[發明專利]一種水泥漿塑態體積收縮率的確定方法

有效

• 申請號: 201310583289.X
• 申請日: 2013-11-19
• 公開（公告）號: CN103558364A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 李進;李早元;郭小陽;程小偉;李明;劉健;辜濤;黃盛;林鑾;謝和
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N33/38
• 分類號: G01N33/38
• 代理公司: 成都市輔君專利代理有限公司 51120
• 代理人: 楊海燕

技術領域

本發明涉及油氣田開發領域固井過程中水泥漿塑態體積收縮率的確定方法。

背景技術

水泥漿體積收縮指固井后水泥漿在井底溫度、壓力條件下，從液態逐漸變成固態過程中、以及后期生產全過程中體積總的改變量。研究表明，水泥漿體積收縮主要是由水化反應引起的，原因在于水化反應所生成的水化物體積小于水和水泥顆粒的混合體積。隨著水化反應的進行，液態水泥漿逐漸凝固成固態水泥石需經歷液相、膠凝、凝固和硬化等四個階段。因此，可將水泥漿體積收縮分為終凝前塑態體積收縮和后期水泥石體積收縮兩個階段。水泥漿塑態體積收縮會導致水泥漿柱的孔隙壓力下降（即膠凝失重），造成水泥漿氣侵；后期水泥石體積收縮則使得水泥環與地層和套管間膠結不良，形成微間隙，為氣竄提供通道，造成油氣資源的大量流失。已有研究表明，水泥漿體積收縮率最大可達6%左右，其中初凝前收縮很小，小于0.5%；90%以上的收縮主要發生在初凝至終凝這段水化反應最激烈的過渡期內；凝固成水泥石后的收縮仍會緩慢進行，但收縮量很小。因此，研究水泥漿塑態體積收縮對于早期氣竄的防止、確保油氣井勘探開發安全更有意義。

實驗模擬測試是目前獲得水泥漿體積收縮率的唯一手段，測試水泥漿體積收縮率的實驗模擬裝置主要有水泥自收縮測試法、“開環”法、比長儀法、ASTM膨脹測試法、高溫高壓體積變化率儀等。目前實驗模擬測試裝置主要用于測試水泥漿凝固后的體積收縮率，即終凝后的水泥石體積收縮率，用于測試水泥漿凝結全過程體積收縮率的儀器較少。另外，由于現有測試儀器存在無法模擬井底溫度、壓力工況，無法有效隔離加壓介質和水泥漿等實驗原理、方法的限制，目前有關水泥漿體積收縮的實驗測試仍處于探索發展階段，尚不能準確測量水泥漿的收縮與膨脹，無法滿足防氣竄研究需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種水泥漿塑態體積收縮率的確定方法，該方法原理可靠，實際操作方便，能有效確定水泥漿在凝固過程的塑態體積收縮率變化規律，為水泥漿防氣竄能力評價提供了科學依據，具有廣闊的應用前景。

為達到以上技術目的，本發明提供以下技術方案。

基于終凝前套管、地層在井下的實際受力工況，建立水泥漿凝固過程中液塑態“套管-水泥漿-地層”物理模型，并求解水泥漿塑態體積收縮對孔隙壓力下降影響的解析關系。利用該關系模型，通過室內失重實驗，測試水泥漿的失重壓差，結合地層巖石、套管的彈性模量、泊松比等力學參數，計算獲得終凝前水泥漿塑態體積收縮率大小。

本發明采用水泥漿塑態體積收縮率數學模型，依據彈性力學基礎理論（徐芝綸，彈塑性力學[M]，北京：高等教育出版社，2006），來推導出水泥漿塑態體積收縮率與孔隙壓力下降的關系，具體推導過程如下：

（1）假設條件

為了建立水泥漿凝固前塑態體積收縮數學模型，首先對水泥漿所處的復雜井下環境及受力狀態作如下簡化：①套管、地層軸向尺寸遠大于徑向尺寸，可按照平面應變問題分析二者徑向、周向應力應變；②以主力氣層附近的水泥漿柱為研究對象，主要分析氣層位置處水泥漿孔隙壓力下降，近似為恒溫問題，忽略候凝熱傳導和水泥水化反應放熱引起的溫度變化；③研究井段井眼為規則圓形井眼，套管居中度100%；④水泥漿孔隙壓力下降所引起的套管、井壁圍巖變形均為微小變形，故將套管、井壁圍巖考慮為均質、連續、各向同性的理想彈性材料，候凝期間不發生塑性變形；⑤終凝前水泥漿尚未失去流動性，因此套管、水泥漿、地層彼此緊密相連，無微環隙。

（2）模型建立與求解

“套管-水泥漿-地層”物理模型見附圖1，設r_i、r_o、r_w、r_f分別表示套管內半徑、套管外半徑、井眼半徑和地層半徑，顯然地層半徑r_f→∞。由模型假設可知，套管、地層受力均為軸對稱應力，為了簡化計算，選擇極坐標進行分析。由彈性力學理論知，軸對稱應力狀態下的應力分量半定解和位移分量分別見如下。

上式中A、B、C、H、I、K均是任意常數。

①套管位移變化分析

套管受力狀態見附圖2，其中q_i為候凝時由套管內鉆井液或候凝液產生的均布載荷，q₀為候凝時由環空水泥漿產生的液柱壓力。

顯然，應力分布應當是軸對稱的。套管受力邊界條件為：

將邊界條件帶入應力分量半定解得：