循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實(shí)驗(yàn)研究

劉仍光，　張林海，　陶謙，　周仕明，　丁士東

循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實(shí)驗(yàn)研究

劉仍光1，2，張林海1，陶謙1，周仕明1，丁士東1

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

劉仍光等.循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實(shí)驗(yàn)研究［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：74-78.

利用自主研發(fā)的水泥環(huán)密封性實(shí)驗(yàn)裝置研究了套管內(nèi)加卸壓循環(huán)作用下水泥環(huán)的密封性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性失效的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在較低套管內(nèi)壓循環(huán)作用下，水泥環(huán)保持密封性所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多；在較高循環(huán)應(yīng)力作用下，水泥環(huán)密封性失效時(shí)循環(huán)次數(shù)較少。表明在套管內(nèi)較低壓力作用下，水泥環(huán)所受的應(yīng)力較低，應(yīng)力水平處于彈性狀態(tài)，在加卸載的循環(huán)作用下，水泥環(huán)可隨之彈性變形和彈性恢復(fù)；在較高應(yīng)力作用下，水泥環(huán)內(nèi)部固有的微裂紋和缺陷逐漸擴(kuò)展和連通，除了發(fā)生彈性變形還產(chǎn)生了塑性變形；隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形也不斷地累積。循環(huán)壓力卸載時(shí)，套管彈性回縮而水泥環(huán)塑性變形不可完全恢復(fù)，2者在界面處的變形不協(xié)調(diào)而引起拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過界面處的膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)微環(huán)隙，導(dǎo)致水泥環(huán)密封性失效，水泥環(huán)發(fā)生循環(huán)應(yīng)力作用的低周期密封性疲勞破壞。套管內(nèi)壓力越大，水泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力水平越高，產(chǎn)生的塑性變形越大，每次卸載時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)變和界面處拉應(yīng)力也越大，因此引起密封性失效的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越少。

水泥環(huán)；密封性裝置；循環(huán)應(yīng)力；微環(huán)隙；疲勞破壞

目前由于水泥環(huán)密封性失效而引起的環(huán)空帶壓等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，影響了油氣井的生產(chǎn)和安全等問題。有學(xué)者研究認(rèn)為水泥環(huán)在壓裂酸化等作業(yè)過程中產(chǎn)生的高應(yīng)力導(dǎo)致水泥環(huán)拉伸破壞，出現(xiàn)徑向的微裂縫［1-3］，是水泥環(huán)密封完整性破壞的原因之一。統(tǒng)計(jì)顯示即使在固井質(zhì)量較好的情況下，隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長，環(huán)空帶壓的油氣井也呈逐漸增多［4］。在油氣井長期生產(chǎn)過程中，由于調(diào)產(chǎn)或關(guān)井維修等，或者儲(chǔ)氣庫在長期注采作業(yè)中，套管內(nèi)的壓力經(jīng)常發(fā)生變化，從而使得水泥環(huán)所受的應(yīng)力也隨之改變。對(duì)此較多學(xué)者對(duì)變應(yīng)力作用下水泥環(huán)的密封性進(jìn)行了研究，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。但是都采用數(shù)值模擬的方法［5-9］，基于某些特殊的假定，特別是建立模型時(shí)對(duì)水泥環(huán)力學(xué)變形性能的假定。水泥石的力學(xué)變形性能非常復(fù)雜，通常與這些假定難以符合，因此可能造成結(jié)論的偏差甚至錯(cuò)誤。有些物理模擬實(shí)驗(yàn)方法雖然盡可能地模擬固井水泥環(huán)的井下受力狀況，但測試的是水泥石力學(xué)性能，而不是抗竄性能［10-12］；關(guān)注水泥環(huán)密封性破壞的模擬實(shí)驗(yàn)與水泥環(huán)的實(shí)際受力狀態(tài)相差較大［13-14］。

為了研究油氣井在長期的生產(chǎn)過程中和儲(chǔ)氣庫在注采作業(yè)中，由于套管內(nèi)壓力頻繁變化可能引起的水泥環(huán)密封性失效問題，本文利用水泥環(huán)密封性實(shí)驗(yàn)裝置，測試在不同套管內(nèi)循環(huán)壓力作用下水泥環(huán)的密封性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析水泥環(huán)力學(xué)密封完整性破壞的原因和機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1水泥環(huán)密封性測試裝置

