循環(huán)載荷作用下水泥環(huán)完整性試驗(yàn)研究

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“不同含水條件頁巖力學(xué)變形、損傷及破壞機(jī)理多尺度研究”（51809275）。

陳碩，王琳琳.循環(huán)載荷作用下水泥環(huán)完整性試驗(yàn)研究107-113

Chen Shuo，Wang Linlin.Experimental study on the integrity of cement sheath under cyclic loading107-113

在頁巖氣井多級(jí)壓裂過程中，從地下很難直接獲取水泥環(huán)溫度和應(yīng)變等用于評(píng)估其完整性的信息。為此，結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)和全尺寸物理模擬試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)獲得了水泥環(huán)在候凝階段和完井階段的溫度和應(yīng)變變化規(guī)律，分析了壓力和溫度循環(huán)載荷對(duì)水泥環(huán)完整性的影響。研究結(jié)果表明：在候凝階段，水泥環(huán)峰值溫度比養(yǎng)護(hù)溫度高1.9 ℃，水泥環(huán)周向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，最大值為403.7×10-6 m/m；在完井階段，在40和50 MPa內(nèi)壓循環(huán)載荷作用下，水泥環(huán)產(chǎn)生塑性應(yīng)變并不斷累積，當(dāng)累積塑性應(yīng)變達(dá)到臨界值87.1×10-6 m/m時(shí)，界面微環(huán)隙會(huì)導(dǎo)致環(huán)空氣體泄漏；在溫度循環(huán)載荷作用下，水泥環(huán)產(chǎn)生周向壓應(yīng)變，該收縮會(huì)在第一界面產(chǎn)生周向和徑向拉應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)微環(huán)隙的風(fēng)險(xiǎn)增加。研究結(jié)論可為多級(jí)壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論參考。

水泥環(huán)完整性；循環(huán)載荷；光纖光柵；微環(huán)隙；循環(huán)次數(shù)；多級(jí)壓裂

TE256

A

014

Experimental Study on the Integrity of Cement Sheath Under Cyclic Loading

Chen Shuo" Wang Linlin

（China University of Petroleum-Beijing）

In the multistage fracturing process of shale gas wells，the information such as cement sheath temperature and strain used for evaluating the integrity of cement sheath is difficult to be directly obtained from the wellbore.Therefore，combined with the fiber Bragg grating sensing technology and full-scale physical simulation test device，tests were conducted to obtain the temperature and strain changes of cement sheath during the WOC （waiting on cement） and completion stages，and the influence of cyclic loads of pressure and temperature on the integrity of the cement sheath was analyzed.The study results show that during the WOC stage，the peak temperature of the cement sheath is 1.9 ℃ higher than the curing temperature，and the circumferential strain of the cement sheath is tensile strain，with a maximum value of 403.7×10-6 m/m；during the completion stage，under cyclic loading of 40 MPa and 50 MPa internal pressures，the cement sheath undergoes continuously accumulated plastic strain；when the accumulated plastic strain reaches the critical value of 87.1×10-6 m/m，the interfacial micro-annulus leads to annular gas leakage；under cyclic loading of temperature，the cement sheath undergoes circumferential compressive strain，which increases the risk for occurrence of micro annulus.The study conclusions provide theoretical reference for field construction of multistage fracturing.

integrity of cement sheath；cyclic load；fiber Bragg grating；micro annulus；cycle index；multistage fracturing

0" 引" 言

多級(jí)分段壓裂是頁巖氣藏有效的開發(fā)方式。在壓裂過程中，由于套管內(nèi)的壓力和溫度不斷變化，水泥環(huán)時(shí)刻承受著交變的壓力和溫度載荷，其完整性面臨失效的風(fēng)險(xiǎn)［1-3］。水泥環(huán)的作用是對(duì)井中的不同流體（油、氣和水）進(jìn)行分層隔離，同時(shí)支撐管柱，并保護(hù)管柱免受腐蝕［4-6］。水泥環(huán)完整性失效可能導(dǎo)致環(huán)空帶壓、油氣泄漏或基礎(chǔ)設(shè)施破壞等嚴(yán)重問題［7-10］。因此，確定壓力和溫度變化對(duì)水泥環(huán)完整性的影響規(guī)律，保證水泥環(huán)完整性免受破壞，對(duì)于延長(zhǎng)頁巖氣井生產(chǎn)壽命至關(guān)重要。

