交变载荷下固井水泥环完整性研究

目前,我国页岩气的开发方式多采用水平井套管完井和大排量分段压裂工艺技术。通过分段压裂工艺,使水力主裂缝沟通储层天然裂缝及岩石层理,从而形成裂缝网络,实现储层有效改造。由此,大型压裂时水泥环密封完整性问题日渐突出。本文采用G级油井水泥和页岩气固井水泥,分别探究其在不同温度压力及循环载荷条件下的水泥环完整性,进而为交变载荷下固井水泥环的力学完整性提供技术支撑。     

固井界面微环隙产生机制及计算方法

针对油气井生产过程中固井界面微环隙的产生和发展规律进行仿真试验研究,并对套管-水泥环界面的黏结力进行测量,基于以上研究建立固井界面微环隙的理论计算方法。结果表明:套管内压过大导致水泥环产生塑性变形,套管内压减小时固井界面将受拉,实测固井界面存在数量级为0.1 MPa的黏结力,当界面拉力足以克服界面黏结力时,固井界面将会脱离产生微环隙;套管内压值越大,压力卸载后产生微环隙的机率越大,且微环隙尺寸越大;相同胶结质量下固井一界面比二界面更容易产生微环隙;理论计算结果与仿真试验结果具有较好的一致性。     

气井环空带压对水泥环力学完整性的影响

受井下作业、油套管或封隔器泄漏等因素产生的井口环空带压,使高温高压气井水泥环密封完整性面临巨大挑战。为此,基于弹性力学多层厚壁圆筒理论和摩尔库仑失效准则,建立了水泥环应力和失效计算模型,研究了环空带压对水泥环胶结面应力和失效的影响。结果表明,环空带压将增大水泥环胶结面的切向拉应力,过大的切向拉应力将导致水泥环失效。与此同时,井筒温度增加产生的切向拉应力也会增大水泥环失效风险。环空带压越大,水泥环安全系数越低,且温度效应对安全系数的影响较小。对高温高压气井,可根据井身结构(地层-水泥环-套管)参数建立水泥环安全系数图版,从而为确定合理的最大允许环空带压值提供依据,研究结果对提高气井井筒安全性、延长开采寿命具有重要意义。     

哈法亚Yamama油藏套管损坏机理分析

针对哈法亚Yamama油藏异常高温、高压以及原油溶解气中高含CO_2的储层,首先对Yamama层CO_2腐蚀环境中套管扣型、选材等与套管腐蚀损坏进行了系统的分析,并推荐Yamama层生产套管和尾管材料选用C90-3Cr,扣型选用气密封扣,该材料和扣型能预防CO_2腐蚀和泄漏;其次,根据弹塑性接触问题的有限元方法和理论以及Yamama层水泥环、岩石及地应力参数等,建立了Yamama层在水泥环完好情况下套管损坏力学分析的有限元模型,系统地分析和研究了在不同井筒内压作用下,套管的力学损坏过程,同时获得了地应力传递到套管外壁和水泥环外壁的平均压力,为套管损坏的预防措施和强度设计提供了理论依据;最终通过射孔对套管强度的影响研究,针对Yamama储层,采用120°相位角螺旋射孔,以便延长套管的使用寿命。     

单轴多级循环加载下原煤加卸载响应比演化特征

煤矿井工开采往往对采场周边煤岩体产生周期性扰动,研究单轴多级循环加卸载条件下煤变形及破坏特征有助于深入认识煤柱损伤、劣化及失稳破坏机制,并为获取煤柱失稳前兆提供有效分析手段。通过开展原煤单轴多级循环加卸载实验,利用弹性模量变化量提取加卸载响应比以描述原煤破坏前兆特征;并基于声发射累计振铃计数定义加卸载响应比,探讨原煤破坏过程中内部损伤演化特征及破坏前兆。此外,通过对实验前、后煤样内部结构的CT扫描,结合逆向化建模方法,分析煤样破坏特征及模拟单元数量对加卸载响应比数值计算结果的影响。研究发现:基于实验获得的单轴循环载荷下原煤加卸载响应比存在3个变化阶段,且在每级应力水平下均呈周期性"W"型变化特征;当荷载水平逐渐升高时加卸载响应比呈下降趋势,当荷载水平较高且接近峰值荷载时,加卸载响应比先下降后急剧上升;而基于声发射累计振铃数计算的加卸载响应比则呈持续减小趋势,并在破坏前接近1。     

