2023年頁(yè)巖氣固井工程第4部分：水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)方法

頁(yè)巖氣固井工程411目次前言 21范圍 12規(guī)性用件 13術(shù)和義 14文的別 15水石本能測(cè)試 16水環(huán)封評(píng)價(jià) 2附錄A（料附）泥環(huán)封測(cè)方法 4附錄B（料附）價(jià)裝井尺及驗(yàn)載計(jì)算 5附錄C（料附）泥環(huán)封測(cè)方法 9頁(yè)巖氣固井工程第4部分：水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)方法范圍本文件規(guī)范了頁(yè)巖氣井固井水泥環(huán)的密封性評(píng)價(jià)方法。本文件適用于頁(yè)巖氣井完井作業(yè)、開(kāi)采過(guò)程及其它施工作業(yè)中水泥環(huán)的密封性評(píng)價(jià)。（GB/T19139-2012油井水泥試驗(yàn)方法NB/T14004.2-20162SY/T6466-2016下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1水泥環(huán)全生命周期lifecycleofcementsheath從固井水泥漿候凝結(jié)束形成水泥環(huán)至棄井的時(shí)間周期。3.2密封性sealing水泥環(huán)對(duì)油、氣、水等井下流體的封隔能力。3.3初始應(yīng)力initialstress固井水泥漿候凝結(jié)束時(shí)水泥環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)。本文件的類(lèi)別屬于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。PAGEPAGE10水泥石基本性能測(cè)試前，應(yīng)收集評(píng)階段水泥漿配方及所處井下溫度等資料。根據(jù)收集的水泥漿配方，按照GB/T19139-2012第5章中相關(guān)規(guī)定制備水泥漿，成型基本性能測(cè)試的試樣，按照GB/T19139-2012第7章中相關(guān)規(guī)定加壓養(yǎng)護(hù)水泥石。水泥石抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T19139-20127315%15%水泥石抗拉強(qiáng)度測(cè)試按照NB/T14004.2-2016附錄B中規(guī)定的方法進(jìn)行。水泥石彈性模量測(cè)試按照NB/T14004.2-2016附錄A中規(guī)定的方法進(jìn)行。水泥石泊松比測(cè)試按照SY/T6466-2016第7章中規(guī)定的方法進(jìn)行。水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)前，應(yīng)按表1要求收集資料。表1水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)資料序號(hào)名 稱(chēng)內(nèi) 容1井身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)段套管鋼級(jí)、尺寸、壁厚、機(jī)械性能、封固段、垂深等2電測(cè)數(shù)據(jù)井徑、井溫等3地質(zhì)資料地層巖性、地層壓力等4作業(yè)參數(shù)試壓載荷、壓裂段數(shù)、壓裂載荷、井下壓裂液溫度等5開(kāi)發(fā)參數(shù)開(kāi)發(fā)期間溫度、壓力及變化次數(shù)等6其它資料總則5（）（）（）水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)裝置可參考附錄A，評(píng)價(jià)裝置井筒尺寸及試驗(yàn)外載計(jì)算可參考附錄B，測(cè)試方法可參考附錄C。

附錄A（資料性附錄）水泥環(huán)性密封評(píng)價(jià)裝置水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)裝置中模擬井筒可采用以下2種方式：B.1B.2全尺寸水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)裝置示意圖如圖A.1所示。

圖A.1全尺寸水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)裝置示意圖139.7mm12.34mmN80215.9mm附錄B（資料性附錄）評(píng)價(jià)裝置井筒尺寸及試驗(yàn)外載計(jì)算某工況下，套管-水泥環(huán)-地層組合體模型如圖B.1所示。圖B.1套管-水泥環(huán)-地層組合體模型在模擬井筒中利用外筒模擬井壁圍巖，外筒外半徑代表井壁圍巖半徑，外筒外半徑的計(jì)算見(jiàn)公式(B.1)：式中：

????(1+????)+(1+????)?+??4=√????(1+????)

?(B.1)r1——套管內(nèi)半徑，單位為毫米(mm)；r2——套管外半徑，單位為毫米(mm)；r3——井眼半徑，單位為毫米(mm)；r4——井壁圍巖半徑，單位為毫米(mm)；Eo——外筒材料彈性模量，單位為兆帕(MPa)；Ef——井壁圍巖彈性模量，單位為兆帕(MPa)；νo——外筒材料泊松比，無(wú)量綱；νf——井壁圍巖泊松比，無(wú)量綱。外筒厚度的計(jì)算見(jiàn)公式(B.2)：????(1+????)+(1+????)?+?=?=(√????(1+????)

?1)?(B.2)h——外筒厚度，單位為毫米(mm)。外筒壁厚系數(shù)的計(jì)算見(jiàn)公式(B.3)：??=

?

????(1+????)++????)?+=√????(1+????)

