储气库套管-水泥环-地层的匹配关系

为了防止储气库井筒内注气增压过程中水泥环本体产生塑性变形,卸载时产生微环隙导致井筒密封失效,运用ABAQUS建立储气库套管-水泥环-地层组合体弹塑性力学模型,模拟储气库井筒内气压变化过程,结合水泥环和地层弹性模量等影响因素分析储气库套管-水泥环-地层之间匹配关系的变化规律。结果表明:以水泥环本体不发生塑性应变为标准,以套管抗内压强度为限制条件,可为不同类型套管匹配最佳的水泥环厚度;当套管尺寸一定时,地层和水泥环弹性模量越小,水泥环厚度越大,套管承压越大,储气库井筒密封失效的可能性越小。(图9,表4,参20)     

套管-水泥环-地层完备系统力学模型解析解及有限元分析

基于多层组合厚壁圆筒理论,运用弹性力学理论,对套管-水泥环-地层完备系统力学模型计算公式进行了推导,利用有限元软件ANSYS对套管-水泥环-地层完备系统进行了数值模拟计算。研究结果表明,对于套管-水泥环-地层完备系统,其径向应力在套管-水泥环交界面和水泥环-地层交界面上是连续的,其周向应力和Mises应力在套管-水泥环交界面和水泥环-地层交界面上是不连续的;有限元计算结果与理论计算结果的相对误差较小,误差最大的不超过3%,这表明有限元计算结果是可信的,也说明有限元中相关参数和条件的设置较为合理。     

超深井蠕变地层套管强度及其影响因素研究

由于盐膏层岩石具有蠕变特性,导致盐膏层钻井、完井工艺复杂,造成井下套管损坏率高;本文采用岩石模拟伯格斯模型,研究了非均匀地应力下蠕变地层套管径向应力、最大等效应力和套管安全系数的分布规律,并在此基础上系统地研究了地层弹性模量和泊松比、水泥环模量和泊松比、非均匀载荷系数、内压等工程和地质因素对套管应力和载荷的影响规律,为蠕变地层中套管强度计算提供理论依据。     

地下储气库井筒水泥环的弹塑性分析

为了分析连续注采工况下地下储气库井筒水泥环的受力与变形规律,基于弹塑性力学的基本原理,以套管-水泥环-围岩组合体为研究对象,结合温度、孔隙压力及地层远场应力等影响因素,推导出注采工况下受内外压作用的水泥环的弹塑性应力和位移的解析解。实例计算表明:注气中水泥环会发生塑性变形,内外壁面径向接触应力随内压非线性增加;注采中的井筒温度和孔隙压力变化是影响水泥环受力的重要因素;水泥环弹性极限内压随温度的降低和孔隙压力的增大而增大;水泥环与套管、围岩的径向接触应力随温度的升高和孔隙压力的增大而增大。研究成果为优化储气库运行参数、控制"微环空"的产生提供了技术支持。     

非均匀地应力条件下注水井泄压对套管受力的影响分析

注水井泄压导致套管损坏的现象在油田生产过程中时有发生,特别在非均匀地应力场和井眼几何形状不规则的情况下,套管柱承受的应力集中效应更为显著。为了分析非均匀地应力场注水井泄压过程套管应力的变化,采用有限元方法模拟计算了不同地应力场分布、椭圆水泥环不同弹性模量和泊松比以及不同椭圆度条件下的套管von Mises应力变化。结果表明:地应力差值变化对泄压水井套管应力不存在影响;椭圆水泥环弹性模量增加,水井泄压时套管所受的von Mises应力最大值减小,而泊松比增加,水井泄压时套管所受的von Mises应力最大值增大;水泥环椭圆度增加,套管上的von Mises应力最大值增大。     

考虑非均匀地应力的热采井水泥环力学分析

在热采井稠油开采过程中,水泥环的密封完整性对于保障稠油高效开采十分关键,因此开展非均匀地应力状态下的热采井水泥环力学分析研究具有重要的实际意义.热采井水泥环在井下承受高温、高压、非均匀地应力等各种复杂情况,容易造成水泥环破坏而影响稠油正常开采.通过对热采井水泥环系统的力学分析,并考虑多因素的影响,建立了水泥环受力模型,结合实例计算分析了水泥环弹性模量、热膨胀系数、注汽温度、非均匀地应力等因素对水泥环强度的影响,对于热采井固井水泥浆性能设计和预防水泥环破坏具有重要的指导意义.     