目前針對(duì)上述問題許多學(xué)者開展了相應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究。初緯等［11］基于彈塑性理論建立了套管-水泥環(huán)-圍巖組力學(xué)分析模型，分析了內(nèi)壓變化對(duì)水泥環(huán)完整性的影響。席巖等［12］建立了考慮壓裂過程井筒溫度場(chǎng)的組合體數(shù)值模型，研究了水力壓裂過程水泥環(huán)的溫度變化及完整性。這些研究側(cè)重于水泥環(huán)在單次壓力或溫度變化下的完整性分析。為了研究循環(huán)載荷對(duì)水泥環(huán)完整性的影響，許多學(xué)者對(duì)水泥石進(jìn)行了材料力學(xué)試驗(yàn)［13-14］。上述工作獲得了大量研究成果，但材料尺度上的試驗(yàn)結(jié)果不能簡(jiǎn)單地用于評(píng)估真實(shí)井筒條件下水泥環(huán)的力學(xué)行為和完整性。由套管和地層約束引起的內(nèi)應(yīng)力等因素對(duì)于水泥環(huán)完整性的影響不應(yīng)忽視［15］。大型物理模擬試驗(yàn)裝置是解決上述問題的有效方法，其尺寸和實(shí)際井筒結(jié)構(gòu)一致，可模擬真實(shí)井筒，目前已有許多學(xué)者利用該方法對(duì)井筒完整性進(jìn)行了相關(guān)研究［16-18］。但由于測(cè)量方法等原因的限制，研究多集中在定性分析，或通過套管測(cè)量數(shù)據(jù)間接分析水泥環(huán)完整性。水泥環(huán)的溫度、應(yīng)變等信息未能直接獲取，故水泥環(huán)完整性和內(nèi)壓、溫度循環(huán)載荷的關(guān)系未能量化。

光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)是一種新型的測(cè)量方法，已成功應(yīng)用于土木工程、水利電力等多個(gè)領(lǐng)域［19］。光纖光柵傳感器通過檢測(cè)特定反射光的波長(zhǎng)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量［20］。光波的頻率遠(yuǎn)高于一般電磁輻射的頻率，因此光纖光柵具有良好的抗電磁干擾能力。并且光纖光柵傳感器體積小、便于固定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的無損測(cè)量。此外，光纖纖芯由二氧化硅制成，化學(xué)穩(wěn)定性高，適用于高溫高壓的測(cè)試環(huán)境。上述特點(diǎn)為光纖光柵在井下監(jiān)測(cè)水泥環(huán)提供了保障。

針對(duì)目前多級(jí)壓裂過程水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)方法的局限性，本文結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)和全尺寸物理模擬試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)獲得了水泥環(huán)在候凝階段和完井階段的溫度和應(yīng)變變化規(guī)律，分析了壓力和溫度循環(huán)載荷對(duì)水泥環(huán)完整性的影響，揭示了各階段水泥環(huán)完整性失效機(jī)理，量化了完整性失效時(shí)的水泥環(huán)應(yīng)變臨界值，可為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論參考。

1" 光纖光柵傳感原理

光纖光柵是由光敏光纖和周期性光柵組成的傳感器件（見圖1）。

光柵是光敏光纖被紫外激光源照射后，折射率發(fā)生變化的一段纖芯。當(dāng)寬帶光源通過傳感器時(shí)，具有特定波長(zhǎng)的入射光會(huì)被光纖光柵反射，而其余波長(zhǎng)的入射光均不受影響從而全部透過。此波長(zhǎng)為光纖光柵的中心波長(zhǎng)，其表達(dá)式如下［21］：

λB=2neffΛ（1）

式中：λB為光纖光柵的中心波長(zhǎng)，μm；neff為光纖纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期，μm。

