










基金項目:國家自然科學基金項目“不同含水條件頁巖力學變形、損傷及破壞機理多尺度研究”(51809275)。
陳碩,王琳琳.循環載荷作用下水泥環完整性試驗研究107-113
Chen Shuo,Wang Linlin.Experimental study on the integrity of cement sheath under cyclic loading107-113
在頁巖氣井多級壓裂過程中,從地下很難直接獲取水泥環溫度和應變等用于評估其完整性的信息。為此,結合光纖光柵傳感技術和全尺寸物理模擬試驗裝置,通過試驗獲得了水泥環在候凝階段和完井階段的溫度和應變變化規律,分析了壓力和溫度循環載荷對水泥環完整性的影響。研究結果表明:在候凝階段,水泥環峰值溫度比養護溫度高1.9 ℃,水泥環周向應變為拉應變,最大值為403.7×10-6 m/m;在完井階段,在40和50 MPa內壓循環載荷作用下,水泥環產生塑性應變并不斷累積,當累積塑性應變達到臨界值87.1×10-6 m/m時,界面微環隙會導致環空氣體泄漏;在溫度循環載荷作用下,水泥環產生周向壓應變,該收縮會在第一界面產生周向和徑向拉應力,導致出現微環隙的風險增加。研究結論可為多級壓裂現場施工提供理論參考。
水泥環完整性;循環載荷;光纖光柵;微環隙;循環次數;多級壓裂
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
多級分段壓裂是頁巖氣藏有效的開發方式。在壓裂過程中,由于套管內的壓力和溫度不斷變化,水泥環時刻承受著交變的壓力和溫度載荷,其完整性面臨失效的風險[1-3]。水泥環的作用是對井中的不同流體(油、氣和水)進行分層隔離,同時支撐管柱,并保護管柱免受腐蝕[4-6]。水泥環完整性失效可能導致環空帶壓、油氣泄漏或基礎設施破壞等嚴重問題[7-10]。因此,確定壓力和溫度變化對水泥環完整性的影響規律,保證水泥環完整性免受破壞,對于延長頁巖氣井生產壽命至關重要。
目前針對上述問題許多學者開展了相應的理論和試驗研究。初緯等[11]基于彈塑性理論建立了套管-水泥環-圍巖組力學分析模型,分析了內壓變化對水泥環完整性的影響。席巖等[12]建立了考慮壓裂過程井筒溫度場的組合體數值模型,研究了水力壓裂過程水泥環的溫度變化及完整性。這些研究側重于水泥環在單次壓力或溫度變化下的完整性分析。為了研究循環載荷對水泥環完整性的影響,許多學者對水泥石進行了材料力學試驗[13-14]。上述工作獲得了大量研究成果,但材料尺度上的試驗結果不能簡單地用于評估真實井筒條件下水泥環的力學行為和完整性。由套管和地層約束引起的內應力等因素對于水泥環完整性的影響不應忽視[15]。大型物理模擬試驗裝置是解決上述問題的有效方法,其尺寸和實際井筒結構一致,可模擬真實井筒,目前已有許多學者利用該方法對井筒完整性進行了相關研究[16-18]。但由于測量方法等原因的限制,研究多集中在定性分析,或通過套管測量數據間接分析水泥環完整性。水泥環的溫度、應變等信息未能直接獲取,故水泥環完整性和內壓、溫度循環載荷的關系未能量化。
光纖光柵(FBG)傳感技術是一種新型的測量方法,已成功應用于土木工程、水利電力等多個領域[19]。光纖光柵傳感器通過檢測特定反射光的波長變化實現對物理量的測量[20]。光波的頻率遠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,可實現對物體的無損測量。此外,光纖纖芯由二氧化硅制成,化學穩定性高,適用于高溫高壓的測試環境。上述特點為光纖光柵在井下監測水泥環提供了保障。
針對目前多級壓裂過程水泥環完整性評價方法的局限性,本文結合光纖光柵傳感技術和全尺寸物理模擬試驗裝置,通過試驗獲得了水泥環在候凝階段和完井階段的溫度和應變變化規律,分析了壓力和溫度循環載荷對水泥環完整性的影響,揭示了各階段水泥環完整性失效機理,量化了完整性失效時的水泥環應變臨界值,可為現場施工提供理論參考。