水泥封固段长度对固井胶结面密封能力影响的试验研究

水泥封固段长度对固井胶结面水力密封能力有不可忽视的影响,研究其影响规律有助于科学设计水泥返深,确保油气生产安全。选用南海某油田固井水泥浆体系,开展了水泥环岩石力学参数测试与水泥环胶结面CT扫描测试,基于自研的水泥环密封完整性评价装置,运用气窜法测试了高温高压养护条件下不同封固长度水泥环的水力密封能力。试验结果表明,在水泥环本体未发生破坏条件下,水泥环胶结面为气体的主要窜流通道;在同等养护及受力条件下,随着封固段长度的增加,气窜压力逐步增大。拟合了气窜压力随封固段长度的关系式,并针对封固段长度为1m条件下的模拟套管-水泥环-地层系统进行了模拟声幅测井,测井结果显示试验所测试的水力密封能力数据有效,进一步验证了固井胶结面为气窜的主要通道。该研究对指导高温高压井水泥返深设计具有一定的指导意义。     

水泥环缺失下套管抗爆破强度研究

为了解决油田钻井过程中套管因受内压发生爆破、严重影响钻井工作效率的问题,针对套管-水泥环局部缺失-地层系统,运用ANSYS有限元分析软件研究了套管抗内压初始爆破强度,即套管任意一点的Mises应力刚好达到套管材料的抗拉极限强度时套管内壁面上施加的内压值。研究了水泥环不同周向缺失量和5种地层围压组合下对6种壁厚的无磨损套管抗内压初始爆破强度的影响,并预测了套管的抗内压初始爆破强度。研究结果表明,对于套管-水泥环局部缺失-地层系统,当水泥环缺失量不大时,套管的外壁最先达到抗拉极限强度;当水泥环缺失量大于某一个值时,套管的内壁最先达到抗拉极限强度。     

一种能有效保障井筒完整性的高强韧性水泥浆体系研究

固井后套管-水泥环-地层会形成一个胶结体,即固井屏障。固井屏障在油气井生产过程中,要受到各种载荷的作用,会导致固井屏障密封系统失效。为保证井筒的完整性,目前主要的解决办法是使用胶乳水泥浆体系,但是该体系有一个较大的缺点就是用量大、费用高。室内通过优选增韧材料GBS-51,其质量分数在2%~5%变化时,水泥浆性能能够满足常规固井作业的要求。为了能够在有效保证固井屏障良好完整性的情况下,降低生产作业成本,将GBS-51与胶乳复配(其中胶乳仅起到偶联剂的作用,用量较少),成功构建了一套高强韧性水泥浆体系,试验结果表明:该韧性水泥浆体系能够有效地控制成本,且适用温度范围广,可以满足不同井底温度的固井作业,形成的水泥石韧性以及其他物理特性优良,有利于保障井筒完整性。     

非均匀地应力作用下套管-水泥环组合体抗挤强度模型及优化

针对油田在开发过程中经常遇到流变性地层的流动导致大量的套管被挤坏的情况,推导了套管-水泥环组合体在非均匀载荷下的应力计算公式,并建立了套管-水泥环组合体强度模型。以套管内壁的有效应力和组合体工程造价为目标提出了流变性地层套管-水泥环组合体的优化设计方法,建立了3种类型的优化数学模型。研究了不同组合条件下的套管-水泥环组合体承受非均匀载荷的能力及其相对应的工程造价,优化的结果能够较好地指导套管-水泥环组合体的设计。     