當(dāng)應(yīng)變和溫度等外部環(huán)境物理量改變時(shí)，纖芯有效折射率和光柵周期隨之發(fā)生變化，從而引起光纖光柵的中心波長(zhǎng)的漂移，波長(zhǎng)漂移量與應(yīng)變和溫度變化量的關(guān)系為：

ΔλB/λB=1-peεzz+αs+ξsΔT（2）

式中：ΔλB為光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，μm;pe為有效光彈系數(shù);εzz為光纖光柵的軸向應(yīng)變;αs和ξs分別為光纖材料的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，℃-1;ΔT為溫度變化量，℃。

光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移與應(yīng)變和溫度變化量之間呈線性關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，通過傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量反射光的波長(zhǎng)并計(jì)算其變化量，進(jìn)而獲取光纖光柵測(cè)量對(duì)象的應(yīng)變和溫度變化量。

2" 模擬試驗(yàn)

2.1" 材料

試驗(yàn)中使用的水泥材料為G級(jí)油井水泥，水泥漿配方為：G級(jí)水泥+44%水，漿體密度為1.92 g/cm3。

2.2" 試驗(yàn)裝置

為了研究實(shí)際井筒條件下水泥環(huán)的力學(xué)行為，采用全尺寸物理模擬試驗(yàn)裝置（簡(jiǎn)稱試驗(yàn)裝置）進(jìn)行模擬試驗(yàn)。全尺寸物理模擬試驗(yàn)裝置及光纖光柵傳感器布置圖如圖2所示。

試驗(yàn)裝置由套管-水泥環(huán)-地層組合體，控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（見圖2a）。

套管-水泥環(huán)-地層組合體包括套管、水泥環(huán)和地層模擬管，組合體整體高度為1 000 mm。地層模擬管的內(nèi)徑（井眼直徑）為163.7 mm，外徑為263.7 mm，用于模擬實(shí)際地層的約束。套管參考現(xiàn)場(chǎng)常用尺寸，其內(nèi)徑為125.4 mm，管壁厚度為14.3 mm。地層模擬管的管壁處設(shè)置密封堵頭，堵頭上設(shè)置通道連接環(huán)空。組合體的上端和下端通過法蘭進(jìn)行密封。控制系統(tǒng)由壓力控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)組成。壓力控制系統(tǒng)分為環(huán)空壓力和套管內(nèi)壓力控制系統(tǒng)。環(huán)空壓力控制系統(tǒng)通過增壓泵和氣體管線將氮?dú)馄恐械臍怏w注入環(huán)空上部空間，用于評(píng)價(jià)水泥環(huán)完整性;套管內(nèi)壓力控制系統(tǒng)通過壓力泵和液體管線將水注入或抽出套管，以此控制套管內(nèi)壓力。溫度控制系統(tǒng)由套管內(nèi)置控溫系統(tǒng)和地層模擬管溫控系統(tǒng)組成，前者通過加熱或冷卻套管內(nèi)液體實(shí)現(xiàn)溫度控制，后者通過硅橡膠加熱帶模擬地層溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度計(jì)、壓力計(jì)、氣體流量計(jì)和光纖光柵傳感器組成。溫度計(jì)用于測(cè)量套管和地層模擬管的溫度；壓力計(jì)可測(cè)量套管內(nèi)壓力；氣體流量計(jì)可在水泥環(huán)完整性失效時(shí)檢測(cè)氣體流經(jīng)測(cè)量位置的流速；水泥環(huán)的溫度和應(yīng)變由光纖光柵傳感器測(cè)量。由于水泥環(huán)第一界面完整性失效風(fēng)險(xiǎn)較大，光纖光柵布置在水泥環(huán)第一界面處，布置圖如圖2b所示。氣體流量計(jì)和光纖光柵傳感器均通過堵頭的通道實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)空的監(jiān)測(cè)。

