高温固井水泥石力学变形及材料改性效果研究

作     者：肖夏 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李早元;梁红军

授予年度：2018年

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] 

主      题：固井水泥石 高温 力学变形 材料改性 力学封固完整性 

摘      要：油井水泥环的密封完整性是实现油气正常开采和增产的前提,是延长油气井生产寿命的保障。在油气井施工及生产过程中,水泥环将承受各种来自于套管及地层的应力作用,要求水泥环具有良好的力学变形能力,以至于不会轻易遭受损坏。一旦水泥环完整性遭受破坏,轻则影响油气的开采效率,重则引发施工事故,危及施工安全。随着勘探开发技术的日趋成熟,高温深井越来越多的出现在勘探开发的任务中,因此,开展水泥石在高温下的力学变形研究,对于分析和评价水泥环承载能力及有关施工参数等都具有重要意义。目前针对水泥石在高温下的力学性能主要都集中在水泥石的强度方面,一般将水泥石的单轴抗压强度作为主要的工程性能指标,并对其进行重点检测和分析。然而,水泥环在井下的载荷作用下,主要存在两种破坏形式,一是当外载荷超过水泥石所能承载的极限强度时,水泥环将产生强度破坏;二是由于水泥环的力学变形能力远不及套管材料,因此水泥环在套管变形应力作用下容易产生变形破坏,导致水泥环在低应力环境下发生张性破坏产生径向裂纹,在高应力环境下水泥环与套管胶结面发生分离而产生微环隙,均无法实现对地层的有效封固。因此,水泥环的承载能力不仅取决于水泥环的强度,更取决于其力学变形能力。本文在高温下油井水泥的水化硬化与强度的成熟的理论基础上,针对水泥石在高温养护后的力学变形开展了研究。首先针对高温固井中常用的水泥浆体系选取了具有代表性的密度分别为 1.90g/cm3、2.20g/cm3、2.40g/cm3 三套,在 90℃、120℃、150℃、180℃和210℃的高温养护温度点展开水泥石力学变形研究,采用单轴应力-应变和三轴应力-应变的测试方法和SEM微观测试得到了水泥石在高温养护后的力学变形规律和机理分析,结果表明水化产物的结构和形貌是影响水泥石力学变形的主要因素。针对密度为1.90g/cm3的水泥石弹性模量大、泊松比小、力学变形极差的特点开展了材料改性研究。分别从纤维材料、弹性颗粒材料和胶乳材料中各优选出XW纤维、XJF橡胶粉和JR胶乳进行力学变形材料改性研究,并通过单轴、三轴测试了力学变形改善效果,结果表明结果表明三类材料对水泥石对水泥石的力学变形均有不同程度的改善效果,并通过对水泥石进行SEM微观测试,分析了改性材料的作用机理;最后通过水泥环密封完整性测试装置模拟的高应力环境和低应力环境下分别对掺有改性材料的水泥环进行力学封固完整性评价,以验证改性材料改善水泥环力学变形作用效果,结果表明掺有JR胶乳和XW纤维后,水泥环满足力学封固完整性要求。