水泥環(huán)密封性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括井筒物理模擬裝置、測試裝置、壓力裝置和控制系統(tǒng)等組成。井筒裝置包括套管、水泥環(huán)和外筒，其中套管外徑為139.7 mm，壁厚為7.72 mm，采用油田常用套管材料，鋼級(jí)為P110；水泥環(huán)的厚度為26.7 mm；外筒采用不銹鋼，外徑244.5 mm，壁厚25.7 mm，采用鋼級(jí)為N80；模型長度即套管和外筒的長度為1 200 mm，水泥環(huán)長度為1 000 mm。測試裝置為通過下部密封端進(jìn)氣孔往環(huán)空持續(xù)注入一定壓力的氮?dú)?，在上部密封端蓋處和外筒上不同部分處分別設(shè)置氣泡檢測孔，并連接氣體流量計(jì)，進(jìn)行水泥環(huán)密封性破壞時(shí)氣泡檢測和氣體流量測試。壓力系統(tǒng)可通過往套管內(nèi)注入或排出水使得套管內(nèi)壓力變化，控制系統(tǒng)可控制套管內(nèi)壓力的大小和循環(huán)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

按配比要求攪拌均勻水泥漿（嘉華G級(jí)油井水泥+4%降失水劑+44%水），澆入測試設(shè)備水泥環(huán)環(huán)空中，室內(nèi)常溫密封養(yǎng)護(hù)7 d后測試水泥環(huán)在循環(huán)應(yīng)力下的密封性。加載方式為套管內(nèi)加壓和卸載的循環(huán)應(yīng)力加載方式，達(dá)到最大荷載時(shí)持續(xù)承載5 min然后卸壓，卸壓至零時(shí)同樣持續(xù)5 min后繼續(xù)加壓，如此反復(fù)循環(huán)直至水泥環(huán)密封性失效。實(shí)驗(yàn)加壓循環(huán)的大小分別為20、25和30 MPa。

2　結(jié)果與討論

2.1循環(huán)加卸載壓力和出氣量

實(shí)驗(yàn)測試套管內(nèi)20 MPa壓力作用下循環(huán)加卸載100次，出氣口沒有檢測到氣泡，水泥環(huán)的密封性保持完好，結(jié)果見圖1。根據(jù)內(nèi)壓作用下水泥環(huán)的受力特征，可建立厚壁圓筒平面應(yīng)變問題。在套管內(nèi)壓作用下，套管-水泥環(huán)-地層結(jié)構(gòu)體系中水泥環(huán)的受力狀態(tài)如圖2所示，水泥環(huán)在徑向受壓，周向受拉力；且水泥環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布是不均勻的，拉應(yīng)力δθ、壓應(yīng)力δr均在水泥環(huán)與套管間的一界面處最大，沿著水泥環(huán)徑向往外逐漸減小，外筒與水泥環(huán)的二界面處的應(yīng)力最小。

圖1　20 MPa循環(huán)加卸載壓力和出氣量

圖2　內(nèi)壓作用下水泥環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)

測試的套管內(nèi)加載25 MPa循環(huán)壓力作用及檢測到的出氣量如圖3所示。由圖3可知，開始幾十次加卸壓循環(huán)作用下，并沒有檢測到氣泡。直至循環(huán)作用59次后，在卸壓階段套管內(nèi)卸壓至0.23 MPa時(shí)開始檢測到有氣泡溢出，卸壓為零時(shí)出氣量較小，為26 mL/min。隨著加卸壓循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，出氣量也逐漸增大，而且在升壓時(shí)套管受壓膨脹擠壓水泥環(huán)達(dá)到密封或降壓時(shí)開始?xì)飧Z的壓力值也不斷增大。如壓力循環(huán)69次，卸壓至0.39 MPa時(shí)即開始檢測有氣泡，且完全卸壓時(shí)的出氣量增至134 mL/min。