2.3" 試驗(yàn)方案與過程

將混合攪拌后的水泥漿體倒入試驗(yàn)裝置的環(huán)空，并確保光纖光柵傳感器被完全浸沒。參考昭通頁巖氣井的地層溫度，環(huán)空中的水泥漿體在50 ℃下固化養(yǎng)護(hù)72 h。在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，利用試驗(yàn)裝置分別開展內(nèi)壓循環(huán)載荷和溫度循環(huán)載荷試驗(yàn)。在內(nèi)壓循環(huán)載荷試驗(yàn)中，通過套管內(nèi)壓控制系統(tǒng)向套管內(nèi)壁施加壓力，模擬多級(jí)壓裂過程水泥環(huán)承受的壓力循環(huán)載荷。套管內(nèi)壓除首次從0升高至壓力上限，后續(xù)均在壓力上限和下限間循環(huán)變化。共進(jìn)行3類內(nèi)壓循環(huán)載荷試驗(yàn)，套管內(nèi)壓力上限分別為30、40和50 MPa，循環(huán)次數(shù)均為20次。溫度循環(huán)載荷試驗(yàn)通過溫度控制系統(tǒng)改變套管內(nèi)液體的溫度，模擬多級(jí)壓裂過程中水泥環(huán)承受的溫度循環(huán)載荷。在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，套管溫度由50 ℃降低至20 ℃，穩(wěn)定后再升高至50 ℃，往復(fù)循環(huán)20次。具體試驗(yàn)方案如表1所示。在養(yǎng)護(hù)和施加循環(huán)載荷階段，利用光纖光柵傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量水泥環(huán)的溫度和應(yīng)變。并在施加循環(huán)載荷過程中，采用氣泡監(jiān)測(cè)器和氣體流量計(jì)監(jiān)測(cè)水泥環(huán)完整性失效情況。最后根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)各階段水泥環(huán)完整性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，分析循環(huán)載荷對(duì)水泥環(huán)完整性的影響，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3" 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1" 水泥環(huán)候凝試驗(yàn)結(jié)果

候凝階段結(jié)束時(shí)，水泥環(huán)的狀態(tài)是后續(xù)的起點(diǎn)，對(duì)完井階段水泥環(huán)的完整性有重大影響。候凝階段水泥環(huán)第一界面的溫度變化如圖3所示。由圖3可知，在養(yǎng)護(hù)溫度和水泥水化作用的影響下，水泥環(huán)的溫度在前8 h迅速升高并達(dá)到峰值，峰值溫度為51.9 ℃。8 h之后，水泥環(huán)溫度逐漸下降并趨近于養(yǎng)護(hù)溫度。由于水泥環(huán)的厚度較小，在此過程產(chǎn)生的水化熱也較少。此外，水泥環(huán)與套管和地層緊密接觸，當(dāng)其溫度高于養(yǎng)護(hù)溫度時(shí)，內(nèi)部的熱量會(huì)快速向外界傳遞。因此，候凝階段水泥環(huán)峰值溫度與養(yǎng)護(hù)溫度相差不大，并且該結(jié)果低于水泥石材料試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果［22］。與材料試驗(yàn)相比，物理模擬試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果更適合用于評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)水泥環(huán)的早期性能。

during WOC stage

圖4為候凝階段水泥環(huán)第一界面周向應(yīng)變變化曲線。由圖4可知，與常規(guī)水泥材料在水化過程的自收縮不同，水泥環(huán)在候凝階段的周向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變。與溫度曲線趨勢(shì)相似，水泥環(huán)周向應(yīng)變?cè)诤蚰跗谘杆僭黾又练逯担?03.7×10-6 m/m），隨后逐漸下降并保持穩(wěn)定。候凝階段結(jié)束時(shí)水泥環(huán)的周向應(yīng)變值為359.9 ×10-6 m/m。水泥環(huán)在此階段有發(fā)生拉伸破壞的風(fēng)險(xiǎn)，且在第8 h發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