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,折射率發生變化的一段纖芯。當寬帶光源通過傳感器時,具有特定波長的入射光會被光纖光柵反射,而其余波長的入射光均不受影響從而全部透過。此波長為光纖光柵的中心波長,其表達式如下[21]:
λB=2neffΛ(1)
式中:λB為光纖光柵的中心波長,μm;neff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期,μm。
當應變和溫度等外部環境物理量改變時,纖芯有效折射率和光柵周期隨之發生變化,從而引起光纖光柵的中心波長的漂移,波長漂移量與應變和溫度變化量的關系為:
ΔλB/λB=1-peεzz+αs+ξsΔT(2)
式中:ΔλB為光纖光柵中心波長的漂移,μm;pe為有效光彈系數;εzz為光纖光柵的軸向應變;αs和ξs分別為光纖材料的熱膨脹系數和熱光系數,℃-1;ΔT為溫度變化量,℃。
光纖光柵中心波長的漂移與應變和溫度變化量之間呈線性關系,在實際應用中,通過傳感器可實時測量反射光的波長并計算其變化量,進而獲取光纖光柵測量對象的應變和溫度變化量。
2" 模擬試驗
2.1" 材料
試驗中使用的水泥材料為G級油井水泥,水泥漿配方為:G級水泥+44%水,漿體密度為1.92 g/cm3。
2.2" 試驗裝置
為了研究實際井筒條件下水泥環的力學行為,采用全尺寸物理模擬試驗裝置(簡稱試驗裝置)進行模擬試驗。全尺寸物理模擬試驗裝置及光纖光柵傳感器布置圖如圖2所示。
試驗裝置由套管-水泥環-地層組合體,控制系統和數據采集系統組成(見圖2a)。
套管-水泥環-地層組合體包括套管、水泥環和地層模擬管,組合體整體高度為1 000 mm。地層模擬管的內徑(井眼直徑)為163.7 mm,外徑為263.7 mm,用于模擬實際地層的約束。套管參考現場常用尺寸,其內徑為125.4 mm,管壁厚度為14.3 mm。地層模擬管的管壁處設置密封堵頭,堵頭上設置通道連接環空。組合體的上端和下端通過法蘭進行密封。控制系統由壓力控制系統和溫度控制系統組成。壓力控制系統分為環空壓力和套管內壓力控制系統。環空壓力控制系統通過增壓泵和氣體管線將氮氣瓶中的氣體注入環空上部空間,用于評價水泥環完整性;套管內壓力控制系統通過壓力泵和液體管線將水注入或抽出套管,以此控制套管內壓力。溫度控制系統由套管內置控溫系統和地層模擬管溫控系統組成,前者通過加熱或冷卻套管內液體實現溫度控制,后者通過硅橡膠加熱帶模擬地層溫度。數據采集系統由溫度計、壓力計、氣體流量計和光纖光柵傳感器組成。溫度計用于測量套管和地層模擬管的溫度;壓力計可測量套管內壓力;氣體流量計可在水泥環完整性失效時檢測氣體流經測量位置的流速;水泥環的溫度和應變由光纖光柵傳感器測量。由于水泥環第一界面完整性失效風險較大,光纖光柵布置在水泥環第一界面處,布置圖如圖2b所示。氣體流量計和光纖光柵傳感器均通過堵頭的通道實現對環空的監測。
2.3" 試驗方案與過程
將混合攪拌后的水泥漿體倒入試驗裝置的環空,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,環空中的水泥漿體在50 ℃下固化養護72 h。在養護結束后,利用試驗裝置分別開展內壓循環載荷和溫度循環載荷試驗。在內壓循環載荷試驗中,通過套管內壓控制系統向套管內壁施加壓力,模擬多級壓裂過程水泥環承受的壓力循環載荷。套管內壓除首次從0升高至壓力上限,后續均在壓力上限和下限間循環變化。共進行3類內壓循環載荷試驗,套管內壓力上限分別為30、40和50 MPa,循環次數均為20次。溫度循環載荷試驗通過溫度控制系統改變套管內液體的溫度,模擬多級壓裂過程中水泥環承受的溫度循環載荷。在養護結束后,套管溫度由50 ℃降低至20 ℃,穩定后再升高至50 ℃,往復循環20次。具體試驗方案如表1所示。在養護和施加循環載荷階段,利用光纖光柵傳感器實時測量水泥環的溫度和應變。并在施加循環載荷過程中,采用氣泡監測器和氣體流量計監測水泥環完整性失效情況。最后根據測量結果,對各階段水泥環完整性進行定量評價,分析循環載荷對水泥環完整性的影響,為現場應用提供理論依據。
