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循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實驗研究

文檔作者：劉仍光1’2，張林海1，陶謙1，周仕明1，丁士東1 文檔來源： 1．中國石化石油工程技術(shù)研究院 2．中國石油大學(北京)		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月26日
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第33卷第4期
2016年7月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
V01．33 NO．4
July 2016
doi：10．3696／j．issn．1001·5620．2016．04．015
循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實驗研究
劉仍光1’2， 張林海1， 陶謙1， 周仕明1， 丁士東1
(1．中國石化石油工程技術(shù)研究院．北京100101；2．中國石油大學(北京)，北京102249)
劉仍光等．循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實驗研究[J]．鉆井液與完井液，2016，33(4)：74．78．
摘要利用自主研發(fā)的水泥環(huán)密封性實驗裝置研究了套管內(nèi)加卸壓循環(huán)作用下水泥環(huán)的密封性，根據(jù)實驗結(jié)果得出了
循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性失效的機理。實驗結(jié)果顯示，在較低套管內(nèi)壓循環(huán)作用下，水泥環(huán)保持密封性所能承受的應(yīng)
力循環(huán)次數(shù)較多；在較高循環(huán)應(yīng)力作用下，水泥環(huán)密封性失效時循環(huán)次數(shù)較少。表明在套管內(nèi)較低壓力作用下，水泥環(huán)所
受的應(yīng)力較低，應(yīng)力水平處于彈性狀態(tài)，在加卸載的循環(huán)作用下，水泥環(huán)可隨之彈性變形和彈性恢復(fù)；在較高應(yīng)力作用下，
水泥環(huán)內(nèi)部固有的微裂紋和缺陷逐漸擴展和連通，除了發(fā)生彈性變形還產(chǎn)生了塑性變形；隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，塑性
變形也不斷地累積。循環(huán)壓力卸載時，套管彈性回縮而水泥環(huán)塑性變形不可完全恢復(fù)，2者在界面處的變形不協(xié)調(diào)而引起
拉應(yīng)力。當拉應(yīng)力超過界面處的膠結(jié)強度時出現(xiàn)微環(huán)隙，導致水泥環(huán)密封性失效，水泥環(huán)發(fā)生循環(huán)應(yīng)力作用的低周期密封
性疲勞破壞。套管內(nèi)壓力越大，水泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力水平越高，產(chǎn)生的塑性變形越大，每次卸載時產(chǎn)生的殘余應(yīng)變和界面
處拉應(yīng)力也越大，因此引起密封性失效的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越少。
關(guān)鍵詞水泥環(huán)；密封性裝置；循環(huán)應(yīng)力；微環(huán)隙；疲勞破壞
中圖分類號：TE256．9 文獻標識碼：A 文章編號：1001．5620(2016)04．0074．05
Experimental Study on Airtightness of Cement Sheath UnderAlternating Stress
LIU Rengguan91一，ZHANG Linhail，TAO Qianl，ZHOU Shimin91，DING Shidon91
(1．Sinopec Research Institute ofPetroleum Engineering,Bering 100101：2．China University ofPetroleum，Beo'ing 102249)
Abstract The airtightness of cement sheath under alternating loading and unloading was studied using self-developed experiment
facilities，and the mechanism of airtightness failure of cement sheath under alternating loading and unloading was understood based
on the experimental results．Under the action of lower alternating pressure inside the casing，the time for the cement sheath to fail can