3.2" 內(nèi)壓循環(huán)載荷試驗(yàn)結(jié)果

內(nèi)壓循環(huán)載荷作用下環(huán)空氣體泄漏監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，在50 MPa內(nèi)壓載荷作用下，環(huán)空底部在第一次循環(huán)結(jié)束后沒有檢測(cè)到氣體泄漏。內(nèi)壓載荷循環(huán)作用7次后，在環(huán)空底部檢測(cè)到氣體，并且氣體流速在每次循環(huán)卸載過程升高，然后在加載過程降低至0。對(duì)于30和40 MPa內(nèi)壓載荷，在20次循環(huán)過程中沒有檢測(cè)到氣體泄漏，水泥環(huán)完整性保持良好（見圖5b、圖5c）。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥環(huán)在內(nèi)壓循環(huán)載荷作用下完整性失效的原因不是自身發(fā)生了拉伸或剪切破壞;否則，在首次內(nèi)壓載荷升至最大值時(shí)，環(huán)空底部應(yīng)檢測(cè)到氣體泄漏。導(dǎo)致水泥環(huán)完整性失效的原因可能是界面產(chǎn)生了微環(huán)隙。微環(huán)隙在卸載過程不斷擴(kuò)展，因此在7次循環(huán)后才檢測(cè)到氣體泄漏，并且流速隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。而在加載過程，微環(huán)隙在套管擠壓下逐漸閉合，導(dǎo)致氣體流速在每個(gè)循環(huán)中會(huì)逐漸降低。

為了便于分析，以候凝階段結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值為初始值，水泥環(huán)第一界面周向應(yīng)變?cè)?種內(nèi)壓循環(huán)載荷作用下的增量變化規(guī)律如圖6所示。

測(cè)量結(jié)果表明，完井階段套管內(nèi)壓的增加使水泥環(huán)在周向產(chǎn)生拉應(yīng)變。周向拉應(yīng)變隨套管內(nèi)壓的增大而增加。此外，在30 MPa內(nèi)壓循環(huán)載荷作用下，水泥環(huán)未產(chǎn)生塑性變形（見圖6c）。而對(duì)于40和50 MPa內(nèi)壓載荷，水泥環(huán)在其作用下產(chǎn)生了塑性應(yīng)變（見圖6a、圖6b）。

圖7為3個(gè)內(nèi)壓載荷作用下的水泥環(huán)在各循環(huán)后的累積塑性應(yīng)變。累積塑性應(yīng)變等于各循環(huán)下限處對(duì)應(yīng)的應(yīng)變（總變形）減去30 MPa內(nèi)壓載荷各循環(huán)下限處對(duì)應(yīng)的應(yīng)變（彈性變形）。由圖7可知，塑性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，在相同循環(huán)次數(shù)時(shí)，內(nèi)壓載荷越大，累積塑性應(yīng)變?cè)酱蟆Ｓ捎谒苄詰?yīng)變無法恢復(fù)，在卸載階段，套管和水泥環(huán)界面將產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力，且該應(yīng)力隨著塑性應(yīng)變的累積不斷增大。當(dāng)徑向拉應(yīng)力超過界面膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生界面微環(huán)隙。微環(huán)隙產(chǎn)生后，套管和水泥環(huán)的變形不再同步，導(dǎo)致氣體泄漏后水泥環(huán)累積塑性應(yīng)變值有波動(dòng)。這一結(jié)果也驗(yàn)證了上文關(guān)于水泥環(huán)失效原因的結(jié)論。當(dāng)累積塑性應(yīng)變繼續(xù)增加并達(dá)到一臨界值時(shí)，即微環(huán)隙寬度滿足環(huán)空氣體流通條件時(shí)，將發(fā)生氣竄。為了量化氣竄時(shí)累積塑性應(yīng)變的臨界值，根據(jù)氣體泄漏檢測(cè)和應(yīng)變測(cè)量結(jié)果可知，當(dāng)內(nèi)壓載荷為50 MPa時(shí)，經(jīng)過7次循環(huán)加卸載，累積塑性應(yīng)變?yōu)?10.6×10-6 m/m。考慮水泥環(huán)的完整性，將第6次循環(huán)結(jié)束時(shí)的累積塑性應(yīng)變作為臨界值，即87.1×10-6 m/m。該值大于40 MPa內(nèi)壓載荷作用20次后的累積塑性應(yīng)變29.8×10-6 m/m，表明了結(jié)果的可靠性。

