2023年页岩气固井工程第4部分：水泥环密封性评价方法

页岩气固井工程411目次前言 21范围 12规性用件 13术和义 14文的别 15水石本能测试 16水环封评价 2附录A（料附）泥环封测方法 4附录B（料附）价装井尺及验载计算 5附录C（料附）泥环封测方法 9页岩气固井工程第4部分：水泥环密封性评价方法范围本文件规范了页岩气井固井水泥环的密封性评价方法。本文件适用于页岩气井完井作业、开采过程及其它施工作业中水泥环的密封性评价。（GB/T19139-2012油井水泥试验方法NB/T14004.2-20162SY/T6466-2016下列术语和定义适用于本文件。3.1水泥环全生命周期lifecycleofcementsheath从固井水泥浆候凝结束形成水泥环至弃井的时间周期。3.2密封性sealing水泥环对油、气、水等井下流体的封隔能力。3.3初始应力initialstress固井水泥浆候凝结束时水泥环的应力状态。本文件的类别属于规范标准。PAGEPAGE10水泥石基本性能测试前，应收集评阶段水泥浆配方及所处井下温度等资料。根据收集的水泥浆配方，按照GB/T19139-2012第5章中相关规定制备水泥浆，成型基本性能测试的试样，按照GB/T19139-2012第7章中相关规定加压养护水泥石。水泥石抗压强度测试按照GB/T19139-20127315%15%水泥石抗拉强度测试按照NB/T14004.2-2016附录B中规定的方法进行。水泥石弹性模量测试按照NB/T14004.2-2016附录A中规定的方法进行。水泥石泊松比测试按照SY/T6466-2016第7章中规定的方法进行。水泥环密封性评价前，应按表1要求收集资料。表1水泥环密封性评价资料序号名 称内 容1井身结构评价段套管钢级、尺寸、壁厚、机械性能、封固段、垂深等2电测数据井径、井温等3地质资料地层岩性、地层压力等4作业参数试压载荷、压裂段数、压裂载荷、井下压裂液温度等5开发参数开发期间温度、压力及变化次数等6其它资料总则5（）（）（）水泥环密封性评价装置可参考附录A，评价装置井筒尺寸及试验外载计算可参考附录B，测试方法可参考附录C。

附录A（资料性附录）水泥环性密封评价装置水泥环密封性评价装置中模拟井筒可采用以下2种方式：B.1B.2全尺寸水泥环密封性评价装置示意图如图A.1所示。

图A.1全尺寸水泥环密封性评价装置示意图139.7mm12.34mmN80215.9mm附录B（资料性附录）评价装置井筒尺寸及试验外载计算某工况下，套管-水泥环-地层组合体模型如图B.1所示。图B.1套管-水泥环-地层组合体模型在模拟井筒中利用外筒模拟井壁围岩，外筒外半径代表井壁围岩半径，外筒外半径的计算见公式(B.1)：式中：

𝐸𝑜(1+𝑣𝑓)+(1+𝑣𝑠)−+𝑟4=√𝐸𝑜(1+𝑣𝑓)

∙(B.1)r1——套管内半径，单位为毫米(mm)；r2——套管外半径，单位为毫米(mm)；r3——井眼半径，单位为毫米(mm)；r4——井壁围岩半径，单位为毫米(mm)；Eo——外筒材料弹性模量，单位为兆帕(MPa)；Ef——井壁围岩弹性模量，单位为兆帕(MPa)；νo——外筒材料泊松比，无量纲；νf——井壁围岩泊松比，无量纲。外筒厚度的计算见公式(B.2)：𝐸𝑜(1+𝑣𝑓)+(1+𝑣𝑜)−+ℎ=−=(√𝐸𝑜(1+𝑣𝑓)

−1)∙(B.2)h——外筒厚度，单位为毫米(mm)。外筒壁厚系数的计算见公式(B.3)：𝛽=

ℎ

𝐸𝑜(1+𝑣𝑓)++𝑣𝑜)−+=√𝐸𝑜(1+𝑣𝑓)

−1 (B.3)式中：β——外筒壁厚系数，无量纲。非全尺寸模拟井筒中水泥环尺寸的计算见公式(B.4)：𝐷模拟ℎ模拟

𝐷=ℎ实际

(B.4)式中：D模拟——模拟井筒水泥环的直径，mm；h模拟——模拟井筒水泥环的厚度，mm；D实际——实际井筒水泥环的直径，mm；h实际——实际井筒水泥环的厚度，mm。50mm5B.2。图B.2井筒工况下套管、水泥环和近井围岩之间边界作用力叠加关系示意图(B.5)：式中：