be long；the action of high alternating pressure，on the other hand，will soon break down the airtightness of the cement sheath．This
indicates that low pressure inside the casing string imposes low force on cement sheath which still retains its elasticity,and elastic
deformation takes place in the cement sheath under altemating loading and unloading．Under the action of high stresses，on the
other hand，the intrinsic micro fractures and deficiencies inside the cement sheath begin to connect with each other,and both elastic
deformation and plastic deformation take place inside the cement sheath．As the alternating goes on，the plastic deformation becomes
accumulated，to the extent that the plastic deformation does not vanish after unloading．Differences in the deformations ofcasing string
and cement sheath at the interface result in a tensile stress，which，when exceeding the cementation strength at the interface，will cause
the airtightness of the cement sheath to fail．This is the SO-called low cycle fatigue failure of the airtightness of cement sheath under
the action of alternating loading and unloading．Higher internal pressure in the casing string results in higher induced stress inside the
cement sheath，larger plastic deformation，higher residual strain and tensile stress at the interface after unloading，and，the less of the
number of cycles required to cause the aiaightness of the cement sheath to fail．
Key words Cement sheath；Airtightness tester；Alternating stress；Micro annular space；Fatigue failure
目前由于水泥環(huán)密封性失效而引起的環(huán)空帶壓等現(xiàn)象時常發(fā)生，影響了油氣井的生產(chǎn)和安全等問
基金項目：國家自然科學基金面上項目(51374218)；中國博士后科學基金資助項目(2015M571228 o
第一作者簡介：劉仍光，博士，現(xiàn)在主要從事油井水泥漿性能與水泥環(huán)密封性等研究。電話18911027279；E-mail：
jiangonglrg@163．com。
通訊作者：丁士東，教授級高級工程師。E-mail：dingsd．sripe@sinopec．com。
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第4期劉仍光等：循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實驗研究75
題。有學者研究認為水泥環(huán)在壓裂酸化等作業(yè)過程
中產(chǎn)生的高應(yīng)力導致水泥環(huán)拉伸破壞，出現(xiàn)徑向的
微裂縫【1‘3】，是水泥環(huán)密封完整性破壞的原因之一。
統(tǒng)計顯示即使在固井質(zhì)量較好的情況下，隨著生產(chǎn)
時間的延長，環(huán)空帶壓的油氣井也呈逐漸增多H】。
在油氣井長期生產(chǎn)過程中，由于調(diào)產(chǎn)或關(guān)井維修等，
或者儲氣庫在長期注采作業(yè)中，套管內(nèi)的壓力經(jīng)常
發(fā)生變化，從而使得水泥環(huán)所受的應(yīng)力也隨之改變。
對此較多學者對變應(yīng)力作用下水泥環(huán)的密封性進行
了研究，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。但是都采用數(shù)值模
擬的方法【5圳，基于某些特殊的假定，特別是建立
