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高密度弹韧性水泥浆力学数值模拟

李成嵩 李社坤 范明涛 张海雄 袁明叶 雷刚

李成嵩,李社坤,范明涛,等. 高密度弹韧性水泥浆力学数值模拟[J]. 钻井液与完井液,2023,40(2):233-240 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.012
引用本文: 李成嵩,李社坤,范明涛,等. 高密度弹韧性水泥浆力学数值模拟[J]. 钻井液与完井液,2023,40(2):233-240 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.012
LI Chengsong, LI Shekun, FAN Mingtao, et al.Numerical simulation study on mechanics of high density elastic and tough cement slurries[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(2):233-240 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.012
Citation: LI Chengsong, LI Shekun, FAN Mingtao, et al.Numerical simulation study on mechanics of high density elastic and tough cement slurries[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(2):233-240 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.012

高密度弹韧性水泥浆力学数值模拟

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.012
基金项目: 中石化集团公司项目“深层页岩气固井关键技术研究与应用”(JPE19017-3);中石化集团公司项目“地热井增注增采与分层采灌技术研究”(JP22001)
详细信息
    作者简介:

    李成嵩,高级工程师,1977年生,毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,现从事油气钻完井工艺。电话13176639677;E-mail:lichengsong.xxsy@sinopec.com

    通讯作者:

    范明涛,E-mail:fmt806@163.com

  • 中图分类号: TE256

Numerical Simulation Study on Mechanics of High Density Elastic and Tough Cement Slurries

  • 摘要: 深层页岩气具有埋藏深、地温高、破裂压力高等特点,压裂过程中,大排量、高泵压的施工方式导致气井环空带压问题较为突出。相较于浅层页岩气,深层页岩气井由于气层高压,水泥浆需要进行加重以满足现场施工需要,水泥环不仅是由纯水泥构成,还包含加重剂以及弹韧性改造用的弹性剂。因此,为从水泥浆配方上改善深层页岩气井水泥环的力学性能,针对高密度弹韧性水泥浆体系建立了相应的细观力学模型,初步分析了外掺料的加入对水泥石力学性能的影响。研究发现:①加重剂与弹性剂由于其刚度的差异,改变了水泥环的宏观力学性能;②水泥浆体系设计需考虑弹性剂与加重剂的几何尺寸,并提高弹性材料与水泥基体的胶结强度;③优选类菱形加重材料及亲水性弹性材料,通过合理配比设计出密度为2.3 g/cm3的高密度弹韧性水泥浆,该水泥浆48 h抗压强度大于20 MPa,弹性模量小于7 GPa,实现了深层页岩气水泥环低弹性模量、高强度的力学性能改造目标。研究成果对深层页岩气水泥浆体系的设计具有重要指导意义。

     

  • 图  1  井筒组合体数值模型

    图  2  径向应力分布

    注:S为组合体受到的应力,Pa;S11为径向应力(拉应力为正,压应力为负)

    图  3  颗粒投放数值模型

    图  4  模拟试样压缩变形

    图  5  高密度弹韧性水泥石应力云图

    注:S22为直角坐标系下的垂向应力,Pa

    图  6  高密度弹韧性水泥石应变云图

    注:U为变形位移,m;U2为垂向位移(拉伸方向为正,压缩方向为负)

    图  7  高密度弹韧性水泥石应力云图

    注:S22为直角坐标系下的垂向应力,Pa

    图  8  高密度弹韧性水泥石应变云图

    注:U为变形位移,m;U2为垂向位移(拉伸方向为正,压缩方向为负)

    图  9  高密度弹韧性水泥石应力云图

    注:S22为直角坐标系下的垂向应力,Pa

    图  10  高密度弹韧性水泥石应变云图

    注:U为变形位移,m;U2为垂向位移(拉伸方向为正,压缩方向为负)

    图  11  高密度弹韧性水泥石应力云图

    注:S22为直角坐标系下的垂向应力,Pa

    图  12  高密度弹韧性水泥石应变云图

    注:U为变形位移,m;U2为垂向位移(拉伸方向为正,压缩方向为负)

    图  13  相同垂向位移条件下弹性材料变形示意图

    图  14  加重剂形状示意图

    表  1  模型材料参数

    介质外径/mm内径/mm弹性模量/GPa泊松比
    套管139.7121.42100.30
    水泥环215.9139.7140.15
    地层360.20
    弹性剂0.0060.60
    加重剂2060.30
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    表  2  水泥浆流变性能

    ρ/
    g·cm−3
    粒径/
    水灰比稳定性流变性能
    ρ/
    (g·cm−3
    ρ/
    (g·cm−3
    7.03000.52.302.3025/34/280/-/-/-
    7.02000.52.152.455/8/120/145/210/-
    6.02000.52.272.337/13/130/200/275/-
    5.02000.52.302.3019/23/198/-/-/-
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    表  3  弹性剂加量对不同粒径加重剂水泥石强度的影响

    弹性剂/%不同粒径加重剂水泥石的强度/MPa
    90目60目
    230.2728.86
    429.3527.38
    627.2024.95
    823.4619.06
    下载: 导出CSV
  • [1] 陶谦,陈星星. 四川盆地页岩气水平井B环空带压原因分析与对策[J]. 石油钻采工艺,2017(5):588-593. doi: 10.13639/j.odpt.2017.05.011

    TAO Qian, CHEN Xingxing. Causal analysis and countermeasures on B sustained casing pressure of shale gas horizontal wells in the Sichuan basin[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2017(5):588-593. doi: 10.13639/j.odpt.2017.05.011
    [2] 孙坤忠, 陶谦, 周仕明, 等. 丁山区块深层页岩气水平井固井技术[J]. 石油钻探技术, 2015, 43(3): 55-60.

