不均匀载荷下天然气井井身结构力学性能试验研究

作     者：李东印 李明亮 王文 郝育喜 王伸 李红斌 

作者机构：河南理工大学能源科学与工程学院 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心 中原工学院智能建造与建筑工程学院 

出 版 物：《煤炭科学技术》 (Coal Science and Technology)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主　　题：不均匀载荷 井身结构 力学性能 数字图像相关法 径向压缩破坏 

摘      要：在天然气与煤炭资源叠置区中，高强度的煤层开采造成的覆岩运移使保护煤柱内的天然气井井身结构发生径向挤压变形甚至破坏，从破坏区域扩散的天然气极易导致煤矿矿井发生火灾爆炸或人员中毒事故。为探明在天然气与煤炭交叉开采影响下，天然气井井身结构受到不均匀载荷时的力学性能，依据井身结构设计4类套管-水泥环组合体，将天然气井井身结构复杂的径向应力模型简化为单向受力模型，并利用数字图像相关法（DIC）技术和RMT-150岩石力学实验仪开展套管-水泥环组合体的径向压缩试验和DIC测试试验，最后从不同材料的变形速率和力的传递规律角度对井身结构力学性能机理进行分析。结果表明：最外层为套管的井身结构，其力学性能显著优于最外层为水泥环的井身结构，井身结构的力学性能与材料的变形速率以及力的传递规律密切相关；组合体试件在受到外力作用时，力的传递规律呈现出由外至内逐渐减小的特点，试件最外层受到的力最大；当井身结构最外层为水泥环时，结构整体呈脆性，由于水泥环的变形速率大于套管导致水泥环和套管胶结面处出现裂缝，在拉应力作用下水泥环易发生脆性断裂；当井身结构最外层为套管时，结构整体呈弹塑性，在载荷作用下外层套管先发生压缩变形，内部水泥环在套管的挤压作用下产生内部裂隙，但在套管的约束下未出现断裂，试件整体呈径向压缩变形破坏。