=+=+{=+=+

（B.5）p1——某工况下套管内压，单位为兆帕(MPa)；p2——(MPa)；p3——(MPa)；pMa(MPa)；p2i——候凝结束时水泥环内边界初始应力，单位为兆帕(MPa)；p3i——候凝结束时水泥环外边界初始应力，单位为兆帕(MPa)；p4i——为候凝结束时远地应力，单位为兆帕(MPa)；Δp1——某工况下套管内压相对侯凝结束时内压的变化量，单位为兆帕(MPa)；Δp2——某工况下套管内压变化量引起的水泥环内边界应力，单位为兆帕(MPa)；Δp3——某工况下套管内压变化量引起的水泥环外边界应力，单位为兆帕(MPa)；Δp4——某工况下远地应力相对候凝结束时远地应力的变化量，一般情况为0，单位为兆帕(MPa)。Δp2、Δp3的计算见公式(B.6)：p

f4f8p4(f6f7)f1p1 2 (f

f)(

f)ffp

2 3 6 7 45(f2f3)f8p4f1

（B.6） 3 (ff)(ff)ff 2 3 6 7 45式中f1、f2、f3…f8为简化B.6式的系数，无明确意义，由以下公式计算。 v)v)r2rf1 c c12c2 E r2rc2 v)2v)r3r2r2f c c2 12E r2r2 c 2 1 v)2v)r3rr2f3 s s2 23s3 E r2rs3 v)v)rr2f4 s s23 E r2r2 s 3 2 v)v)r2rf5 s s23 E r2r2 s 3 2f s s3 2(1v)(12v)rf s s3 2 6 E r2r2 s 3 2 v)2v)r3rr2f f

f3 347 E r2r2 f 4 3 vf)v)rr2

（B.6）f8 s34 E r2r2式中：

f 4 3Ec——(MPa)；Es——(MPa)；vc——套管泊松比，无量纲；vs——水泥环泊松比，无量纲；r1、r2、r3、r4、Ef、vf表示的物理量同附录B.1。由以下公式计算实际井筒水泥环内边界上的径向应力sr与及环向应力s，其中p2、p3由式B-4计算。srp2r2r2r22 3

22r 3 2r

（B.7）s

r2r2

r2r2 3式中：

3 2 3 2σsr——水泥环内边界上的径向应力，单位为兆帕(MPa)；σsθ——水泥环内边界上的径向应力，单位为兆帕(MPa)；sr

sr

=模拟 际 模拟 实际式B.7的r、r替为井筒尺，算对工况模水环外界力p2 、p3 。2 3 模拟 模拟模拟某一实际工况，模拟井筒内部套管加的内压由下式计算：f2模拟+f3模拟p2模拟-f4模拟p3模拟1p =11模拟 f1模拟 （B.8）模拟模拟

、f2模拟

f模拟、f4模拟

由式B-6计算，其中尺寸、弹性模量、泊松比换成模拟井筒的、3、33若模拟井筒水泥环外部是胶套，则可直接在外部加压力p3模拟

；若模拟井筒水泥环外部是套管，外部套管外需加的外压由下式计算：

f6+f7-f5p2模拟4p =48模拟 f8模拟

（B.9）式中，f5模拟、f6模拟、f7模拟、f8模拟由式B.6计算，其中尺寸、弹性模量、泊松比换成模拟井筒的数据。C1水泥环养护

附录C（资料性附录）水泥环密封性测试方法GB/T19139-201272h。C1.2C1.3温度变化下密封性评价C1.4温压耦合下密封性评价示例：水泥石基本性能测试所需的资料如下：水泥浆配方：100%G级油井水泥+5%弹性材料+1%增韧剂+2%增强剂+4%降失水剂+0.5%缓凝剂+0.2%消泡剂+40%水；评价段水泥环所处温度：80℃。收集的水泥环密封性评价所需资料如表C.1所示：表C.1水泥环密封性评价资料序号名称内容1井身结构评价段套管钢级P110、外径139.7mm、壁厚12.34mm、弹性模量210GPa，井径193.1mm、垂深2560m2地质资料龙马溪组页岩、弹性模量22GPa、泊松比0.203作业参数压裂段数25段、最大压裂载荷90MPaGB/T19139-2012NB/T14004.2-2016SY/T6466-201680℃/20.7MPa72h27.4MPa2.1MPa、6.7GPa0.21。GB/T19139