3" 試驗結果與討論
3.1" 水泥環候凝試驗結果
候凝階段結束時,水泥環的狀態是后續的起點,對完井階段水泥環的完整性有重大影響。候凝階段水泥環第一界面的溫度變化如圖3所示。由圖3可知,在養護溫度和水泥水化作用的影響下,水泥環的溫度在前8 h迅速升高并達到峰值,峰值溫度為51.9 ℃。8 h之后,水泥環溫度逐漸下降并趨近于養護溫度。由于水泥環的厚度較小,在此過程產生的水化熱也較少。此外,水泥環與套管和地層緊密接觸,當其溫度高于養護溫度時,內部的熱量會快速向外界傳遞。因此,候凝階段水泥環峰值溫度與養護溫度相差不大,并且該結果低于水泥石材料試驗的測量結果[22]。與材料試驗相比,物理模擬試驗的測量結果更適合用于評估現場水泥環的早期性能。
during WOC stage
圖4為候凝階段水泥環第一界面周向應變變化曲線。由圖4可知,與常規水泥材料在水化過程的自收縮不同,水泥環在候凝階段的周向應變為拉應變。與溫度曲線趨勢相似,水泥環周向應變在候凝初期迅速增加至峰值(403.7×10-6 m/m),隨后逐漸下降并保持穩定。候凝階段結束時水泥環的周向應變值為359.9 ×10-6 m/m。水泥環在此階段有發生拉伸破壞的風險,且在第8 h發生破壞的風險最大。
3.2" 內壓循環載荷試驗結果
內壓循環載荷作用下環空氣體泄漏監測結果如圖5所示。由圖5a可知,在50 MPa內壓載荷作用下,環空底部在第一次循環結束后沒有檢測到氣體泄漏。內壓載荷循環作用7次后,在環空底部檢測到氣體,并且氣體流速在每次循環卸載過程升高,然后在加載過程降低至0。對于30和40 MPa內壓載荷,在20次循環過程中沒有檢測到氣體泄漏,水泥環完整性保持良好(見圖5b、圖5c)。試驗結果表明,水泥環在內壓循環載荷作用下完整性失效的原因不是自身發生了拉伸或剪切破壞;否則,在首次內壓載荷升至最大值時,環空底部應檢測到氣體泄漏。導致水泥環完整性失效的原因可能是界面產生了微環隙。微環隙在卸載過程不斷擴展,因此在7次循環后才檢測到氣體泄漏,并且流速隨著循環次數的增加而增加。而在加載過程,微環隙在套管擠壓下逐漸閉合,導致氣體流速在每個循環中會逐漸降低。
為了便于分析,以候凝階段結束時的應變值為初始值,水泥環第一界面周向應變在3種內壓循環載荷作用下的增量變化規律如圖6所示。
測量結果表明,完井階段套管內壓的增加使水泥環在周向產生拉應變。周向拉應變隨套管內壓的增大而增加。此外,在30 MPa內壓循環載荷作用下,水泥環未產生塑性變形(見圖6c)。而對于40和50 MPa內壓載荷,水泥環在其作用下產生了塑性應變(見圖6a、圖6b)。
圖7為3個內壓載荷作用下的水泥環在各循環后的累積塑性應變。累積塑性應變等于各循環下限處對應的應變(總變形)減去30 MPa內壓載荷各循環下限處對應的應變(彈性變形)。由圖7可知,塑性應變隨循環次數增加而增大,在相同循環次數時,內壓載荷越大,累積塑性應變越大。由于塑性應變無法恢復,在卸載階段,套管和水泥環界面將產生徑向拉應力,且該應力隨著塑性應變的累積不斷增大。當徑向拉應力超過界面膠結強度時,將產生界面微環隙。微環隙產生后,套管和水泥環的變形不再同步,導致氣體泄漏后水泥環累積塑性應變值有波動。這一結果也驗證了上文關于水泥環失效原因的結論。當累積塑性應變繼續增加并達到一臨界值時,即微環隙寬度滿足環空氣體流通條件時,將發生氣竄。為了量化氣竄時累積塑性應變的臨界值,根據氣體泄漏檢測和應變測量結果可知,當內壓載荷為50 MPa時,經過7次循環加卸載,累積塑性應變為110.6×10-6 m/m。考慮水泥環的完整性,將第6次循環結束時的累積塑性應變作為臨界值,即87.1×10-6 m/m。該值大于40 MPa內壓載荷作用20次后的累積塑性應變29.8×10-6 m/m,表明了結果的可靠性。