模型時對水泥環(huán)力學變形性能的假定。水泥石的力
學變形性能非常復(fù)雜，通常與這些假定難以符合，
因此可能造成結(jié)論的偏差甚至錯誤。有些物理模擬
實驗方法雖然盡可能地模擬固井水泥環(huán)的井下受力
狀況，但測試的是水泥石力學性能，而不是抗竄性
能[to-12]；關(guān)注水泥環(huán)密封性破壞的模擬實驗與水泥
環(huán)的實際受力狀態(tài)相差較大[13-141。
為了研究油氣井在長期的生產(chǎn)過程中和儲氣庫
在注采作業(yè)中，由于套管內(nèi)壓力頻繁變化可能引起
的水泥環(huán)密封性失效問題，本文利用水泥環(huán)密封陛
實驗裝置，測試在不同套管內(nèi)循環(huán)壓力作用下水泥
環(huán)的密封性，根據(jù)實驗結(jié)果分析水泥環(huán)力學密封完
整性破壞的原因和機理。
1 實驗
1．1水泥環(huán)密封性測試裝置
水泥環(huán)密封性實驗系統(tǒng)包括井筒物理模擬裝
置、測試裝置、壓力裝置和控制系統(tǒng)等組成。井
簡裝置包括套管、水泥環(huán)和外筒，其中套管外徑
為139．7 mln，壁厚為7．72 rain，采用油田常用套
管材料，鋼級為P110；水泥環(huán)的厚度為26．7 ITUTI；
外筒采用不銹鋼，外徑244．5 I／1I／1，壁厚25．7 toni，
采用鋼級為N80；模型長度即套管和外筒的長度
為1 200 mn'l，水泥環(huán)長度為1 000 mrn。測試裝置
為通過下部密封端進氣孑L往環(huán)空持續(xù)注入一定壓力
的氮氣，在上部密封端蓋處和外筒上不同部分處分
別設(shè)置氣泡檢測孔，并連接氣體流量計，進行水泥
環(huán)密封|生破壞時氣泡檢測和氣體流量測試。壓力系
統(tǒng)可通過往套管內(nèi)注入或排出水使得套管內(nèi)壓力變
化，控制系統(tǒng)可控制套管內(nèi)壓力的大小和循環(huán)。
1．2實驗方法
按配比要求攪拌均勻水泥漿(嘉華G級油井
水泥+4％降失水劑+44％水)，澆人測試設(shè)備水泥
環(huán)環(huán)空中，室內(nèi)常溫密封養(yǎng)護7 d后測試水泥環(huán)在
循環(huán)應(yīng)力下的密封性。加載方式為套管內(nèi)加壓和卸
載的循環(huán)應(yīng)力加載方式，達到最大荷載時持續(xù)承載
5 min然后卸壓，卸壓至零時同樣持續(xù)5 min后繼
續(xù)加壓，如此反復(fù)循環(huán)直至水泥環(huán)密封性失效。實
驗加壓循環(huán)的大小分別為20、25和30 MPa。
2 結(jié)果與討論
2．1循環(huán)加卸載壓力和出氣量
實驗測試套管內(nèi)20 MPa壓力作用下循環(huán)加卸
載100次，出氣口沒有檢測到氣泡，水泥環(huán)的密封
性保持完好，結(jié)果見圖l。根據(jù)內(nèi)壓作用下水泥環(huán)
的受力特征，可建立厚壁圓筒平面應(yīng)變問題。在套
管內(nèi)壓作用下，套管．水泥環(huán)．地層結(jié)構(gòu)體系中水
泥環(huán)的受力狀態(tài)如圖2所示，水泥環(huán)在徑向受壓，
周向受拉力；且水泥環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布是不均勻的，
拉應(yīng)力d。、壓應(yīng)力4均在水泥環(huán)與套管間的一界
面處最大，沿著水泥環(huán)徑向往外逐漸減小，外筒與
水泥環(huán)的二界面處的應(yīng)力最小。
m糾、次數(shù)
羈1 20 MPa循環(huán)加卸載壓力和出氣
圖2 內(nèi)壓作用下水泥環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)
萬方數(shù)據(jù)
76 鉆井液與完井液2016年7月
測試的套管內(nèi)加載25 MPa循環(huán)壓力作用及檢
測到的出氣量如圖3所示。由圖3可知，開始幾十
次加卸壓循環(huán)作用下，并沒有檢測到氣泡。直至
循環(huán)作用59次后，在卸壓階段套管內(nèi)卸壓至0．23
MPa時開始檢測到有氣泡溢出，卸壓為零時出氣
量較小，為26 mL／min。隨著加卸壓循環(huán)次數(shù)的繼
續(xù)增加，出氣量也逐漸增大，而且在升壓時套管受
壓膨脹擠壓水泥環(huán)達到密封或降壓時開始氣竄的壓
力值也不斷增大。如壓力循環(huán)69次，卸壓至0．39
MPa時即開始檢測有氣泡，且完全卸壓時的出氣
量增至134 mL／min。
m自耶次數(shù)
圖3 25 MPa循環(huán)加卸載壓力和出氣量
套管內(nèi)加載30 MPa循環(huán)壓力作用及檢測到的
出氣量如圖4所示，開始氣竄后卸載時的出氣壓力
測試結(jié)果見圖5。
循蝦次數(shù)
圖4 30 MPa循環(huán)加卸載壓力和出氣量
循環(huán)次數(shù)
圖5開始氣竄后卸載時的出氣壓力
由圖4和圖5可知，30 MPa加卸壓循環(huán)4次后，
出氣孔開始檢測到有氣體溢出；同25 MPa循環(huán)作
用的現(xiàn)象一致，開始時出氣量較小，隨著加卸壓次
數(shù)的增加，出氣量逐漸增大；卸壓階段開始氣竄時
的套管壓力值也不斷增大，但壓力增加幅度減小且