页岩力学参数各向异性对井壁应力的影响

页岩具有较明显的强度和弹性各向异性,在横观各向同性和连续均匀线弹性地层介质的基础上,建立了各向异性页岩地层的井壁应力计算模型,采用Matlab软件编制了数值解的求解程序,分析了在3种不同断层应力状态下页岩力学参数对井壁应力的影响规律。结果表明:在各向异性页岩地层中,断层的地应力状态会明显地影响井壁应力场的分布形态,尤其是在地应力极值附近;在3种断层应力状态中,正断层地应力状态下井壁应力分布的非均匀性最大;岩石的弹性模量各向异性度会造成水平井井壁应力的二次分布,而泊松比各向异性度对水平井井壁应力分布没有影响;弹性模量各向异性度对井壁应力的影响在其最大值和最小值附近呈现出相反的规律。     

单、双层套管-地层完备系统应力变化规律研究

利用弹性力学知识,分析推导了单、双层套管-地层完备系统力学模型计算公式。华北油田某井场实例计算中,用Matlab软件求解出了具体问题的数值解并绘制出了单、双层套管-地层完备系统应力变化曲线。对比3种不同套管-地层完备系统应力变化的特征,发现套管各个接触面上径向应力连续,周向应力不连续,其中,双层套管中间环为液体的地层完备系统,径向应力变化更加平缓,在双层套管中将中间环改为液体可以预防套管损失变形。这些研究将为以后探究套管-地层完备系统,合理地进行井身套管结构强度设计提供有力的理论依据。     

机械整形对套损井水泥环的损伤分析

深入地分析了碾压整形与冲击整形的力学原理。在准静态的前提下,建立了碾压整形力学模型。根据应变协调条件,推导出了套管、水泥环及地层的受力计算公式。以冲击动力学和应力波传播理论为基础,建立了冲击整形的力学模型,较为准确地描述了水泥环中的应力分布。采用损伤力学的研究方法对冲击整形和碾压整形中水泥环的破坏问题进行了研究。根据上述理论,编制了计算软件,并计算了实际整形井,计算结果与测试结果吻合较好,证明了该模型的正确性。     

长庆油田三叠系油藏热水驱井筒热损失模拟实验

通过井筒向地层注入热水提高驱油效率是一种提高油田采收率的方法。利用生产实际中所用油套管,搭建了物理模型,进行了不同流速、不同温度、不同隔热介质情况下井筒温度场的变化实验。对实验数据的分析提出了影响井筒温度变化的因素。实验结果表明,当热水流量不变时,随着热水注入温度的升高,热水在井筒中的温降越高,热损失越大;当热水注入温度不变时,随着热水注入流量的增加,热水在井筒中的温降越小,热损失越少。氮气和空气的隔热效果相差甚微。     

水泥环和混凝土对储气井的加强与固定作用

通过建立储气井受力模型,对水泥环与井筒界面之间的界面压力进行计算,得到了储气井固井水泥环与井筒之间的摩擦力和储气井固井临界长度:理想固井状态下,对于φ177.8和φ244.48储气井,固井长度超过0.7m,则井筒不会脱离水泥环从地面窜出.在水泥环与地层不脱离的情况下,当地层土为粉细砂时,φ177.8和φ244.48储气井地面以下连续固井长度分别需要达到43 m和60m.针对储气井上部腐蚀减薄和固井不合格的情况,分析了加固混凝土对储气井井筒的加强作用:若储气井井口段采取有效加固处理和充分的防腐措施,即使储气井壁厚的减薄量超过腐蚀裕量,正常工作压力下储气井井筒的实际应力也低于许用应力.(表1,图2,参6)     

超声冲击处理对不同材料的应力应变影响的有限元模拟

采用有限元的方法建立了不同材料力学性能的超声冲击处理模型。根据Johnson理论得出的冲击动力学公式,找到影响应力应变的关键参数:弹性模量、泊松比以及静态屈服强度。分别讨论了弹性模量、泊松比以及静态屈服强度对超声冲击处理后材料应力应变的影响,旨在探讨超声冲击处理对不同力学性能材料的应力应变强化程度。结果表明:材料的弹性模量、泊松比以及静态屈服强度都会影响超声冲击处理的应力应变;材料的弹性模量越大,其冲击处平行于材料表面方向应力和等效塑性应变都会显著增大;材料的泊松比越大,x方向应力和等效塑性应变都会增加,但泊松比对等效塑性应变影响大于x方向应力的影响;随着静态屈服强度的增大,冲击处的x方向应力显著增大,等效塑性应变值显著降低。     