3.3" 溫度循環載荷試驗結果
在溫度循環載荷作用下,水泥環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,水泥環在此過程中沒有發生氣體泄漏。水泥環溫度最高值和最低值在前10次循環中降低較快,然后緩慢降低。20次循環后,水泥環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,并且水泥環與溫度保持不變的地層貼近,導致同一時刻套管和水泥環的溫度存在差異。因此,在分析水泥環完整性時,不能把套管和水泥環的溫度假設為一致,否則會錯誤評估完井階段水泥環的完整性。
以候凝階段結束時記錄的應變值為初始值,在溫度循環載荷作用下水泥環第一界面周向應變增量變化曲線如圖9所示。試驗結果表明,溫度下降使水泥環周向應變減小,溫度升高使水泥環周向應變增加,但在整個溫度載荷循環過程中水泥環周向應變均為壓應變。此外,水泥環在降溫過程中的最小壓應變和升溫過程中的最大壓應變均隨循環次數的增加而降低。20次循環后,水泥環在降溫階段結束時的應變值為-435.2×10-6 m/m,在升溫階段結束時的應變值為-93.2×10-6 m/m。
在溫度循環過程中,套管和水泥環的體積始終處于收縮狀態,此收縮會在套管-水泥環-地層組合體中產生熱應力(見圖10)。該應力使水泥環第一界面產生徑向拉應力和周向拉應力,并且拉應力會隨溫度下降量的增大而增加。在升溫過程中,拉應力逐漸減小。在整個溫度載荷循環過程中,拉應力反復增大減小,導致套管-水泥環界面的力學性能逐漸下降,水泥環完整性失效風險增大。此外,在完井階段,套管壓力和溫度同時改變,故在分析時應綜合考慮這2種循環載荷的影響,否則水泥環的完整性可能會被高估。
4" 結" 論
基于全尺寸物理模擬試驗裝置和光纖光柵傳感技術,提出了循環載荷作用下水泥環完整性評價方法,獲得了水泥環在候凝階段和完井階段的溫度和應變變化規律,分析了壓力和溫度循環載荷對水泥環完整性的影響。
(1)在候凝階段,水泥環內部溫度在澆筑后的8 h內迅速上升,峰值溫度僅比養護溫度高1.9 ℃。水泥環在此階段產生的最大周向拉應變可達403.7×10-6 m/m。與材料試驗相比,物理模擬試驗的結果更適合于評估水泥環的早期力學性能。
(2)在完井階段,套管內壓載荷的增加使水泥環產生周向拉應變。當內壓載荷較高時,水泥環產生了塑性應變。隨著內壓載荷及其循環次數的增加,塑性應變不斷累積。當累積塑性應變達到臨界值87.1×10-6 m/m時,套管-水泥環界面微環隙會導致環空氣體泄漏。
(3)在完井階段的溫度循環載荷作用過程中,同一時刻水泥環與套管的溫度不同,水泥環周向應變為壓應變,隨著溫度載荷循環次數的增加,在降溫和升溫階段結束時的應變逐漸降低。20次循環后,水泥環的壓應變可達-435.2×10-6 m/m。此收縮會使水泥環第一界面產生徑向和周向拉應力,導致水泥環完整性失效風險增大。
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第一陳碩,生于1993年,現為在讀博士研究生,研究方向為石油工程巖石力學與井筒完整性。地址:(102249)北京市昌平區。email:825514704@qq.com。2024-01-17楊曉峰