趨于穩(wěn)定。另外，檢測發(fā)現(xiàn)氣竄均發(fā)生在套管與水
泥環(huán)間的一界面。
2．2討論
在套管內(nèi)壓力作用下，水泥環(huán)徑向的壓應(yīng)力分
布并不是均勻的，如圖2所示，距套管越近水泥環(huán)
的應(yīng)力水平越高，而水泥環(huán)與外筒界面處的應(yīng)力最
小。套管內(nèi)20 MPa加卸載循環(huán)100次沒有發(fā)生水
泥環(huán)密封完整性破壞現(xiàn)象，說明在20 MPa最大壓
力作用，套管受力膨脹擠壓水泥環(huán)所產(chǎn)生的應(yīng)力，
使得整個水泥環(huán)仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，卸壓時套管
完全彈性回縮，水泥環(huán)的變形也可彈性恢復(fù)。即使
加卸載次數(shù)較多，但每次水泥環(huán)均可彈性恢復(fù)，套
管和水泥環(huán)的變形協(xié)調(diào)，在界面處沒有產(chǎn)生變形不
一致。也可能是因為加壓時水泥環(huán)受力較大的近一
界面部位已超過水泥石的彈性受力階段，進入塑性
受力狀態(tài)，如圖2中虛線以內(nèi)部分，但只產(chǎn)生較小
的塑性變形；水泥環(huán)的其它部分仍處于彈性應(yīng)力水
平，如圖2中虛線以外部分。卸壓時水泥環(huán)產(chǎn)生的
彈性變形可完全恢復(fù)，塑性變形不可完全恢復(fù)，存
在微小的殘余應(yīng)變，導致在界面處和水泥環(huán)內(nèi)部產(chǎn)
生拉應(yīng)力。但殘余應(yīng)變較小，即使循環(huán)加卸載多次，
殘余應(yīng)變累積產(chǎn)生的拉應(yīng)力沒有超過界面處的膠結(jié)
強度，不會產(chǎn)生微環(huán)隙，沒有發(fā)生水泥環(huán)密封性破
壞現(xiàn)象。
當套管內(nèi)的循環(huán)壓力最大值為25 MPa時，循
環(huán)加卸壓59次時發(fā)生出氣現(xiàn)象，而且隨著加卸壓
循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加出氣量增大。說明在最大套管
內(nèi)壓力25 MPa作用下，水泥環(huán)所受的應(yīng)力超過了
術(shù)泥石的彈性極限，產(chǎn)生了一定的塑性變形，卸壓
時不可完全恢復(fù)的塑性變形造成的殘余應(yīng)變導致界
【面處產(chǎn)生拉應(yīng)力。雖然一次加卸壓時產(chǎn)生的拉應(yīng)力
不足以超過界面處的膠結(jié)強度而出現(xiàn)微環(huán)隙，但隨
蕾加卸壓次數(shù)的增加，水泥環(huán)內(nèi)部固有的微裂紋和
3央陷會逐漸擴展和累積，每次加載時產(chǎn)生的塑性變
形增加，卸載時的殘余應(yīng)變逐漸增大，因此卸載時
界面處的拉應(yīng)力也會增加。當加卸壓循環(huán)一定的次
nii¨¨-工一．．．．．Ik丑
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第4期劉仍光等：循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實驗研究77
數(shù)，累積的殘余應(yīng)變產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過界面的膠結(jié)
強度，界面即出現(xiàn)微環(huán)隙，造成密封性破壞現(xiàn)象發(fā)
生。30 MPa套管內(nèi)壓加卸載作用，4次循環(huán)水泥
環(huán)即發(fā)生密封性破壞，其密封性失效機理同上；而
且更大應(yīng)力作用下，水泥環(huán)產(chǎn)生的塑性變形也更大，
殘余應(yīng)變累積產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過膠結(jié)強度的循環(huán)次
數(shù)更少。
開始發(fā)生出氣后，隨著壓力循環(huán)次數(shù)的增加，
卸壓時的最大出氣量也隨之增大，如30 MPa壓力
循環(huán)4次后，最大出氣量僅為28 mL／min，而壓力
循環(huán)18次后，最大出氣量增至298 mL／min，說明
微環(huán)隙的尺寸在增加。升壓時微環(huán)隙被擠壓至密封
或降壓時開始氣竄的壓力值也不斷增大，如圖5中
30 MPa壓力循環(huán)4次后即第1次氣竄時，卸壓至
0．14 MPa開始出現(xiàn)出氣；第15次氣竄時壓力降至
0．74 MPa已經(jīng)開始出氣，同樣說明微環(huán)隙的寬度
在逐漸增大。也證明了隨著壓力循環(huán)次數(shù)的增加，
水泥環(huán)的塑性變形逐漸增加，累積產(chǎn)生的殘余應(yīng)變
增大，導致微環(huán)隙的產(chǎn)生或?qū)挾鹊脑黾?。升壓時套
管內(nèi)的壓力升至較高值，套管產(chǎn)生較大的膨脹才能
擠壓水泥環(huán)，使得微環(huán)隙達到密封狀態(tài)不再出氣，
或降壓時開始出氣的套管內(nèi)壓力升高。
氣體檢測系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)微環(huán)隙均發(fā)生在水泥環(huán)