碳氧比能谱测井解释中扩径影响校正方法研究

碳氧比(C/O)能谱测井应用于套管井时,除受地层孔隙度影响,还会受到井径、套管尺寸、水泥环厚度等井眼条件的影响,使得在井径扩径处计算的剩余油饱和度(S_(or))准确性降低。通过采用在同井选择受不利因素影响最小的纯泥岩层的R_(COIR)(远C/O非弹计数率)和R_(LIRI)(远Ca/Si非弹计数率),分别做R_(COIR)-(d_h-d_b)(井眼直径与钻头直径的差)和R_(LIRI)-(d_h-d_b)的交会图,拟合得到R_(COIR)、R_(LIRI)受水泥环影响的校正值,得到准确的地层C/O、钙硅比(Ca/Si)参与S_(or)的计算。该方法消除了C/O资料受井眼扩径和水泥环增厚的影响,提高了S_(or)的计算精度,应用效果较好。     

苎麻茎秆的力学性能研究

对成熟苎麻茎秆进行横观各向同性假设,参照塑料拉伸、压缩和金属扭转试验以及夹层结构弯曲性能试验的要求和标准,分别对苎麻茎秆、木质部进行拉伸、压缩、弯曲和扭转试验,对韧皮层进行拉伸、压缩试验,测定苎麻茎秆的基本力学参数。结果表明:苎麻茎秆拉伸弹性模量为1 013.19 MPa,压缩弹性模量为14.63 MPa,剪切模量为87.15 MPa,同性面泊松比为0.38,异性面泊松比小于0.016 6;木质部拉伸弹性模量为1 021.85 MPa,压缩弹性模量为16.99 MPa,剪切模量为99.05 MPa,同性面泊松比为0.33,异性面泊松比小于0.020 5;韧皮纤维层拉伸弹性模量为2 004.18 MPa,压缩弹性模量为4.01 MPa,剪切模量为38.76 MPa,同性面泊松比为0.58,异性面泊松比小于0.001 9。     

羧甲基纤维素接枝甲基丙烯酸甲酯对稻壳水泥复合材料的增强作用

利用羧甲基纤维素和甲基丙烯酸甲酯在水介质中用过硫酸钾为引发剂,合成稻壳-水泥复合材料的偶联剂--羧甲基纤维素接枝甲基丙烯酸甲酯(CMC-g-PMMA).共聚物采用傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)进行表征.并采用X射线能量散射分析(EDXA)测量共聚物中葡萄糖环上甲基丙烯酸甲酯的个数.采用CMC-g-PMMA作为植物纤维表面处理剂,与水泥一并制成复合材料.对材料密度、24 h吸水厚度膨胀率、抗弯强度进行了测试(万能力学实验机),对表面形貌进行观察(体视显微镜).结果表明:添加CMC-g-PMMA可大幅度提高稻壳-水泥复合材料的抗弯强度和弹性模量,当稻壳比例为20%,CMC-g-PMMA比例为1%时,抗弯强度和弹性模量分别为未添加助剂试样的2.27倍和2.71倍.同时讨论了CMC-g-PMMA的增强机理.     

储气库老井井筒封堵水泥浆体系的优选与性能评价

针对常规水泥浆体系在储气库老井井筒中封堵效果差的现状,提出了一种新型的封堵体系——G级微膨胀纤维水泥浆体系,并通过室内试验优化了水泥浆体系中的降失水剂、分散剂、缓凝剂、纤维增塑剂以及膨胀剂的加量,最后评价了水泥石的力学形变性能和水泥浆体系的综合性能。优选出的G级微膨胀纤维水泥浆体系配方为:93%G级水泥+2%微硅+3%JB-1+2%SNP+0.05%ST500L+0.3%ST200R+4%ST900L+0.8%SXY-2,优化出的体系配方由于改性纤维的增塑和增韧的双重工效,使得水泥石具有很好的力学形变性能,抗折强度高达12.0MPa,完全能满足矿场井筒封堵强度的要求,在储气库老井井筒封堵中具有很好的应用前景。