3.3" 溫度循環(huán)載荷試驗(yàn)結(jié)果

在溫度循環(huán)載荷作用下，水泥環(huán)第一界面溫度變化曲線和氣體泄漏情況如圖8所示。在此過程中地層模擬管溫度保持50 ℃不變。由圖8可知，水泥環(huán)在此過程中沒有發(fā)生氣體泄漏。水泥環(huán)溫度最高值和最低值在前10次循環(huán)中降低較快，然后緩慢降低。20次循環(huán)后，水泥環(huán)在降溫過程的最低溫度為22.3 ℃，比套管最低溫度高2.3 ℃；水泥環(huán)在升溫過程的最高溫度為46.2 ℃，比套管最高溫度低3.8 ℃。這是由于套管與液體直接接觸，并且水泥環(huán)與溫度保持不變的地層貼近，導(dǎo)致同一時(shí)刻套管和水泥環(huán)的溫度存在差異。因此，在分析水泥環(huán)完整性時(shí)，不能把套管和水泥環(huán)的溫度假設(shè)為一致，否則會(huì)錯(cuò)誤評(píng)估完井階段水泥環(huán)的完整性。

以候凝階段結(jié)束時(shí)記錄的應(yīng)變值為初始值，在溫度循環(huán)載荷作用下水泥環(huán)第一界面周向應(yīng)變?cè)隽孔兓€如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度下降使水泥環(huán)周向應(yīng)變減小，溫度升高使水泥環(huán)周向應(yīng)變?cè)黾樱谡麄€(gè)溫度載荷循環(huán)過程中水泥環(huán)周向應(yīng)變均為壓應(yīng)變。此外，水泥環(huán)在降溫過程中的最小壓應(yīng)變和升溫過程中的最大壓應(yīng)變均隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低。20次循環(huán)后，水泥環(huán)在降溫階段結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值為-435.2×10-6 m/m，在升溫階段結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值為-93.2×10-6 m/m。

在溫度循環(huán)過程中，套管和水泥環(huán)的體積始終處于收縮狀態(tài)，此收縮會(huì)在套管-水泥環(huán)-地層組合體中產(chǎn)生熱應(yīng)力（見圖10）。該應(yīng)力使水泥環(huán)第一界面產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力和周向拉應(yīng)力，并且拉應(yīng)力會(huì)隨溫度下降量的增大而增加。在升溫過程中，拉應(yīng)力逐漸減小。在整個(gè)溫度載荷循環(huán)過程中，拉應(yīng)力反復(fù)增大減小，導(dǎo)致套管-水泥環(huán)界面的力學(xué)性能逐漸下降，水泥環(huán)完整性失效風(fēng)險(xiǎn)增大。此外，在完井階段，套管壓力和溫度同時(shí)改變，故在分析時(shí)應(yīng)綜合考慮這2種循環(huán)載荷的影響，否則水泥環(huán)的完整性可能會(huì)被高估。

4" 結(jié)" 論

基于全尺寸物理模擬試驗(yàn)裝置和光纖光柵傳感技術(shù)，提出了循環(huán)載荷作用下水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)方法，獲得了水泥環(huán)在候凝階段和完井階段的溫度和應(yīng)變變化規(guī)律，分析了壓力和溫度循環(huán)載荷對(duì)水泥環(huán)完整性的影響。

（1）在候凝階段，水泥環(huán)內(nèi)部溫度在澆筑后的8 h內(nèi)迅速上升，峰值溫度僅比養(yǎng)護(hù)溫度高1.9 ℃。水泥環(huán)在此階段產(chǎn)生的最大周向拉應(yīng)變可達(dá)403.7×10-6 m/m。與材料試驗(yàn)相比，物理模擬試驗(yàn)的結(jié)果更適合于評(píng)估水泥環(huán)的早期力學(xué)性能。

（2）在完井階段，套管內(nèi)壓載荷的增加使水泥環(huán)產(chǎn)生周向拉應(yīng)變。當(dāng)內(nèi)壓載荷較高時(shí)，水泥環(huán)產(chǎn)生了塑性應(yīng)變。隨著內(nèi)壓載荷及其循環(huán)次數(shù)的增加，塑性應(yīng)變不斷累積。當(dāng)累積塑性應(yīng)變達(dá)到臨界值87.1×10-6 m/m時(shí)，套管-水泥環(huán)界面微環(huán)隙會(huì)導(dǎo)致環(huán)空氣體泄漏。