    SUN Kunzhong, TAO Qian, ZHOU Shiming, et al. Cementing technology for deep shale gas horizontal well in the Dingshan block[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(3): 55-60.
    [3] GOODWIN K J, CROOK R J. Cement sheath stress failure[J]. SPE Drilling Engineering, 1992, 7(4):291-296. doi: 10.2118/20453-PA
    [4] JACKSON P B, MURPHEY C E. Effect of casing pressure on gas flow through a sheath of set cement[C]// SPE/IADC Drilling Conference, Society of Petroleum Engineers, 1993.
    [5] TORSTER M , ALBAWI A , ANDRADE J D , et al. Experimental set-up for testing cement sheath integrity in Arctic wells[C]//OTC Arctic Technology Conference,2014.
    [6] 殷有泉,陈朝伟,李平恩. 套管-水泥环-地层应力分布的理论解[J]. 力学学报,2006,38(6):835-842. doi: 10.3321/j.issn:0459-1879.2006.06.015

    YIN Youquan, CHEN Zhaowei, LI Ping’en. Theoretical solutions of stress distribution in casing-cement and stratum system[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(6):835-842. doi: 10.3321/j.issn:0459-1879.2006.06.015
    [7] 李军,陈勉,柳贡慧,等. 套管、水泥环及井壁围岩组合体的弹塑性分析[J]. 石油学报,2005(6):99-103. doi: 10.3321/j.issn:0253-2697.2005.06.023

    LI Jun, CHEN Mian, LIU Gonghui, et al. Elastic-plastic analysis of casing-concrete sheath-rock combination[J]. Acta Petrolei Sinica, 2005(6):99-103. doi: 10.3321/j.issn:0253-2697.2005.06.023
    [8] 陈朝伟, 蔡永恩. 套管-地层系统套管载荷的弹塑性理论分析[J]. 石油勘探与开发, 2009, 36(2): 242-246.

    CHEN Chaowei, CAI Yong’en. Study on casing load in a casing-stratum system by elastoplastic theory[J]. Petroleum Exploration and Development, 2009, 36(2): 242-246.
    [9] 初纬,沈吉云,杨云飞,等. 连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算[J]. 石油勘探与开发,2015,42(3):379-385. doi: 10.1016/S1876-3804(15)30028-8

    CHU Wei, SHEN Jiyun, YANG Yunfei, et al. Calculation of micro-annulus size in casing-cement sheath-formation system under continuous internal casing pressure change[J]. Petroleum Exploration and Development, 2015, 42(3):379-385. doi: 10.1016/S1876-3804(15)30028-8
    [10] 范明涛,李军,柳贡慧,等. 页岩气体积压裂固井界面微环隙产生机理研究[J]. 石油机械,2018(10):78-82. doi: 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.10.015

    FAN Mingtao, LI Jun, LIU Gonghui, et al. Research on micro-gap generation of shale gas well cementing interface during SRV fracturing[J]. China Petroleum Machinery, 2018(10):78-82. doi: 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.10.015
    [11] 刘奎,丁士东,周仕明,等. 套管内压周期变化水泥环应力计算与失效分析[J]. 石油机械,2021(5):1-8. doi: 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2021.05.001

    LIU Kui, DING Shidong, ZHOU Shiming, et al. Stress calculation and failure analysis of cement sheath experiencing periodic variation of casing internal pressure[J]. China Petroleum Machinery, 2021(5):1-8. doi: 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2021.05.001
    [12] 张顺平,张森,覃毅,等. 威远页岩气水平井高密度防窜水泥浆固井技术[J]. 钻井液与完井液,2016,33(1):63-67.

    ZHANG Shunpin, ZHANG Sen, TAN Yi, etal. Anti-channeling high density cement slurry technology for horizontal shale gas well in Weiyuan[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2016, 33(1):63-67.
    [13] 李坤,徐孝思,黄柏宗. 紧密堆积优化水泥浆体系的优势与应用[J]. 钻井液与完井液,2002,19(1):4-9. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2002.01.001

    LI Kun, XU Xiaosi, HUANG Baizong. Advantages and application of the novel cement slurry systems developed by the concept of high packing density[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2002, 19(1):4-9. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2002.01.001
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-21
  • 修回日期:  2022-12-15
  • 刊出日期:  2023-03-30

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