本發(fā)明涉及油氣井安全評(píng)價(jià)，尤其涉及一種交變載荷下水泥環(huán)破壞程度定量評(píng)價(jià)方法及存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、水泥環(huán)是組成固結(jié)體的主要材料之一，起著連接套管和地層的作用，在套管內(nèi)壓和地層外壓增加時(shí)起著承載壓力和抵抗變形的功能。由于水泥環(huán)的自身性質(zhì)，水泥環(huán)本身就是固結(jié)體中最容易遭到破壞的，當(dāng)前隨著油氣開采逐漸走向深層超深層，井下壓力、溫度以及產(chǎn)量明顯激增，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，固井施工難度大，在替液射孔、破堵、退液、壓裂、停泵、關(guān)井、試產(chǎn)等極限交變壓力工況下，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)套管全井筒水泥環(huán)塑性破壞，影響水泥密封完整性，最終導(dǎo)致環(huán)空帶壓，引發(fā)井完整性失效。目前，關(guān)于高溫高壓井水泥環(huán)在交變壓力作用下塑性破壞程度評(píng)價(jià)的研究很少，且得到的結(jié)果大多基于定性、過于片面。亟需研究在交變載荷作用下不同固井質(zhì)量時(shí)水泥環(huán)的塑性破壞規(guī)律，定量評(píng)價(jià)其完整性和強(qiáng)度安全性。為高溫高壓井水泥環(huán)塑性破壞程度提供一種科學(xué)、合理的綜合評(píng)價(jià)方法，可避免由于水泥環(huán)失效而造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害。

2、在中國專利申請文獻(xiàn)cn?110411679?a中公開了一種水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)方法，包括：獲取儲(chǔ)氣庫井參數(shù)和待測試的水泥環(huán)的水泥環(huán)參數(shù)，其中所述儲(chǔ)氣庫井參數(shù)用于指示在注采氣過程中儲(chǔ)氣庫井底應(yīng)力環(huán)境的交變載荷；基于載荷等效模型、所述水泥環(huán)參數(shù)和所述儲(chǔ)氣庫井參數(shù)，向所述水泥環(huán)施加對應(yīng)于所述儲(chǔ)氣庫井底應(yīng)力環(huán)境的等效交變載荷；測試所述水泥環(huán)在所述等效交變載荷作用下發(fā)生密封失效所對應(yīng)的時(shí)長，并基于該所測出的時(shí)長評(píng)價(jià)所述水泥環(huán)在所述儲(chǔ)氣庫井底應(yīng)力循環(huán)作用下的壽命。等效交變載荷是被周期性施加的，以及該水泥環(huán)參數(shù)包括水泥環(huán)的最大形變率，其中所述確定所述水泥環(huán)在所述等效交變載荷作用下發(fā)生密封失效所對應(yīng)的時(shí)長并基于該所確定的時(shí)長評(píng)價(jià)所述水泥環(huán)在所述儲(chǔ)氣庫井中應(yīng)力循環(huán)作用下的壽命包括：基于所述水泥環(huán)的最大形變率確定所述等效交變載荷被施加的載荷運(yùn)行周期；根據(jù)所述等效交變載荷被施加的載荷運(yùn)行周期，統(tǒng)計(jì)所述水泥環(huán)在所述等效交變載荷作用下發(fā)生密封失效所對應(yīng)的載荷運(yùn)行周期的數(shù)量；根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的所述載荷運(yùn)行周期的數(shù)量，相應(yīng)確定所述水泥環(huán)在所述儲(chǔ)氣庫井中實(shí)施安全注采氣的次數(shù)閾值。

3、現(xiàn)有技術(shù)至少具有如下不足：

4、1.現(xiàn)有水泥環(huán)破壞評(píng)價(jià)通常采用相似準(zhǔn)則方式開展與實(shí)際情況相接近的物理模型試驗(yàn)，成本較高，且由于該實(shí)驗(yàn)多為破壞性試驗(yàn)，與現(xiàn)場實(shí)際存在一定的差異。