?1 (B.3)式中：β——外筒壁厚系數(shù)，無(wú)量綱。非全尺寸模擬井筒中水泥環(huán)尺寸的計(jì)算見(jiàn)公式(B.4)：??模擬?模擬

??=?實(shí)際

(B.4)式中：D模擬——模擬井筒水泥環(huán)的直徑，mm；h模擬——模擬井筒水泥環(huán)的厚度，mm；D實(shí)際——實(shí)際井筒水泥環(huán)的直徑，mm；h實(shí)際——實(shí)際井筒水泥環(huán)的厚度，mm。50mm5B.2。圖B.2井筒工況下套管、水泥環(huán)和近井圍巖之間邊界作用力疊加關(guān)系示意圖(B.5)：式中：

=+=+{=+=+

（B.5）p1——某工況下套管內(nèi)壓，單位為兆帕(MPa)；p2——(MPa)；p3——(MPa)；pMa(MPa)；p2i——候凝結(jié)束時(shí)水泥環(huán)內(nèi)邊界初始應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；p3i——候凝結(jié)束時(shí)水泥環(huán)外邊界初始應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；p4i——為候凝結(jié)束時(shí)遠(yuǎn)地應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；Δp1——某工況下套管內(nèi)壓相對(duì)侯凝結(jié)束時(shí)內(nèi)壓的變化量，單位為兆帕(MPa)；Δp2——某工況下套管內(nèi)壓變化量引起的水泥環(huán)內(nèi)邊界應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；Δp3——某工況下套管內(nèi)壓變化量引起的水泥環(huán)外邊界應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；Δp4——某工況下遠(yuǎn)地應(yīng)力相對(duì)候凝結(jié)束時(shí)遠(yuǎn)地應(yīng)力的變化量，一般情況為0，單位為兆帕(MPa)。Δp2、Δp3的計(jì)算見(jiàn)公式(B.6)：p

f4f8p4(f6f7)f1p1 2 (f

f)(

f)ffp

2 3 6 7 45(f2f3)f8p4f1

（B.6） 3 (ff)(ff)ff 2 3 6 7 45式中f1、f2、f3…f8為簡(jiǎn)化B.6式的系數(shù)，無(wú)明確意義，由以下公式計(jì)算。 v)v)r2rf1 c c12c2 E r2rc2 v)2v)r3r2r2f c c2 12E r2r2 c 2 1 v)2v)r3rr2f3 s s2 23s3 E r2rs3 v)v)rr2f4 s s23 E r2r2 s 3 2 v)v)r2rf5 s s23 E r2r2 s 3 2f s s3 2(1v)(12v)rf s s3 2 6 E r2r2 s 3 2 v)2v)r3rr2f f

f3 347 E r2r2 f 4 3 vf)v)rr2

（B.6）f8 s34 E r2r2式中：

f 4 3Ec——(MPa)；Es——(MPa)；vc——套管泊松比，無(wú)量綱；vs——水泥環(huán)泊松比，無(wú)量綱；r1、r2、r3、r4、Ef、vf表示的物理量同附錄B.1。由以下公式計(jì)算實(shí)際井筒水泥環(huán)內(nèi)邊界上的徑向應(yīng)力sr與及環(huán)向應(yīng)力s，其中p2、p3由式B-4計(jì)算。srp2r2r2r22 3

22r 3 2r

（B.7）s

r2r2

r2r2 3式中：

3 2 3 2σsr——水泥環(huán)內(nèi)邊界上的徑向應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；σsθ——水泥環(huán)內(nèi)邊界上的徑向應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；sr

sr

=模擬 際 模擬 實(shí)際式B.7的r、r替為井筒尺，算對(duì)工況模水環(huán)外界力p2 、p3 。2 3 模擬 模擬模擬某一實(shí)際工況，模擬井筒內(nèi)部套管加的內(nèi)壓由下式計(jì)算：f2模擬+f3模擬p2模擬-f4模擬p3模擬1p =11模擬 f1模擬 （B.8）模擬模擬

、f2模擬

f模擬、f4模擬

由式B-6計(jì)算，其中尺寸、彈性模量、泊松比換成模擬井筒的、3、33若模擬井筒水泥環(huán)外部是膠套，則可直接在外部加壓力p3模擬

；若模擬井筒水泥環(huán)外部是套管，外部套管外需加的外壓由下式計(jì)算：

f6+f7-f5p2模擬4p =48模擬 f8模擬

（B.9）式中，f5模擬、f6模擬、f7模擬、f8模擬由式B.6計(jì)算，其中尺寸、彈性模量、泊松比換成模擬井筒的數(shù)據(jù)。C1水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)

附錄C（資料性附錄）水泥環(huán)密封性測(cè)試方法GB/T19139-201272h。C1.2C1.3溫度變化下密封性評(píng)價(jià)C1.4溫壓耦合下密封性評(píng)價(jià)示例：水泥石基本性能測(cè)試所需的資料如下：水泥漿配方：100%G級(jí)油井水泥+5%彈性材料+1%增韌劑+2%增強(qiáng)劑+4%降失水劑+0.5%緩凝劑+0.2%消泡劑+40%水；評(píng)價(jià)段水泥環(huán)所處溫度：80℃。收集的水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)所需資料如表C.1所示：表C.1水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)資料序號(hào)名稱(chēng)內(nèi)容1井身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)段套管鋼級(jí)P110、外徑139.7mm、壁厚12.34mm、彈性模量210GPa，井徑193.1mm、垂深2560m2地質(zhì)資料龍馬溪組頁(yè)巖、彈性模量22GPa、泊松比0.203作業(yè)參數(shù)壓裂段數(shù)25段、最大壓裂載荷90MPaGB/T19139-2012NB/T14004.2-2016SY/T6466-201680℃/20.7MPa72h27.4MPa2.1MPa、6.7GPa0.21。GB/T19139