[發明專利]固井水泥環完整性分析預測方法及裝置

有效

• 申請號: 201710215981.5
• 申請日: 2017-04-01
• 公開（公告）號: CN106991235B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發明（設計）人: 李勇;沈吉云;紀宏飛;袁進平;靳建洲;劉斌輝;江樂;張華;張弛;郭玉超
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團公司;中國石油集團鉆井工程技術研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 王濤

1.一種固井水泥環完整性分析預測方法，其特征在于，包括：

在均勻地應力場作用下，分別基于彈性厚壁圓筒理論和Mohr-Coulomb塑性屈服準則，計算得到井筒的彈性區的應力分布及位移分布和所述井筒的塑性區的應力分布及位移分布，所述井筒包括由內到外分布的套管、水泥環及圍巖；

利用Airy應力函數，計算得到所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力分布及位移分布，所述均勻地應力場和所述非均勻地應力場線性疊加結果為原始地應力場；

利用所述井筒的彈性區的應力分布及位移分布、所述井筒的塑性區的應力分布及位移分布、以及所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力分布及位移分布，通過線性疊加得到所述井筒的總應力分布及總位移分布；

利用所述的總應力分布及總位移分布分析預測所述水泥環的完整性；

其中，利用所述的總應力分布及總位移分布分析預測所述水泥環的完整性，包括：

利用套管內壓力，根據所述的總應力分布，計算得到水泥環內壁應力；

利用膠接強度測試裝置測量所述水泥環與所述套管之間的膠結拉力；

通過比較所述膠結拉力和所述水泥環內壁應力，判斷所述水泥環與所述套管是否發生脫離；

所述井筒的彈性區包括套管、水泥環彈性區及圍巖，所述井筒的塑性區包括水泥環塑性區；在均勻地應力場作用下，分別基于彈性厚壁圓筒理論和Mohr-Coulomb塑性屈服準則，計算得到井筒的彈性區的應力分布及位移分布和所述井筒的塑性區的應力分布及位移分布，包括：

在所述均勻地應力場作用下，基于所述彈性厚壁圓筒理論，推導所述套管、所述水泥環彈性區及所述圍巖三部分的應力表達式和位移表達式，利用所述Mohr-Coulomb塑性屈服準則、水泥環彈塑性邊界條件及彈性厚壁圓筒理論平衡方程，推導所述水泥環塑性區的應力表達式和位移表達式；

利用所述套管、所述水泥環及所述圍巖間的界面位移連續邊界條件，求出所述套管、所述水泥環彈性區及所述圍巖三部分的應力表達式和位移表達式中的未知參數，以及所述水泥環塑性區的應力表達式和位移表達式中的未知參數；

將求出的未知參數相應地代入所述套管、所述水泥環彈性區、所述圍巖及所述水泥環塑性區的應力表達式和位移表達式，得到所述井筒的彈性區的應力分布及位移分布和所述井筒的塑性區的應力分布及位移分布；

在所述均勻地應力場作用下，基于所述彈性厚壁圓筒理論，推導所述套管、所述水泥環彈性區及所述圍巖三部分的應力表達式和位移表達式，包括：

在所述均勻地應力場作用下，根據所述彈性厚壁圓筒理論，推導在井筒溫度和套管內壓力影響作用下的所述井筒的應力表達式及位移表達式；

根據所述井筒的應力表達式確定所述套管的應力表達式、所述水泥環彈性區的應力表達式及所述圍巖的應力表達式，根據所述井筒的位移表達式確定所述套管的位移表達式、所述水泥環彈性區的位移表達式及所述圍巖的位移表達式；

利用Airy應力函數，計算得到所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力分布及位移分布，包括：

利用所述Airy應力函數，推導所述井筒在所述非均勻地應力場作用下的應力表達式和位移表達式；

利用所述井筒在所述非均勻地應力場下的應力邊界條件和所述井筒的套管、水泥環及圍巖間的界面位移連續條件，求出所述井筒在所述非均勻地應力場作用下的應力表達式和位移表達式中的未知參數；

將求出的未知參數相應地代入所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力表達式和位移表達式，得到所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力分布及位移分布；

利用所述的總應力分布及總位移分布分析預測所述水泥環的完整性，包括：

利用套管卸載前內壓力，根據所述的總應力分布及總位移分布，計算得到套管卸載壓力前的水泥環內壁壓力、水泥環外壁壓力、水泥環內壁徑向位移及水泥環外壁徑向位移；

利用套管卸載壓力前的水泥環內壁壓力、水泥環外壁壓力、水泥環內壁徑向位移及水泥環外壁徑向位移，根據所述總位移分布中的所述井筒的彈性區的位移分布，計算得到套管卸載壓力后的水泥環內壁徑向位移及水泥環外壁徑向位移；

利用所述水泥環內壁徑向位移、所述水泥環外壁徑向位移、以及所述井筒的套管、水泥環及圍巖間的界面徑向位移連續條件，計算得到所述井筒在所述水泥環與所述套管發生脫離的臨界點處的水泥環內壁壓力及水泥環外壁壓力，并得到使所述水泥環與所述套管發生脫離的臨界點的套管臨界內壓力；

通過比較套管擬卸載后內壓力和所述套管臨界內壓力，判斷在所述套管擬卸載后內壓力下所述水泥環與所述套管是否發生脫離；

利用Airy應力函數，計算得到所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力分布及位移分布具體包括：

利用所述Airy應力函數，推導所述井筒在所述非均勻地應力場作用下的應力表達式和位移表達式；

利用所述井筒在所述非均勻地應力場下的應力邊界條件和所述井筒的套管、水泥環及圍巖間的界面位移連續條件，求出所述井筒在所述非均勻地應力場作用下的應力表達式和位移表達式中的未知參數；

將求出的未知參數相應地代入所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力表達式和位移表達式，得到所述井筒在非均勻地應力場作用下的應力分布及位移分布；

其中，所述井筒在所述非均勻地應力場下的應力邊界條件是，套管內壁徑向應力等于零，套管內壁周向應力等于零，套管外壁徑向應力等于水泥環內壁非均勻徑向應力，套管外壁周向應力等于水泥環內壁非均勻周向應力，水泥環外壁徑向應力等于圍巖內壁徑向應力，水泥環外壁周向應力等于圍巖內壁周向應力，圍巖外壁徑向應力等于該非均勻地應力中的徑向應力，圍巖外壁周向應力等于該非均勻地應力中周向應力。所述井筒的套管、水泥環及圍巖間的界面位移連續條件是，套管外壁在非均勻應力作用下引起的徑向位移等于水泥環內壁在非均勻應力作用下引起的徑向位移，套管外壁在非均勻應力作用下引起的周向位移等于水泥環內壁在非均勻應力作用下引起的周向位移，水泥環外壁在非均勻應力作用下引起的徑向位移等于圍巖內壁在非均勻應力作用下引起的徑向位移，水泥環外壁在非均勻應力作用下引起的周向位移等于圍巖內壁在非均勻應力作用下引起的周向位移。