與套管之間的一界面。在套管內(nèi)壓作用下，水泥環(huán)
應(yīng)力分布不均勻，無論是壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力，一界
面處應(yīng)力最大，外筒與水泥環(huán)的二界面處的應(yīng)力最
小。在荷載作用下，應(yīng)力較大處水泥石產(chǎn)生的變形
較大，可能產(chǎn)生的塑性變形也較大；應(yīng)力較小處，
水泥石可能仍處于彈性受力階段，只產(chǎn)生了彈性變
形。一界面處水泥環(huán)受到的應(yīng)力較大，產(chǎn)生的變形
也較大。加卸載循環(huán)一定的次數(shù)，一界面存在的殘
余應(yīng)變大于其它部位，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也最大。在兩
個界面膠結(jié)強度相近的情況下，因此一界面處最易
超過膠結(jié)強度導致出現(xiàn)微環(huán)隙。加壓階段水泥環(huán)產(chǎn)
生高應(yīng)力，沒有發(fā)生密封性破壞，說明水泥環(huán)本體
沒有發(fā)生強度破壞無論是拉伸破壞還是抗壓破壞而
產(chǎn)生微裂紋。在卸載階段且卸壓至較低時失去密封
性，且高應(yīng)力下閉合；說明在本實驗條件下，水泥
環(huán)發(fā)生了由于循環(huán)應(yīng)力導致的密封性疲勞破壞出現(xiàn)
微環(huán)隙，引起水泥環(huán)密封性失效。
影響多次加卸載作用下水泥環(huán)密封性的因素很
多，除了壓力的大小外，還有水泥石的彈性模量和
強度、水泥環(huán)外的約束程度或圍壓等。同條件下，
水泥石的彈性模量越低，在套管內(nèi)壓力作用下，水
泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力水平越低，使得水泥環(huán)盡可能保
持在彈性應(yīng)力狀態(tài)，不產(chǎn)生或少產(chǎn)生塑性變形，不
發(fā)生因疲勞破壞所導致的密封性失效問題，抗循環(huán)
壓力作用的能力越強。水泥石的強度越高，水泥環(huán)
的應(yīng)力水平越不易超過其極限彈性強度進人塑性受
力狀態(tài)，水泥環(huán)可承受更高的循環(huán)荷載。但通常情
況下，水泥石的彈性模量越低，其強度也會降低；
水泥石強度越高其彈性模量也越大，在套管壓力作
用下水泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力也越大，因此應(yīng)選擇變形
適應(yīng)能力強的水泥石來滿足水泥環(huán)的力學密封完整
性。另外，根據(jù)厚壁圓筒理論分析套管內(nèi)壓作用下
水泥環(huán)的應(yīng)力，水泥環(huán)外有地層約束或地應(yīng)力的壓
力作用產(chǎn)生了圍壓，約束越強或圍壓越大，水泥環(huán)
中壓應(yīng)力會增大，可能使水泥環(huán)產(chǎn)生更大的塑性變
形；但約束或圍壓的存在可使水泥環(huán)中產(chǎn)生的拉應(yīng)
力降低。水泥環(huán)外無約束或圍壓的自由應(yīng)力狀態(tài)下，
在套管內(nèi)壓作用時水泥環(huán)中產(chǎn)生的壓應(yīng)力最小，水
泥環(huán)外界面處的壓應(yīng)力為零；但水泥環(huán)中產(chǎn)生的拉
應(yīng)力較大，易導致水泥環(huán)拉伸破壞。需要說明的是
本文中水泥環(huán)的養(yǎng)護方式為常溫養(yǎng)護，養(yǎng)護時間稍
短，密封陛測試時水泥石的強度發(fā)展較低，因此抵
抗套管循環(huán)壓力值較低。
3 結(jié)論
1．在較低壓力作用下，水泥環(huán)容易產(chǎn)生彈性變
形，且卸載時可完全恢復(fù)，套管與水泥環(huán)的變形協(xié)
調(diào)，壓力循環(huán)多次不會產(chǎn)生微環(huán)隙而導致水泥環(huán)密
封性失效。
2．在較高壓力作用下，水泥環(huán)除了產(chǎn)生彈性變
形，還產(chǎn)生塑性變形，卸壓時塑性變形不可完全恢
復(fù)，產(chǎn)生殘余應(yīng)變，水泥環(huán)與套管變形不協(xié)調(diào)；隨
著壓力循環(huán)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)變逐漸累積，達到
一定程度產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過界面處的膠結(jié)強度而出
現(xiàn)微環(huán)隙，造成水泥環(huán)密封性失效。
3．套管內(nèi)壓作用下一界面處水泥環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力
最大，塑性變形較大，是循環(huán)應(yīng)力作用下易出現(xiàn)微
環(huán)隙的部位。
萬方數(shù)據(jù)
78 鉆井液與完井液2016年7月
參考文獻
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