CCUS地质封存下水泥环密封完整性失效机理及控制措施

作     者：周念涛 邓宽海 陈修平 林元华 晏凯 梅宗清 ZHOU Nian-tao;DENG Kuan-hai;CHEN Xiu-ping;LIN Yuan-hua;YAN Kai;MEI Zong-qing

作者机构：西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500 中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院乌鲁木齐830011 四川华宇石油钻采装备有限公司泸州646000 

出 版 物：《科学技术与工程》 (Science Technology and Engineering)

年 卷 期：2023年第23卷第36期

页      面：15448-15455页

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金(52074232) 四川省自然科学基金重点项目(2022NSFSC0028,2022NSFSC0994) 

主　　题：水泥环密封完整性 水泥环力学性能 失效机理 交变压力 控制措施 

摘      要：CO_(2)封存过程中,水泥环作为套管-水泥环-地层组合体中最薄弱的环节,在压力变化尤其是交变压力的作用下,水泥环密封完整性失效的风险极大,其完整性失效容易导致CO_(2)从环空中泄露至地表,严重影响CO_(2)的封存。基于已建立的水泥环组合体弹塑性模型,利用MATLAB进行模拟分析,研究全井段水泥环密封完整性失效机理以及相应的控制措施。结果表明:水泥环密封完整性失效主要与水泥环进入塑性产生的塑性应变累积有关,并且无论是在浅层段还是深层段,只要水泥环进入塑性,在多次交变压力的作用下,就有产生“界面应力反转的风险,导致水泥环密封完整性的失效。要想避免水泥环密封完整性的失效,应首先避免水泥环进入塑性状态,即提高水泥环屈服内压;浅层段,低弹性模量的水泥环可增加水泥环屈服内压;深层段,在水泥环泊松比“临界点之上,降低水泥环弹性模量可有效提高水泥环屈服内压,在水泥环泊松比“临界点之下,增加水泥环弹性模量可提高水泥环屈服内压。当由于套管压力过大,水泥环不得不进入塑性状态时,低弹性模量和高泊松比的水泥环可以降低卸载后的水泥环残余应力,延缓“界面应力反转现象的发生。