高渗压与循环加卸载环境下开挖卸荷岩体力学特性试验研究

探究高渗压与循环加卸载环境下深部开挖卸荷岩体力学特性的演化规律,有助于揭示复合荷载作用下工程开挖卸荷围岩的变形破坏机理。从区分开挖扰动强度与渗压量级入手,以高渗压环境下遭受开挖扰动的卸荷岩体为对象,开展了考虑特定孔压与循环荷载复合作用条件下的三轴加卸载试验。结果表明：(1)卸荷量级直接影响循环加卸载过程岩样的变形规律及其破坏强度,孔隙水压促进了岩样循环加卸载过程的拉剪破坏;(2)孔压增幅加剧了同量级卸荷岩样循环加卸载过程的延性变形及强度衰减,且卸荷岩样的轴向、环向与体积变形曲线均在2MPa孔压时产生波动;(3)伴随孔压增加,岩样卸荷量级为30%时的环向变形呈先增加后减小的趋势,而岩样卸荷量级为60%时的环向变形呈现先减小后增加的规律;(4)伴随卸荷量级与孔压增加,岩样破坏时端部裂隙的倾角逐渐增大,沿岩样轴向产生的拉剪破裂面愈加凸显。     

循环加、卸载条件下岩石类材料变形特性的实验研究

从不同位移速率、不同载荷水平和不同岩石孔隙性(如坚硬致密的细粒砂岩和软弱多孔的混凝土加气砖等)3个角度对岩石类材料在循环加、卸载条件下所形成的封闭塑性滞回环的演化规律进行探讨。通过对其实验结果的分析发现:(1)岩石类材料在循环加、卸载条件下的卸载曲线与加载曲线不重合,确实将形成一封闭的塑性滞回环;(2)循环加、卸载条件下,加载曲线段的位移变化量在第1次循环期间变化较大,但从第2次循环开始,其位移变化量的变化并不明显,而卸载曲线段的位移变化量在整个循环加、卸载过程中的变化似乎都不明显;(3)一般而言,位移速率越大纵向载荷–纵向位移曲线的斜率就越大,载荷水平越高第1次循环中载荷卸载至零时所残余的位移量也越大;(4)从第2次循环开始,在每次循环加、卸载完成之后,加载曲线段的起点与卸载曲线段的终点几乎是重合的,即从第2次循环实验开始几乎不再产生新的残余位移量;(5)针对具有不同孔隙性的岩石,在不同位移速率和不同载荷水平时其循环加、卸载条件下的变形响应程度将有所不同。     

ANSYS软件在注水井套损预测中的应用

注水井泄压过程中的套损问题是油田开发中遇到的棘手难题。通过对基本方程及定解条件的比较，将ANSYS软件中温度场和应力场的直接耦合分析方法应用于注水井泄压中地层-套管-水泥环系统的渗流-应力耦合分析中。通过数值模拟，研究了不同条件下地层渗流场、应力场及套管挤压力变化规律，给出了套管挤压力的计算模板。     

冻结裂隙岩石加卸载破坏机理CT实时试验

利用自制的岩石力学三轴CT加载系统 ,完成了具有单一裂纹的裂隙岩石在负温条件下的加卸载损伤破坏机理CT实时对比试验研究。分析了冻结裂隙岩石加卸载损伤全过程的CT图像和CT数的演化规律。结果表明 ,与连续加载情况下相比 ,冻结裂隙岩石的卸围压破坏突发性强 ,岩石扩容强烈     

灰岩岩样等幅和分级循环加卸载过程中电阻率响应规律研究

为研究受载过程中特别是循环加卸载作用下岩石电阻率变化规律,对单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下岩石破坏过程中的电阻率响应特征进行研究。试验结果表明,岩石电阻率变化与荷载变化或试件内微裂隙发展密切相关。等幅循环加卸载过程中,加载时随着荷载的增加,岩石的电阻率总体上呈下降的变化趋势;第1次加载循环与其他4次加载循环明显不同,在加载初期存在快速下降阶段;卸载时,试样电阻率会逐渐恢复;5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷40 k N)时,不同循环电阻率不同,第一次最大,以后逐次减小。分级循环加卸载与等幅循环加卸载存在一些相同的规律,不同之处在于:5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷取第一级完全加载时荷载35 k N)时,不同循环电阻率也不同,前3次循环电阻率依次减小,后2次循环逐次略有增加;破坏加载时,加载初期也存在快速下降阶段。对2种循环加卸载过程中电阻率变化规律采用循环加载下微裂隙闭合机制进行了解释。试验研究表明,电阻率变化可以较好地表征单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载过程中试件内微裂隙发展情况。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

Micro-annulus generation under downhole conditions: Insights from three-dimensional staged finite element analysis of cement hardening and wellbore operations

