[发明专利]一种水泥浆塑态体积收缩率的确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及油气田开发领域固井过程中水泥浆塑态体积收缩率的确定方法。

背景技术

水泥浆体积收缩指固井后水泥浆在井底温度、压力条件下，从液态逐渐变成固态过程中、以及后期生产全过程中体积总的改变量。研究表明，水泥浆体积收缩主要是由水化反应引起的，原因在于水化反应所生成的水化物体积小于水和水泥颗粒的混合体积。随着水化反应的进行，液态水泥浆逐渐凝固成固态水泥石需经历液相、胶凝、凝固和硬化等四个阶段。因此，可将水泥浆体积收缩分为终凝前塑态体积收缩和后期水泥石体积收缩两个阶段。水泥浆塑态体积收缩会导致水泥浆柱的孔隙压力下降（即胶凝失重），造成水泥浆气侵；后期水泥石体积收缩则使得水泥环与地层和套管间胶结不良，形成微间隙，为气窜提供通道，造成油气资源的大量流失。已有研究表明，水泥浆体积收缩率最大可达6%左右，其中初凝前收缩很小，小于0.5%；90%以上的收缩主要发生在初凝至终凝这段水化反应最激烈的过渡期内；凝固成水泥石后的收缩仍会缓慢进行，但收缩量很小。因此，研究水泥浆塑态体积收缩对于早期气窜的防止、确保油气井勘探开发安全更有意义。

实验模拟测试是目前获得水泥浆体积收缩率的唯一手段，测试水泥浆体积收缩率的实验模拟装置主要有水泥自收缩测试法、“开环”法、比长仪法、ASTM膨胀测试法、高温高压体积变化率仪等。目前实验模拟测试装置主要用于测试水泥浆凝固后的体积收缩率，即终凝后的水泥石体积收缩率，用于测试水泥浆凝结全过程体积收缩率的仪器较少。另外，由于现有测试仪器存在无法模拟井底温度、压力工况，无法有效隔离加压介质和水泥浆等实验原理、方法的限制，目前有关水泥浆体积收缩的实验测试仍处于探索发展阶段，尚不能准确测量水泥浆的收缩与膨胀，无法满足防气窜研究需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水泥浆塑态体积收缩率的确定方法，该方法原理可靠，实际操作方便，能有效确定水泥浆在凝固过程的塑态体积收缩率变化规律，为水泥浆防气窜能力评价提供了科学依据，具有广阔的应用前景。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

基于终凝前套管、地层在井下的实际受力工况，建立水泥浆凝固过程中液塑态“套管-水泥浆-地层”物理模型，并求解水泥浆塑态体积收缩对孔隙压力下降影响的解析关系。利用该关系模型，通过室内失重实验，测试水泥浆的失重压差，结合地层岩石、套管的弹性模量、泊松比等力学参数，计算获得终凝前水泥浆塑态体积收缩率大小。

本发明采用水泥浆塑态体积收缩率数学模型，依据弹性力学基础理论（徐芝纶，弹塑性力学[M]，北京：高等教育出版社，2006），来推导出水泥浆塑态体积收缩率与孔隙压力下降的关系，具体推导过程如下：

（1）假设条件

为了建立水泥浆凝固前塑态体积收缩数学模型，首先对水泥浆所处的复杂井下环境及受力状态作如下简化：①套管、地层轴向尺寸远大于径向尺寸，可按照平面应变问题分析二者径向、周向应力应变；②以主力气层附近的水泥浆柱为研究对象，主要分析气层位置处水泥浆孔隙压力下降，近似为恒温问题，忽略候凝热传导和水泥水化反应放热引起的温度变化；③研究井段井眼为规则圆形井眼，套管居中度100%；④水泥浆孔隙压力下降所引起的套管、井壁围岩变形均为微小变形，故将套管、井壁围岩考虑为均质、连续、各向同性的理想弹性材料，候凝期间不发生塑性变形；⑤终凝前水泥浆尚未失去流动性，因此套管、水泥浆、地层彼此紧密相连，无微环隙。

（2）模型建立与求解

“套管-水泥浆-地层”物理模型见附图1，设r_i、r_o、r_w、r_f分别表示套管内半径、套管外半径、井眼半径和地层半径，显然地层半径r_f→∞。由模型假设可知，套管、地层受力均为轴对称应力，为了简化计算，选择极坐标进行分析。由弹性力学理论知，轴对称应力状态下的应力分量半定解和位移分量分别见如下。

上式中A、B、C、H、I、K均是任意常数。

①套管位移变化分析

套管受力状态见附图2，其中q_i为候凝时由套管内钻井液或候凝液产生的均布载荷，q₀为候凝时由环空水泥浆产生的液柱压力。

显然，应力分布应当是轴对称的。套管受力边界条件为：

将边界条件带入应力分量半定解得：