5、2.現(xiàn)有數(shù)值解析解研究在理論研究上進(jìn)行了大量的簡化，不能反應(yīng)實(shí)際情況水泥環(huán)套管受力狀況，此外，現(xiàn)有數(shù)值模擬分析方法將水泥石等材料模型設(shè)置為線彈性方式，且沒有考慮高溫的影響，與實(shí)際現(xiàn)場固井解釋資料不能匹配，不能模擬實(shí)際交變載荷下地層水泥環(huán)的破壞程度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種交變載荷下水泥環(huán)破壞程度定量評(píng)價(jià)方法，包括如下步驟：根據(jù)室內(nèi)不同溫度下單軸和三軸壓縮試驗(yàn)以及循環(huán)載荷作用下應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)室內(nèi)預(yù)設(shè)的固井水泥膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)時(shí)不同溫度下水泥環(huán)力學(xué)參數(shù)；結(jié)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水泥環(huán)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場套后成像儀固井質(zhì)量解釋結(jié)果，按照預(yù)設(shè)的質(zhì)量分級(jí)制度對全井段水泥環(huán)固井質(zhì)量進(jìn)行力學(xué)參數(shù)定量化賦值；根據(jù)地應(yīng)力參數(shù)和不同工況在不同井身結(jié)構(gòu)下不同部位的尺寸模型，建立地層-套管-水泥環(huán)平面應(yīng)變有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到全井筒不同水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑的變化關(guān)系曲線；根據(jù)同水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑的變化關(guān)系，得到水泥環(huán)塑性破壞區(qū)域，根據(jù)水泥環(huán)塑性破壞區(qū)域的面積評(píng)價(jià)交變載荷下水泥環(huán)破壞程度。本發(fā)明可以直接獲得交變載荷下全井筒不同水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑的變化關(guān)系，更接近于實(shí)際工況，預(yù)測結(jié)果科學(xué)、準(zhǔn)確；準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水泥環(huán)的破壞程度，給出不同試油試產(chǎn)工況下是否能夠安全生產(chǎn)的建議，保障了高溫高壓井安全高效試油試產(chǎn)，對避免由于水泥環(huán)失效造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。

2、本發(fā)明提供了一種交變載荷下水泥環(huán)破壞程度定量評(píng)價(jià)方法，包括如下步驟：

3、根據(jù)室內(nèi)不同溫度下單軸和三軸壓縮試驗(yàn)以及循環(huán)載荷作用下應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)室內(nèi)預(yù)設(shè)的固井水泥膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)時(shí)不同溫度下水泥環(huán)力學(xué)參數(shù)；

4、結(jié)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水泥環(huán)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場套后成像儀固井質(zhì)量解釋結(jié)果，按照預(yù)設(shè)的質(zhì)量分級(jí)制度對全井段水泥環(huán)固井質(zhì)量進(jìn)行力學(xué)參數(shù)定量化賦值；

5、根據(jù)地應(yīng)力參數(shù)和不同工況在不同井身結(jié)構(gòu)下不同部位的尺寸模型，建立地層-套管-水泥環(huán)平面應(yīng)變有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到全井筒不同水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑的變化關(guān)系曲線；

6、根據(jù)同水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑的變化關(guān)系，得到水泥環(huán)塑性破壞區(qū)域，根據(jù)水泥環(huán)塑性破壞區(qū)域的面積評(píng)價(jià)交變載荷下水泥環(huán)破壞程度。

7、優(yōu)選地，進(jìn)行數(shù)值模擬具體為水泥環(huán)力學(xué)強(qiáng)度以及水泥環(huán)完整性數(shù)值模擬。

8、優(yōu)選地，對全井段水泥環(huán)固井質(zhì)量進(jìn)行力學(xué)參數(shù)定量化賦值包括對材料參數(shù)和區(qū)塊地層巖石力學(xué)參數(shù)定量化賦值，所述材料參數(shù)包括計(jì)算當(dāng)前工況下位置地層巖石力學(xué)參數(shù)、位置地層深度、水泥石的彈性模量、水泥石的泊松比、水泥的內(nèi)聚力、水泥的摩擦角、金屬套管材料的彈性模量和金屬套管材料的泊松比；所述區(qū)塊地層巖石力學(xué)參數(shù)包括最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和垂向應(yīng)力梯度。

9、優(yōu)選地，所述的材料參數(shù)考慮高溫的影響，所述材料參數(shù)與全井段在不同工況下的溫度關(guān)聯(lián)，根據(jù)不同工況下計(jì)算的溫度剖面曲線，在不同工況不同井深位置的模型計(jì)算時(shí)賦予不同的所述材料參數(shù)。

