一种基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法

本发明涉及石油开采，尤其涉及一种基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法。

背景技术：

1、固井是石油开采中的一项重要施工环节，固井质量直接影响油田的开采安全和发展前景。固井后形成的套管-水泥环-地层组合体在高温高压状态下受到复杂的温压应力变化，易形成微环隙而造成水泥环密封失效，地层流体侵入微环隙向上运移，使水泥环本体破坏或胶结界面破坏，导致环空带压，对井的寿命、质量及工作人员的人身安全产生了严重威胁。因此，通过实验测量出水泥浆体系的胶结强度，找出影响界面胶结强度的主要因素，对优化水泥浆体系具有重要意义。

2、cn105092465b提出的胶结强度测试方法主要由液压动力系统、顶柱、压力传感器组成，通过液压动力系统带动顶柱将胶结筒上移，直至水泥与胶结筒内壁松动，通过压力传感器记录水泥与胶结筒内壁松动时的压力值，计算胶结强度。cn109342195b提出的胶结强度测试方法主要包括金属拉伸杆和液压式拉伸试验机，将套管-水泥试样两端夹持在液压式拉伸试验机上，当试样拉断后立即停止加载，记录此时载荷值，通过载荷除以水泥石面积求得水泥-套管界面的胶结强度。以上方法都是通过界面破坏时的压力来表征水泥-套管界面胶结强度，但界面在破坏过程中除了胶结作用，还有摩擦效应，利用剪切强度表征胶结强度是不准确的。cn111504898b提出了一种通过气窜法测试水泥环的胶结强度，在套管进气口连接压力表，出气口端连接水箱，开启高压气瓶，直至水箱内有气泡冒出，利用压力表上的数值表征水泥-套管界面胶结强度，这种方法不仅操作复杂且涉及安全问题，测试时由于水泥石的渗透率影响结果的准确性。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足，本发明所采用的技术方案是：一种基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法包括以下步骤：

2、步骤一、通过水泥-套管界面胶结强度实验采集水泥推出的位移、压力和应变片的应变数据，绘制载荷-位移曲线；

3、步骤二、进行岩石力学试验，获得水泥石弹性参数；

4、步骤三、建立摩擦效应的水泥-套管界面胶结强度模型；

5、进一步的，水泥-套管界面胶结强度模型的公式为：

6、τ＝fσr+c    (5)

7、式中，τ为接触界面切向应力，f为界面摩擦系数，σr为水泥-套管界面法向应力，c为接触界面黏结力。

8、步骤四、利用fortran构建摩擦效应的cohesive单元；

9、进一步的，步骤四具体包括：

10、通过引入损伤变量衡量界面损伤区域和未损伤区域，同时在损伤过程中引入摩擦效应，描述水泥-套管界面的胶结强度变化；

11、计算损伤部分的位移，公式为：

12、δd＝δdc+δdi    (6)

13、式中，δdc是弹性位移，δdi为非弹性位移；

14、构建非损伤部分的应力，公式为：

15、τu＝k1δu＝k1δ    (7)

16、式中，δu为损伤部分的位移，δ为当前位移；k1是初始剪切刚度；

17、计算在损伤部分的应力，公式为：

18、τd＝k2(δ-δdi)    (8)

19、式中，δdi为非弹性位移；

20、

21、式中，δr为损伤结束时的位移；σn为法向应力，为摩擦角；δp为损伤开始时的位移；

22、损伤部分的应力演化规律为：

23、

24、当时，损伤部分的应力τd为：

25、

26、当时，接触界面切向应力τ为：

27、τ＝(1-d)τu+dτd    (12)

28、式中，τu为未损伤部分的剪切应力；

29、进一步的，损伤变量d的公式为：

30、

31、其中，δ为当前位移；

32、

33、计算接触界面切向应力τ，公式为：

34、

35、步骤五、根据室内实验工况，在abaqus软件中建立水泥-套管几何模型，将水泥-套管的弹性参数输入到几何模型的单元体；

36、步骤六、根据有限元仿真结果，获取水泥-套管胶结面的计算结果；

37、进一步的，具体包括：

38、通过应力云图绘制应力-位移曲线；

39、将仿真应力-位移曲线与实验测量应力-位移曲线进行拟合，得到反演出水泥-套管界面胶结强度本构关系的界面摩擦系数f和接触界面黏结力c；

40、计算水泥-套管界面胶结强度。

41、进一步的，水泥-套管界面胶结强度的公式为：

42、f＝c*a    (16)

43、式中，f为水泥-套管界面胶结强度，c为接触界面黏结力，a为试样的剪切面积。

44、本发明的有益效果：

45、1、在考虑界面粘结力和摩擦力耦合的基础上，基于水泥-套管界面胶结强度实验进行数值模拟，引入编写的考虑摩擦效应的cohesive单元，反演出胶结强度参数，能够准确表征水泥-套管界面的胶结强度；

46、2、数值模拟结果与试验结果一致度较高，验证了水泥套管界面胶结强度模型对界面胶结强度实验研究的可行性，对优化水泥浆体系具有重要意义。

技术特征：

1.一种基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法，其特征在于，水泥-套管界面胶结强度模型的公式为：

3.根据权利要求1所述的基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法，其特征在于，步骤四具体包括：

4.根据权利要求3所述的基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法，其特征在于，损伤变量的公式为：

5.根据权利要求1所述的基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法，其特征在于，步骤六具体包括：

6.根据权利要求5所述的基于摩擦效应的测试水泥-套管胶结强度方法，其特征在于，水泥-套管界面胶结强度的公式为：

技术总结
本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及一种基于摩擦效应的测试水泥‑套管胶结强度方法，包括进行水泥‑套管界面胶结强度实验，采集水泥推出的位移、压力和应变片的应变数据，绘制载荷‑位移曲线；进行岩石力学试验，获得水泥石弹性参数；建立摩擦效应的水泥‑套管界面胶结强度模型；利用Fortran构建摩擦效应的cohesive单元；在ABAQUS软件中建立水泥‑套管几何模型，将水泥‑套管的弹性参数输入到几何模型的单元体；根据有限元仿真结果，获取水泥‑套管胶结面的计算结果。本发明现有方法中通过界面破坏时的压力来表征水泥‑套管界面胶结强度，但界面在破坏过程中除了胶结作用，还有摩擦效应，利用剪切强度表征胶结强度是不准确的问题。

技术研发人员：曹文科,于倩,樊慧丽,李继虎,李腾
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13