（3）在完井階段的溫度循環(huán)載荷作用過程中，同一時(shí)刻水泥環(huán)與套管的溫度不同，水泥環(huán)周向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，隨著溫度載荷循環(huán)次數(shù)的增加，在降溫和升溫階段結(jié)束時(shí)的應(yīng)變逐漸降低。20次循環(huán)后，水泥環(huán)的壓應(yīng)變可達(dá)-435.2×10-6 m/m。此收縮會(huì)使水泥環(huán)第一界面產(chǎn)生徑向和周向拉應(yīng)力，導(dǎo)致水泥環(huán)完整性失效風(fēng)險(xiǎn)增大。

［1］" 高德利，劉奎．頁巖氣井井筒完整性若干研究進(jìn)展［J］．石油與天然氣地質(zhì)，2019，40（3）：602-615．

GAO D L，LIU K.Progresses in shale gas well integrity research［J］.Oil amp; Gas Geology，2019，40（3）： 602-615.

［2］" 竇益華，楊鵬，張明友，等．射孔測(cè)試改造聯(lián)作套管強(qiáng)度熱結(jié)構(gòu)耦合分析［J］．石油機(jī)械，2010，38（12）：46-48，76．

DOU Y H，YANG P，ZHANG M Y，et al.Thermal structural coupling analysis on casing strength during perforation reformation［J］.China Petroleum Machinery，2010，38（12）： 46-48，76.

［3］" 楊廣國(guó)，劉奎，曾夏茂，等．頁巖氣井套管內(nèi)壓周期變化對(duì)水泥環(huán)密封失效的實(shí)驗(yàn)研究［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（13）：5311-5317．

YANG G G，LIU K，ZENG X M，et al.Experimental analysis and discussion on cement sheath failure caused by the varied casing internal pressure in shale gas wells［J］.Science Technology and Engineering，2021，21（13）： 5311-5317.

［4］" GHABEZLOO S，SULEM J.Guédon S，et al.Poromechanical behaviour of hardened cement paste under isotropic loading［J］.Cement and Concrete Research，2008，38（12）： 1424-1437.

［5］" 孫世安，校云鵬，費(fèi)逸偉，等．聚合物水泥基復(fù)合材料的防腐性能研究［J］．表面技術(shù)，2012，41（5）：60-63．

SUN S A，JIAO Y P，F(xiàn)EI Y W，et al.Research on anti-corrosion properties of polymer cement-based composite material［J］.Surface Technology，2012，41（5）： 60-63.

［6］" BOIS A P，VU M H，GHABEZLOO S，et al.Cement sheath integrity for CO2 storage-an integrated perspective［J］.Energy Procedia，2013，37： 5628-5641.

［7］" 田中蘭，石林，喬磊．頁巖氣水平井井筒完整性問題及對(duì)策［J］．天然氣工業(yè)，2015，35（9）：70-76．

TIAN Z L，SHI L，QIAO L.Research of and countermeasure for wellbore integrity of shale gas horizontal well［J］.Natural Gas Industry，2015，35（9）： 70-76.

［8］" 路保平．中國(guó)石化石油工程技術(shù)新進(jìn)展與發(fā)展建議［J］．石油鉆探技術(shù)，2021，49（1）：1-10．

LU B P.New progress and development proposals of sinopecs petroleum engineering technologies［J］.Petroleum Drilling Techniques，2021，49（1）： 1-10.

［9］" BENTUR A.Effect of curing temperature on the pore structure of tricalcium silicate pastes［J］.Journal of Colloid and Interface Science，1980，74（2）： 549-560.

［10］" KJELLSEN K O，DETWILER R J，GJRV O E.Pore structure of plain cement pastes hydrated at different temperatures［J］.Cement and Concrete Research，1990，20（6）： 927-933.