圖3　25 MPa循環(huán)加卸載壓力和出氣量

套管內(nèi)加載30 MPa循環(huán)壓力作用及檢測到的出氣量如圖4所示，開始?xì)飧Z后卸載時(shí)的出氣壓力測試結(jié)果見圖5。

圖4　30 MPa循環(huán)加卸載壓力和出氣量

圖5　開始?xì)飧Z后卸載時(shí)的出氣壓力

由圖4和圖5可知，30 MPa加卸壓循環(huán)4次后，出氣孔開始檢測到有氣體溢出；同25 MPa循環(huán)作用的現(xiàn)象一致，開始時(shí)出氣量較小，隨著加卸壓次數(shù)的增加，出氣量逐漸增大；卸壓階段開始?xì)飧Z時(shí)的套管壓力值也不斷增大，但壓力增加幅度減小且趨于穩(wěn)定。另外，檢測發(fā)現(xiàn)氣竄均發(fā)生在套管與水泥環(huán)間的一界面。

2.2討論

在套管內(nèi)壓力作用下，水泥環(huán)徑向的壓應(yīng)力分布并不是均勻的，如圖2所示，距套管越近水泥環(huán)的應(yīng)力水平越高，而水泥環(huán)與外筒界面處的應(yīng)力最小。套管內(nèi)20 MPa加卸載循環(huán)100次沒有發(fā)生水泥環(huán)密封完整性破壞現(xiàn)象，說明在20 MPa最大壓力作用，套管受力膨脹擠壓水泥環(huán)所產(chǎn)生的應(yīng)力，使得整個(gè)水泥環(huán)仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，卸壓時(shí)套管完全彈性回縮，水泥環(huán)的變形也可彈性恢復(fù)。即使加卸載次數(shù)較多，但每次水泥環(huán)均可彈性恢復(fù)，套管和水泥環(huán)的變形協(xié)調(diào)，在界面處沒有產(chǎn)生變形不一致。也可能是因?yàn)榧訅簳r(shí)水泥環(huán)受力較大的近一界面部位已超過水泥石的彈性受力階段，進(jìn)入塑性受力狀態(tài)，如圖2中虛線以內(nèi)部分，但只產(chǎn)生較小的塑性變形；水泥環(huán)的其它部分仍處于彈性應(yīng)力水平，如圖2中虛線以外部分。卸壓時(shí)水泥環(huán)產(chǎn)生的彈性變形可完全恢復(fù)，塑性變形不可完全恢復(fù)，存在微小的殘余應(yīng)變，導(dǎo)致在界面處和水泥環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。但殘余應(yīng)變較小，即使循環(huán)加卸載多次，殘余應(yīng)變累積產(chǎn)生的拉應(yīng)力沒有超過界面處的膠結(jié)強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙，沒有發(fā)生水泥環(huán)密封性破壞現(xiàn)象。

當(dāng)套管內(nèi)的循環(huán)壓力最大值為25 MPa時(shí)，循環(huán)加卸壓59次時(shí)發(fā)生出氣現(xiàn)象，而且隨著加卸壓循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加出氣量增大。說明在最大套管內(nèi)壓力25 MPa作用下，水泥環(huán)所受的應(yīng)力超過了水泥石的彈性極限，產(chǎn)生了一定的塑性變形，卸壓時(shí)不可完全恢復(fù)的塑性變形造成的殘余應(yīng)變導(dǎo)致界面處產(chǎn)生拉應(yīng)力。雖然一次加卸壓時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力不足以超過界面處的膠結(jié)強(qiáng)度而出現(xiàn)微環(huán)隙，但隨著加卸壓次數(shù)的增加，水泥環(huán)內(nèi)部固有的微裂紋和缺陷會(huì)逐漸擴(kuò)展和累積，每次加載時(shí)產(chǎn)生的塑性變形增加，卸載時(shí)的殘余應(yīng)變逐漸增大，因此卸載時(shí)界面處的拉應(yīng)力也會(huì)增加。當(dāng)加卸壓循環(huán)一定的次數(shù)，累積的殘余應(yīng)變產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過界面的膠結(jié)強(qiáng)度，界面即出現(xiàn)微環(huán)隙，造成密封性破壞現(xiàn)象發(fā)生。30 MPa套管內(nèi)壓加卸載作用，4次循環(huán)水泥環(huán)即發(fā)生密封性破壞，其密封性失效機(jī)理同上；而且更大應(yīng)力作用下，水泥環(huán)產(chǎn)生的塑性變形也更大，殘余應(yīng)變累積產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過膠結(jié)強(qiáng)度的循環(huán)次數(shù)更少。

