高围压压裂工况的水泥石三轴抗压强度疲劳因子测试方法与流程

本发明属于石油钻采固井，具体涉及到一种高围压压裂工况的水泥石三轴抗压强度疲劳因子测试方法。

背景技术：

1、在高围压压裂工况下水泥石一般发生压缩破坏或产生环空微环隙，水泥石强度经历多轮次压裂后会发生疲劳，其强度会降低。目前国内外针对多轮次压裂后的水泥石强度疲劳因子研究主要是在实验室单轴条件下开展的，较少开展三轴实验条件下多轮次压裂后的疲劳因子研究。

2、目前国内主要针对水泥石强度的研究方向主要集中在不同生产模式下水泥石性能变化及井筒完整性研究。如：张佳滢、严俊涛等提出，采用在水泥浆中掺入弹性粒子、纳米硅灰和晶须，三者复掺形成了弹性模量低且强度高的水泥石的方法，提高了深层页岩气井在高压裂施工荷载下水泥环的密封完整性(张佳滢,严俊涛,周迎春,张鹏,徐璞,张海志.深层页岩气井高强度弹韧性水泥石力学性能研究.钻采工艺.2021,44(04),132-136.)；何军、黄昭等利用有限元分析软件建立了低熟页岩油井筒组合体密封完整性模型，结合水泥石强度试验开展了高温开采井筒完整性研究，研究表明：当水泥石温度大于175℃时水泥环失效、套管屈服强度降低，并提出采用热应力补偿器的方法消除套管热应力，确保低熟页岩开采井筒安全环保生产(何军,黄昭,张清,项中华,高磊,王兆会.低熟页岩油高温开采井筒完整性.科学技术与工程.2021,21(05),1752-1757.)。

3、因此，为了准确评价水泥石经受多轮次压裂后的真实抗压强度及水泥环完整性，需要开展三轴条件下多轮次压裂后的水泥石抗压强度疲劳因子研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种高围压压裂工况的水泥石三轴抗压强度疲劳因子测试方法，能够评价水泥石经受多轮次压裂后的真实抗压强度及水泥环完整性，有助于准确的测试在高围压压裂工况下水泥环的抗压强度，防止水泥环在压裂过程中因承载径向压力过高而发生压缩破坏。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高围压压裂工况的水泥石三轴抗压强度疲劳因子测试方法，包括以下步骤：

3、(1)分析确定一口井压裂段温度t0，初始工况条件下的套管内压力p0，井段压裂时的套管内压力最大值为p1，获取该压裂段的套管壁厚、水泥环厚度、套管、水泥石及地层的弹性模量和泊松比，利用数值模拟软件计算初始井筒内压力为p0时的水泥环一界面径向应力σ0r1和二界面径向应力σ0r2，计算一界面径向应力与二界面径向应力之比η0＝σ0r1/σ0r2，简称一二界面应力比；按压裂段水泥浆体系配方配制水泥浆，在养护温度t0下养护48h，养护形成水泥石试件后在三轴试验机上对其施加围压σ0r2，测试此围压条件下的水泥石三轴抗压强度c0；

4、(2)根据该井套管内压力交变方案，利用数值模拟软件计算压裂过程中井筒内压力为p1时水泥环的一界面径向应力σ1r1和二界面径向应力σ1r2，计算一二界面应力比η1＝σ1r1/σ1r2，则可得压裂过程中套管内压力在p0～p1范围内按p0→p1→p0→p1→p0→p1→…模式循环交变n个轮次时，固井水泥环一界面径向应力按σ0r1→σ1r1→σ0r1→σ1r1→σ0r1→σ1r1→…模式循环交变n个轮次，固井水泥环二界面径向应力按σ0r2→σ1r2→σ0r2→σ1r2→σ0r2→σ1r2→…模式循环交变n个轮次；

5、(3)按压裂段水泥浆体系配方配制水泥浆，在养护温度t0下养护48h，养护形成水泥石试件后在三轴试验机上按固井水泥环二界面径向应力交变方案σ0r2→σ1r2→σ0r2→σ1r2→σ0r2→σ1r2→…模式循环交变n个轮次施加围压，并同时按固井水泥环一界面径向应力交变方案σ0r1→σ1r1→σ0r1→σ1r1→σ0r1→σ1r1→…模式循环交变n个轮次施加轴向压力，测试不同压力交变轮次数量i(1≤i≤n)下的水泥石三轴抗压强度p1i；

6、(4)计算不同轮次数量i下的疲劳因子λ1i＝p1i/c0(1≤i≤n)，绘制疲劳因子λ1i随压力交变轮次数量i的变化曲线，并对曲线进行拟合得到疲劳因子λ1i随压力交变轮次数量i的变化关系式；

7、(5)调整套管内压力交变方案，压裂时的井筒最大内压力为pj，压裂过程中套管内压力在p0～pj范围内按p0→pj→p0→pj→p0→pj→…模式循环交变n个轮次；重复步骤(2)—(4)，得到不同套管内压力交变方案下疲劳因子λji随压力交变轮次数量i的变化曲线，并对曲线进行拟合得到疲劳因子λji随压力交变轮次数量i的变化关系式；其中p0<pj，j＝2、3、4、5，且p1≠p2≠p3≠p4≠p5；

8、(6)以一二界面应力比ηj＝σjr1/σjr2为x轴、压力交变轮次数量i为y轴，水泥石抗压强度疲劳因子λji＝pji/c0为z轴，绘制三维曲面图，对于一口新压裂井的压力交变方案，计算压裂过程中压力交变条件下的一二界面应力比ηj＝σjr1/σjr2，依据一二界面应力比和压裂轮次数量i，即可查图得到水泥石三轴抗压强度疲劳因子λji，为准确评价水泥石经受压裂后的真实抗压强度及水泥环完整性提供技术支撑。

9、本发明的有益效果是：能够有效的预防水泥环在高围压井况条件下发生压缩破坏失效情况，保障井筒完整性。

技术特征：

1.一种高围压压裂工况的水泥石三轴抗压强度疲劳因子测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种高围压压裂工况的水泥石三轴抗压强度疲劳因子测试方法，采用数值模拟的方法，分别计算压裂过程中压力交变条件下的一二界面应力比、压力交变轮次数量和水泥石抗压强度疲劳因子，再分别以这三个参数为X轴、Y轴和Z轴，绘制三维曲面图版；一口新压裂井的压力交变方案确定后，计算压裂过程中压力交变条件下的一二界面应力比，依据一二界面应力比和压裂轮次数量，即可查图得到水泥石三轴抗压强度疲劳因子。本发明方法能够评价水泥石经受多轮次压裂后的真实抗压强度及水泥环完整性，有助于准确的测试在高围压压裂工况下水泥环的抗压强度，防止水泥环在压裂过程中因承载径向压力过高而发生压缩破坏。

技术研发人员：张海军,程荣升,肖成才,郑双进,邵力飞,王立辉,秦飞翔,孙景涛,杨衍云,刘霞,王国娜
受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16