A micro-annulus (MA) is defined as a high permeability zone or gap initiating/occurring at the casing-cement and cement-formation interfaces during the wellbore life span. An MA can significantly compromise wellbore integrity by establishing enhanced fluid flow pathways. This study uses a staged finite element approach to simulate wellbore integrity during various loading steps of wellbore operations under downhole conditions. Particular emphasis is placed on the processes of cement poro-elastic property evolution, volume variation, and pore pressure variation as part of the cement hardening step. The resulting state of stress during the life cycle of a typical injection well (i.e. hardening, completion, and injection) is analyzed to assess the onset and evolution of micro-annuli at various interfaces of the composite wellbore system under downhole conditions. The results show that cement shear failure is observed at the casing-cement interface during pressure testing (excessive wellbore pressure); and tensile debonding failure initiates at the cement-formation interface due to cement shrinkage during hardening and injection-related cooling (thermal cycling). Sensitivity analyses considering several parameters show that: (1) the degree of poro-elastic bulk shrinkage has significant implications for both shear and tensile failure initiation – the less the cement shrinks, the less likely the failure initiation is; (2) cement integrity increases with increasing depth; (3) cement pore pressure evolution has significant implications for tensile failure – if cement pore pressure decreases more, higher temperature differences can be sustained before an MA occurs; and (4) cement temperature fluctuations during hardening promote initiation of debonding failure. In summary, the results presented indicate that establishing downhole conditions to quantitatively analyze MA generation is necessary. The results are different compared to laboratory studies without considering/simulating downhole conditions. The knowledge from this study can raise the awareness of predicting and evaluating MA under downhole conditions and can be used to supplement and improve future laboratory experiments.     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。     

卸荷应力状态下玄武岩变形破坏特征的试验研究

本文采用卸荷三轴试验．在实验室研究了玄武岩在卸荷状态下的变形和破坏特征．     

Effect of fatigue loading-confining stress unloading rate on marble mechanical behaviors: An insight into fracture evolution analyses

Rocks in underground works usually experience rather complex stress disturbance. For this, their fracture mechanism is significantly different from rocks subjected to conventional triaxial compression conditions. The effects of stress disturbances on rock geomechanical behaviors under fatigue loading conditions and triaxial unloading conditions have been reported in previous studies. However, little is known about the dependence of the unloading rate on fatigue loading and confining stress unloading (FL-CSU) conditions that influence rock failure. In this paper, we aimed at investigating the fracture behaviors of marble under FL-CSU conditions using the post-test X-ray computed tomography (CT) scanning technique and the GCTS RTR 2000 rock mechanics system. Results show that damage accumulation at the fatigue stage can influence the final fracture behaviors of marble. The stored elastic energy for rock samples under FL-CSU tests is relatively larger compared to those under conventional triaxial tests, and the dissipated energy used to drive damage evolution and crack propagation is larger for FL-CSU tests. In FL-CSU tests, as the unloading rate increases, the dissipated energy grows and elastic energy reduces. CT scanning after the test reveals the impacts of the unloading rate on the crack pattern and a fracture degree index is therein defined in this context to represent the crack dimension. It shows that the crack pattern after FL-CSU tests depends on the unloading rate, and the fracture degree is in agreement with the analysis of both the energy dissipation and the amount of energy released. The effect of unloading rate on fracture evolution characteristics of marble is revealed by a series of FL-CSU tests.     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

石灰岩孔道试样孔内卸压条件下破坏特征的研究

 为了研究复杂应力环境下岩体工程开挖的影响,设计内压加卸载试验装置,利用内径20 mm、外径49.84 mm的厚壁圆筒石灰岩试样,在RMT–150C岩石力学试验系统进行不同内压条件下的加卸载试验,重点分析了孔内卸压条件下试样的破坏形式产生机制。结果表明：(1) 固定孔压加载时,由于试样孔道内外存在应力差,不能进入延性变形阶段,高围压时有孔压试样的强度明显高于无孔压试样的强度;(2) 孔压卸载对试样造成的损伤较大,卸载孔压后重新加载的试样,其强度低于常规三轴压缩时的孔道试样;卸载破坏时试样内外压差越大,其强度越小,表明围岩发生破坏的根源在于巷道开挖卸载后引起应力差的增加;(3) 固定孔压时,试样多呈现单一的剪切面滑移破坏,而卸载孔压时试样破坏形式都为张拉破坏或者压拉组合破坏,应力路径对孔道试样破坏形式影响较大。研究结果为揭示深埋巷道围岩破坏失稳现象的产生机制提供参考。     

周期荷载作用下白砂岩的疲劳特性研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,分别采用固定下限应力改变上限应力和固定上限应力改变下限应力的试验方法,进行不同加载条件下白砂岩的疲劳试验,研究周期荷载作用下白砂岩疲劳破坏过程中的疲劳特性、轴向应变的累积规律和轴向不可逆变形的发展规律和应变速率与循环次数的关系。研究结果表明,周期荷载作用下白砂岩的破坏过程宏观上是轴向不可逆变形的逐步发展累积,直到其破坏的过程,且其轴向不可逆变形发展过程表现出不依赖于应力比的三阶段发展规律;且疲劳破坏过程受静态应力–应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和振幅是影响白砂岩疲劳破坏过程和疲劳寿命的主要因素。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。