開始發(fā)生出氣后，隨著壓力循環(huán)次數(shù)的增加，卸壓時(shí)的最大出氣量也隨之增大，如30 MPa壓力循環(huán)4次后，最大出氣量僅為28 mL/min，而壓力循環(huán)18次后，最大出氣量增至298 mL/min，說明微環(huán)隙的尺寸在增加。升壓時(shí)微環(huán)隙被擠壓至密封或降壓時(shí)開始?xì)飧Z的壓力值也不斷增大，如圖5中30 MPa壓力循環(huán)4次后即第1次氣竄時(shí)，卸壓至0.14 MPa開始出現(xiàn)出氣；第15次氣竄時(shí)壓力降至0.74 MPa已經(jīng)開始出氣，同樣說明微環(huán)隙的寬度在逐漸增大。也證明了隨著壓力循環(huán)次數(shù)的增加，水泥環(huán)的塑性變形逐漸增加，累積產(chǎn)生的殘余應(yīng)變?cè)龃?，?dǎo)致微環(huán)隙的產(chǎn)生或?qū)挾鹊脑黾?。升壓時(shí)套管內(nèi)的壓力升至較高值，套管產(chǎn)生較大的膨脹才能擠壓水泥環(huán)，使得微環(huán)隙達(dá)到密封狀態(tài)不再出氣，或降壓時(shí)開始出氣的套管內(nèi)壓力升高。

氣體檢測系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)微環(huán)隙均發(fā)生在水泥環(huán)與套管之間的一界面。在套管內(nèi)壓作用下，水泥環(huán)應(yīng)力分布不均勻，無論是壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力，一界面處應(yīng)力最大，外筒與水泥環(huán)的二界面處的應(yīng)力最小。在荷載作用下，應(yīng)力較大處水泥石產(chǎn)生的變形較大，可能產(chǎn)生的塑性變形也較大；應(yīng)力較小處，水泥石可能仍處于彈性受力階段，只產(chǎn)生了彈性變形。一界面處水泥環(huán)受到的應(yīng)力較大，產(chǎn)生的變形也較大。加卸載循環(huán)一定的次數(shù)，一界面存在的殘余應(yīng)變大于其它部位，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也最大。在兩個(gè)界面膠結(jié)強(qiáng)度相近的情況下，因此一界面處最易超過膠結(jié)強(qiáng)度導(dǎo)致出現(xiàn)微環(huán)隙。加壓階段水泥環(huán)產(chǎn)生高應(yīng)力，沒有發(fā)生密封性破壞，說明水泥環(huán)本體沒有發(fā)生強(qiáng)度破壞無論是拉伸破壞還是抗壓破壞而產(chǎn)生微裂紋。在卸載階段且卸壓至較低時(shí)失去密封性，且高應(yīng)力下閉合；說明在本實(shí)驗(yàn)條件下，水泥環(huán)發(fā)生了由于循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致的密封性疲勞破壞出現(xiàn)微環(huán)隙，引起水泥環(huán)密封性失效。

影響多次加卸載作用下水泥環(huán)密封性的因素很多，除了壓力的大小外，還有水泥石的彈性模量和強(qiáng)度、水泥環(huán)外的約束程度或圍壓等。同條件下，水泥石的彈性模量越低，在套管內(nèi)壓力作用下，水泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力水平越低，使得水泥環(huán)盡可能保持在彈性應(yīng)力狀態(tài)，不產(chǎn)生或少產(chǎn)生塑性變形，不發(fā)生因疲勞破壞所導(dǎo)致的密封性失效問題，抗循環(huán)壓力作用的能力越強(qiáng)。水泥石的強(qiáng)度越高，水泥環(huán)的應(yīng)力水平越不易超過其極限彈性強(qiáng)度進(jìn)入塑性受力狀態(tài)，水泥環(huán)可承受更高的循環(huán)荷載。但通常情況下，水泥石的彈性模量越低，其強(qiáng)度也會(huì)降低；水泥石強(qiáng)度越高其彈性模量也越大，在套管壓力作用下水泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力也越大，因此應(yīng)選擇變形適應(yīng)能力強(qiáng)的水泥石來滿足水泥環(huán)的力學(xué)密封完整性。另外，根據(jù)厚壁圓筒理論分析套管內(nèi)壓作用下水泥環(huán)的應(yīng)力，水泥環(huán)外有地層約束或地應(yīng)力的壓力作用產(chǎn)生了圍壓，約束越強(qiáng)或圍壓越大，水泥環(huán)中壓應(yīng)力會(huì)增大，可能使水泥環(huán)產(chǎn)生更大的塑性變形；但約束或圍壓的存在可使水泥環(huán)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力降低。水泥環(huán)外無約束或圍壓的自由應(yīng)力狀態(tài)下，在套管內(nèi)壓作用時(shí)水泥環(huán)中產(chǎn)生的壓應(yīng)力最小，水泥環(huán)外界面處的壓應(yīng)力為零；但水泥環(huán)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，易導(dǎo)致水泥環(huán)拉伸破壞。需要說明的是本文中水泥環(huán)的養(yǎng)護(hù)方式為常溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間稍短，密封性測試時(shí)水泥石的強(qiáng)度發(fā)展較低，因此抵抗套管循環(huán)壓力值較低。