［11］" 初緯，沈吉云，楊云飛，等．連續(xù)變化內(nèi)壓下套管-水泥環(huán)-圍巖組合體微環(huán)隙計(jì)算［J］．石油勘探與開發(fā)，2015，42（3）：379-385．

CHU W，SHEN J Y，YANG Y F，et al.Calculation of micro-annulus size in casing-cement sheath-formation system under continuous internal casing pressure change［J］.Petroleum Exploration and Development，2015，42（3）： 379-385.

［12］" 席巖，李軍，柳貢慧，等．頁巖氣水平井壓裂過程中水泥環(huán)完整性分析［J］．石油科學(xué)通報(bào)，2019，4（1）：57-68．

XI Y，LI J，LIU G H，et al.Research into cement sheath integrity during multistage hydraulic fracturing in shale gas wells［J］.Petroleum Science Bulletin，2019，4（1）： 57-68.

［13］" 席巖，李軍，陶謙，等．循環(huán)載荷作用下微環(huán)隙的產(chǎn)生及演變［J］．?dāng)鄩K油氣田，2020，27（4）：522-527．

XI Y，LI J，TAO Q，et al.Emergence and evolution of micro-annulus under cyclic loading［J］.Fault-Block Oil and Gas Field，2020，27（4）： 522-527.

［14］" 李奇璇，連威，嚴(yán)攀，等．熱交變循環(huán)對(duì)水泥石動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)的影響研究［J］．鉆采工藝，2020，43（3）：7-9．

LI Q X，LIAN W，YAN P，et al.Study on the effect of heat alternating cycle on dynamic elastic parameter of cement stone［J］.Drilling amp; Production Technology，2020，43（3）： 7-9.

［15］" CHEN S，JIN J Z，SHEN J Y，et al.Monitoring evolution of temperature and strain in cement sheath using embedded optical fiber Bragg gratings［J］.SPE Journal，2023，28（1）： 19-31.

［16］" 吳彥先，晁明哲，王雪剛，等．基于循環(huán)加載測(cè)試的水泥環(huán)抗竄能力試驗(yàn)評(píng)價(jià)［J］．石油機(jī)械，2021，49（9）：61-65．

WU Y X，CHAO M Z，WANG X G，et al.Experimental evaluation on anti-channeling ability of cement sheath based on cyclic loading test［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（9）： 61-65.

［17］" 林元華，鄧寬海，易浩，等．強(qiáng)交變熱載荷下頁巖氣井水泥環(huán)完整性測(cè)試［J］．天然氣工業(yè)，2020，40（5）：81-88．

LIN Y H，DENG K H，YI H，et al.Integrity tests of cement sheath for shale gas wells under strong alternating thermal loads［J］.Natural Gas Industry，2020，40（5）： 81-88.

［18］" 關(guān)志剛，廖華林，林志偉，等．循環(huán)加載下水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置［J］．石油機(jī)械，2021，49（5）：48-53．

GUAN Z G，LIAO H L，LIN Z W，et al.Test device for evaluating cement sheath seal integrity under cyclic loading［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（5）： 48-53.

［19］" 徐國(guó)權(quán)，熊代余．光纖光柵傳感技術(shù)在工程中的應(yīng)用［J］．中國(guó)光學(xué)，2013，6（3）：306-317．

XU G Q，XIONG D Y.Applications of fiber Bragg grating sensing technology in engineering［J］.Chinese Optics，2013，6（3）： 306-317.

［20］" HILL K O，MELTZ G.Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview［J］.Journal of Lightwave Technology，1997，15（8）： 1263-1276.

［21］" MELTZ G，MOREY W W，GLENN W H.Formation of bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method［J］.Optics Letters，1989，14（15）： 823-825.

［22］" WU Q，NAIR S，SHUCK M，et al.Advanced distributed fiber optic sensors for monitoring real-time cementing operations and long term zonal isolation［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2017，158： 479-493.

第一陳碩，生于1993年，現(xiàn)為在讀博士研究生，研究方向?yàn)槭凸こ處r石力學(xué)與井筒完整性。地址：（102249）北京市昌平區(qū)。email：825514704@qq.com。2024-01-17楊曉峰