失条件下进行有限元计算。分析水泥环缺失一定角度时对套管抗内压强度的影响,得出水泥环在缺失不同角度时套管剩余抗内压强度的变化规律。通过分析发现水泥环缺失一定角度产生应力的集中,套管抗内压强度会比无水泥环保护时更低,若此时套管同时发生磨损,对套管强度和井控安全影响巨大。     

套管试压对水泥环密封性的影响

套管试压后产生的微环隙是导致水泥环密封性下降的主要原因之一.根据套管-水泥环受力模型,推导了套管试压后产生的微环隙的定量计算公式.通过计算对影响微环隙尺寸的因素进行了分析.结果表明:试压时微环隙的尺寸与井口压力成正比;与围岩压力、水泥环的厚度呈负线性相关;随套管壁厚的增加而减小;随水泥环弹性模量的增加呈先增大后减小趋势.在水泥环弹性模量为25GPa时,微环隙的尺寸最大,但在其弹性模量小于25GPa时,弹性模量对减小微环隙尺寸的作用更明显,故对于需要高压套管试压的油气井,宜选用低弹性模量的水泥石.     

气井环空带压对水泥环力学完整性的影响

受井下作业、油套管或封隔器泄漏等因素产生的井口环空带压,使高温高压气井水泥环密封完整性面临巨大 挑战。为此,基于弹性力学多层厚壁圆筒理论和摩尔库仑失效准则,建立了水泥环应力和失效计算模型,研究了环空 带压对水泥环胶结面应力和失效的影响。结果表明,环空带压将增大水泥环胶结面的切向拉应力,过大的切向拉应力 将导致水泥环失效。与此同时,井筒温度增加产生的切向拉应力也会增大水泥环失效风险。环空带压越大,水泥环安 全系数越低,且温度效应对安全系数的影响较小。对高温高压气井,可根据井身结构（地层水泥环套管）参数建立 水泥环安全系数图版,从而为确定合理的最大允许环空带压值提供依据,研究结果对提高气井井筒安全性、延长开采 寿命具有重要意义。     

基于组合体力学模型的固井水泥石封隔能力分析

为探究水力压裂过程中水泥石封隔失效的内在机理,建立了一套基于套管-水泥石-地层组合体弹塑性力学模型的水泥石封隔能力失效分析方法,并通过数值模拟和实验分别验证了力学模型和分析方法的可靠性.然后借助等效应力与屈服强度、应变与材料极限伸长率的对比,绘制了水泥石封隔能力图版.研究表明:水泥石弹性模量对水泥石封隔能力影响存在最优区间,在本文研究条件下,水泥石弹性模量在6~9.7GPa之间有利于保持水泥石封隔能力.研究结果可为不同地区页岩气水平井固井水泥参数选择提供参考.     

CO2埋存井注入过程中水泥环应力完整性研究

CO2埋存井固井水泥环完整性直接涉及到CO2能否安全、长期有效的进行地质埋存,因此对埋存井水泥环完整性的分析是很有必要的。提出了CO2埋存井水泥环动态应力完整性模型,并分析了温降、地层孔隙压力的变化对水泥环应力完整性的影响。结果表明:温降和孔隙压力的增大均能对水泥环产生轴向诱导拉应力,温降和孔隙压力单独作用时,不足以使水泥环受拉而发生破坏。两者同时作用时,当温降和孔隙压力增加到一定值就会使水泥环发生轴向断裂。产生水平裂纹,所以为了保证水泥环完整性不发生破坏,在注入CO2时,要正确的处理好CO2的注入温度与注入速度的关系。     

固井水泥套管腐蚀速率的电化学测试研究

介绍了用静电位极化曲线法,对固井外包水泥环的金属套管样品的腐蚀速率进行研究,多组测试结果表明：包覆不同缓蚀剂配方的水泥,采用不同浇注方式形成的水泥环,对金属套管的相对腐蚀速率不同．不同缓蚀剂配方水泥的抗腐蚀能力可提高６３％;浇注方式不同,抗腐蚀能力可提高约１．３倍．为选择最佳缓蚀剂水泥配方及浇注方式提供了理论依据,也为外包水泥环金属套管的相对腐蚀速率测定,提供了一种新的电化学测试方法,具有一定的应用和推广价值．     

不同温度下固井水泥导热系数的研究

为研究不同温度下固井水泥石传热能力的变化规律,使用平板热流计法测试了不同温度下纯水泥和空心玻璃微珠水泥的导热系数;同时,通过模型拟合,确定了测试温度与导热系数间的数值关系。结果表明,随着热采时间的延长,固井水泥石两侧温度同时增加,且变化幅度较大;水泥石导热系数与孔隙度呈线性关系,孔隙度越大,测试温度对导热系数影响越小。测试温度对不同水灰比的纯水泥和空心玻璃微珠水泥影响规律相同,热板和冷板温度的提高均能增大导热系数,但冷板温度变化对导热系数的影响显著强于热板温度;平均温度一定时,冷板温度越高导热系数越大;水泥石导热系数与测试温度的数值关系均可用Parabola2D模型来计算。研究成果可为地热井热损失的精确计算和井口水温的精准预测提供一定借鉴。     

粘砂套管胶层厚度对相对声强的影响研究

根据黏砂套管声波传播模型,推导了考虑胶层厚度影响的黏砂套管固井质量评价的相对声强公式,并分析了黏砂套管相对声强受胶层厚度影响的原因及其变化规律。研究结果表明,黏砂套管的相对声强随胶层厚度的增加而减小,这说明胶层的存在会对相对声强的结果产生偏差,而实际声幅测井中这种偏差可能引起固井质量的误判。为建立考虑胶层厚度影响的黏砂套管固井质量评价修正方法提供理论基础。     

CO2埋存井固井水泥环封存效果与其性能参数研究

CO2埋存井固井水泥环封存能力是决定CO2长期有效埋存的关键,影响水泥环封存能力的因素除了井筒周围外部条件外,还与水泥环自身的力学特性有关。首先分析了影响水泥环封存能力的外部因素,并对水泥环受力状态与其力学参数之间的关系进行研究,最后结合外部条件和水泥环自身力学特性,确定出能够满足CO2长期有效埋存的水泥环的力学参数。     

分段压裂过程中射孔段水泥环密封完整性的数值模拟

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。本文建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。