3　結(jié)論

1.在較低壓力作用下，水泥環(huán)容易產(chǎn)生彈性變形，且卸載時(shí)可完全恢復(fù)，套管與水泥環(huán)的變形協(xié)調(diào)，壓力循環(huán)多次不會(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙而導(dǎo)致水泥環(huán)密封性失效。

2.在較高壓力作用下，水泥環(huán)除了產(chǎn)生彈性變形，還產(chǎn)生塑性變形，卸壓時(shí)塑性變形不可完全恢復(fù)，產(chǎn)生殘余應(yīng)變，水泥環(huán)與套管變形不協(xié)調(diào)；隨著壓力循環(huán)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)變逐漸累積，達(dá)到一定程度產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過界面處的膠結(jié)強(qiáng)度而出現(xiàn)微環(huán)隙，造成水泥環(huán)密封性失效。

3.套管內(nèi)壓作用下一界面處水泥環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，塑性變形較大，是循環(huán)應(yīng)力作用下易出現(xiàn)微環(huán)隙的部位。

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Experimental Study on Airtightness of Cement Sheath Under Alternating Stress

LIU Rengguang1，2， ZHANG Linhai1， TAO Qian1， ZHOU Shiming1， DING Shidong1
（1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering， Beijing 100101；2. China University of Petroleum， Beijing 102249）

The airtightness of cement sheath under alternating loading and unloading was studied using self-developed experiment facilities， and the mechanism of airtightness failure of cement sheath under alternating loading and unloading was understood based on the experimental results. Under the action of lower alternating pressure inside the casing， the time for the cement sheath to fail can be long； the action of high alternating pressure， on the other hand， will soon break down the airtightness of the cement sheath. This indicates that low pressure inside the casing string imposes low force on cement sheath which still retains its elasticity， and elastic deformation takes place in the cement sheath under alternating loading and unloading. Under the action of high stresses， on the other hand， the intrinsic micro fractures and deficiencies inside the cement sheath begin to connect with each other， and both elastic deformation and plastic deformation take place inside the cement sheath. As the alternating goes on， the plastic deformation becomes accumulated， to the extent that the plastic deformation does not vanish after unloading. Differences in the deformations of casing string and cement sheath at the interface result in a tensile stress， which， when exceeding the cementation strength at the interface， will cause the airtightness of the cement sheath to fail. This is the so-called low cycle fatigue failure of the airtightness of cement sheath under the action of alternating loading and unloading. Higher internal pressure in the casing string results in higher induced stress inside the cement sheath， larger plastic deformation， higher residual strain and tensile stress at the interface after unloading， and， the less of the number of cycles required to cause the airtightness of the cement sheath to fail.

Cement sheath； Airtightness tester； Alternating stress； Micro annular space； Fatigue failure

TE256.9

A

1001-5620（2016）04-0074-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.015

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51374218）；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015M571228）。

劉仍光，博士，現(xiàn)在主要從事油井水泥漿性能與水泥環(huán)密封性等研究。電話 18911027279；E-mail：jiangonglrg@163.com。

丁士東，教授級(jí)高級(jí)工程師。E-mail： dingsd.sripe@sinopec.com。

（2016-04-08；HGF=1506C8；編輯王超）