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含缺陷储气库固井水泥环力学行为光纤监测仿真分析

任敏琪,  周元华,  万继方,  赵彦淇

任敏琪,周元华,万继方,等. 含缺陷储气库固井水泥环力学行为光纤监测仿真分析[J]. 钻井液与完井液,2027,44(1):1-10
引用本文: 任敏琪,周元华,万继方,等. 含缺陷储气库固井水泥环力学行为光纤监测仿真分析[J]. 钻井液与完井液,2027,44(1):1-10
Ren Minqi, Zhou Yuanhua, Wan Jifang, et al.Simulation analysis of fiber-optic monitoring of mechanical behavior of cement sheath in gas storage wells with defects[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2027, 44(1):1-10
Citation: Ren Minqi, Zhou Yuanhua, Wan Jifang, et al.Simulation analysis of fiber-optic monitoring of mechanical behavior of cement sheath in gas storage wells with defects[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2027, 44(1):1-10

含缺陷储气库固井水泥环力学行为光纤监测仿真分析

基金项目: 中国石油集团油田技术服务有限公司科学研究与技术开发项目“压缩空气储能井下工具研发”(2024T-001-004-04);国家自然科学基金项目“地面旋转导向钻井新方法及其控制机理”(51974035);长江大学非常规油气省部共建协同创新中心开放基金项目“页岩气井筒振动固井技术的应用基础研究”(UOGBX2022-05)。
详细信息
    作者简介:

    任敏琪,硕士研究生在读,2002年生,研究方向为智能监测与控制。电话 13980362054;E-mail:2919365196@qq.com

    通讯作者:

    周元华,博士,副教授,研究方向为智能监测与控制。E-mail:747028409@qq.com。

  • 中图分类号: TE256

Simulation Analysis of Fiber-optic Monitoring of Mechanical Behavior of Cement Sheath in Gas Storage Wells with Defects

  • 摘要: 当前固井水泥环在线监测仍是难题,永置式光纤监测视为最有效的监测途径,但水泥环力学行为缺乏动态表征。针对此问题采用COMSOL有限元软件建立了交变载荷下的套管-水泥环-地层组合体热-力耦合模型,定量表征了典型缺陷与监测特征参数间的映射关系。结果表明,缺陷导致水泥环径向温度场出现梯度跳跃。剪切和界面微环隙缺陷在注、采气末期的整体温度比完整水泥环低0.5~3 K,储气末期则升高0.05~1 K,温差峰值集中缺陷边界处。拉伸缺陷在注、储气末期降温0~3.6 K,采气末期则升温0.8 K,且最大温差向外壁转移。力学响应方面,缺陷区域因承载能力丧失处于完全卸载状态,径向应力和应变同步降至0 MPa。非缺陷区域的力学场从线性分布演变为分段不规则梯度分布。其中,拉伸缺陷引起的非线性扰动最剧烈,其非缺陷区应力变幅达7.2 MPa,与完整水泥环的最大应力偏差达5 MPa。剪切缺陷在边界处诱发载荷重分布,注气末期应力比正常值高1.1 MPa,储、采气末期则低1.4 MPa。界面微环隙的力学响应最弱,应力变化仅为1 MPa。通过应力应变卸载状态、异常温度场与非均匀应力场耦合特性可定位水泥环缺陷,研究结果可为储气库固井水泥环健康在线监测与损伤识别提供量化基础模型支撑。

     

  • 图  1  网格尺寸与Von-Mises应力、变形量的关系图

    图  2  正常水泥环与含剪切缺陷破坏的水泥环径向温度分布曲线

    图  3  正常水泥环与含剪切缺陷破坏的水泥环径向应力分布曲线

    图  4  正常水泥环与含剪切缺陷破坏的水泥环径向应变分布曲线

    图  5  正常水泥环与含拉伸缺陷破坏的水泥环径向温度分布曲线

    图  6  正常水泥环与含拉伸缺陷破坏的水泥环径向应力分布曲线

    图  7  正常水泥环与含拉伸缺陷破坏的水泥环径向应变分布曲线

    图  8  正常水泥环与含界面微环隙破坏的水泥环径向温度分布曲线

    图  9  正常水泥环与含界面微环隙缺陷破坏的水泥环径向应力分布曲线

    图  10  正常水泥环与含界面微环隙缺陷破坏的水泥环径向应变分布曲线

    图  11  距离-时间应变二维瀑布图

    图  12  温度曲线总体分布图

    图  13  三维温度瀑布图

    表  1  材料性能参数

    介质 外径/
    mm
    壁厚/
    mm
    杨氏模量/
    GPa
    泊松比μ 密度/
    kg·m−3
    屈服强度/
    MPa
    套管 474.03 11.03 206 0.3 8020 810
    水泥环 558.6 42.84 21 0.23 2200 40
    地层 18 0.28 2210 30
    光纤 73.1 0.17 2203 6×103
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    表  2  材料热力学参数

    材料 热膨胀系数/
    10−5/℃
    导热系数/
    W/m·K
    恒压热容/
    J/kg·K
    套管 1.36 50.00 500
    水泥环 1.10 1.20 1000
    地层 1.03 3.50 950
    光纤 5.50 1.38 703
    下载: 导出CSV

    表  3  理论模型的计算参数与本研究数值模型的计算结果

    理论模型数值模型误差
    温度/℃43.5453.45%
    应力/MPa13.513.0723.17%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-09-15
  • 修回日期:  2026-10-24
  • 网络出版日期:  2026-10-28

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