10、優(yōu)選地，地層-套管-水泥環(huán)平面應(yīng)變有限元模型的建立步驟如下：

11、根據(jù)地應(yīng)力參數(shù)和不同工況在不同井身結(jié)構(gòu)下不同部位的尺寸模型，建立地層-套管-水泥環(huán)的幾何模型；

12、選用高階平面應(yīng)變單元，劃分有限元單元；所述高階為大于等于2階；

13、在界面與界面之間采用接觸的方式建立接觸對，設(shè)置真實(shí)間隙模擬，在部分界面接觸處模擬水泥環(huán)與套管之間的間隙，在其他界面接觸處設(shè)置為水泥環(huán)與套管之間無間隙。

14、優(yōu)選地，根據(jù)水泥環(huán)塑性破壞區(qū)域的面積評(píng)價(jià)交變載荷下水泥環(huán)破壞程度具體為，采用如下公式確定塑性積分評(píng)價(jià)因子w，采用塑性積分評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)交變載荷下水泥環(huán)破壞程度：

15、

16、

17、其中，

18、f(x)為不同水泥石膠結(jié)強(qiáng)度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿水泥環(huán)內(nèi)壁周向路徑的變化關(guān)系曲線的擬合關(guān)系式；

19、x是周向路徑，0≤x≤s；

20、r為水泥環(huán)內(nèi)壁半徑；

21、θ周向最大塑性破壞角度；

22、s為對應(yīng)水泥石膠結(jié)強(qiáng)度的最大塑性路徑范圍。

23、優(yōu)選地，對全井段水泥環(huán)固井質(zhì)量進(jìn)行力學(xué)參數(shù)定量化賦值時(shí)，根據(jù)測井曲線顯示的固井水泥膠結(jié)質(zhì)量等級(jí)設(shè)置實(shí)際的水泥石參數(shù)，

24、水泥膠結(jié)質(zhì)量為“優(yōu)”，實(shí)際的水泥石參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的95％～100％；

25、水泥膠結(jié)質(zhì)量為“良”，實(shí)際的水泥石參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的80～95％；

26、水泥膠結(jié)質(zhì)量為“中”，實(shí)際的水泥石參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的60～80％；

27、水泥膠結(jié)質(zhì)量為“差”，實(shí)際的水泥石參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的50～60％；

28、水泥膠結(jié)質(zhì)量為“極差”，實(shí)際的水泥石參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的30～50％。

29、優(yōu)選地，水泥石參數(shù)根據(jù)測井曲線的質(zhì)量等級(jí)的不同，在不同層位賦予不同的水泥石參數(shù)。

30、優(yōu)選地，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，通過施加邊界條件約束和施加內(nèi)壓得到全井筒不同水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑的變化關(guān)系曲線，所述施加邊界條件約束和施加內(nèi)壓，為對稱邊界施加對稱約束；在外邊界最大應(yīng)力和最小地應(yīng)力時(shí)，在井筒內(nèi)壁施加井筒內(nèi)壓。

31、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述的任一交變載荷下水泥環(huán)破壞程度定量評(píng)價(jià)方法的步驟。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相對比，本發(fā)明的有益效果如下：

33、1.本發(fā)明中通過不同工況下室內(nèi)水泥環(huán)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，獲取不同狀態(tài)下水泥石在不同溫度下內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)性能參數(shù)。并將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水泥環(huán)測試結(jié)果及現(xiàn)場ibc固井質(zhì)量解釋結(jié)果結(jié)合，按照“優(yōu)-中等-差”的分級(jí)制度對全井段水泥環(huán)實(shí)現(xiàn)了定量化賦值。

34、2.本發(fā)明根據(jù)水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應(yīng)變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑變化數(shù)據(jù)確定破壞區(qū)域，首次引入塑性積分評(píng)價(jià)因子來定量描述水泥環(huán)的破壞程度，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水泥環(huán)的破壞程度，給出不同試油試產(chǎn)工況下是否能夠安全生產(chǎn)的建議，保障了高溫高壓井安全高效試油試產(chǎn)，對避免由于水泥環(huán)失效造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。