[发明专利]一种套管水泥环界面切向胶结参数测试方法

说明书

本发明涉及一种套管水泥环界面切向胶结参数测试方法，制备套管水泥环界面切向胶结参数测试装置，所述测试装置包括模拟套管以及与所述模拟套管粘结的水泥，所述水泥与所述模拟套管之间形成的界面为套管水泥环界面；对所述模拟套管持续加载直至所述模拟套管与所述水泥分离，记录并保存加载过程中的载荷‑位移数据；将所述载荷‑位移数据转换为应力和应变数据；根据所述应力和应变数据绘制应力‑应变曲线图，根据所述曲线图获得切向胶结强度、切向胶结刚度以及切向胶结断裂能。所述套管水泥环界面切向胶结参数测试方法不仅能够用于对套管水泥环界面的切向胶结强度进行测试，同时还能够进一步测试切向胶结刚度以及切向胶结断裂能。

技术领域

本发明涉及油气田开发领域，具体涉及一种套管水泥环界面切向胶结参数测试方法。

背景技术

在储气库多轮次注采过程和CO₂回注过程中井筒会承受交替变化的波动内压作用，注气时内压增高套管发生膨胀，采气过程中内压降低套管又会收缩，在反复膨胀收缩过程中由于套管和水泥环力学性质的差异容易出现两者变形不一致情况，从而导致套管-水泥环界面发生脱离形成微环隙，在后续注采气过程中气体会沿着微环隙上窜至地面逃逸到大气中，造成储气库完整性失效和CO₂封存失败。

保障套管水泥环系统密封性对储气库注采气安全及CO₂有效封存至关重要，作为套管水泥环系统的薄弱环节，两者之间界面完整性和密封性是保障系统整体密封性的关键，因此有必要对两者界面在压力波动下的胶结性质开展研究。

套管水泥环组合体为圆筒状几何体，两者界面胶结参数在力学上可分解为切向胶结参数和切向胶结参数，切向胶结参数为套管和水泥环在与接触面相切方向上的胶结参数，决定着套管水泥环轴向相对滑移和环向相对转动与否，法向胶结参数为套管水泥环在与接触面垂直方向上的胶结参数，决定着套管水泥环法向粘接失效脱离与否，只有当切向胶结参数和法向胶结参数同时满足参数要求时才能保障界面胶结性能完整，因此切向胶结参数和法向胶结参数需要分别开展针对性研究测试。

套管水泥环界面几个重要的切向胶结力学参数包含有切向胶结强度、切向胶结刚度和切向胶结断裂能。切向胶结强度为单位胶结面积所能承受的切向极限切向应力值，表征胶结面抵御切向载荷的破坏能力。切向胶结刚度为胶结面在切向外载作用下应力与应变的比值，表征胶结界面变形的难易程度。切向胶结断裂能是指胶结面产生切向单位面积破坏所消耗的能量，可从能量角度表征界面胶结破坏难易程度。

目前已有专利均只涉及到切向胶结强度的测试，还未发现有切向胶结刚度和切向胶结断裂能的测试方法，此为本方法独到之处。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种套管水泥环界面切向胶结参数测试方法，不仅能够用于对套管水泥环界面的切向胶结强度进行测试，同时还能够进一步测试切向胶结刚度以及切向胶结断裂能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种套管水泥环界面切向胶结参数测试方法，包括步骤：

制备套管水泥环界面切向胶结参数测试装置，所述测试装置包括模拟套管以及与所述模拟套管粘结的水泥，所述水泥与所述模拟套管之间经养护形成的界面为套管水泥环界面；

沿着轴向方向对所述模拟套管持续加载直至所述套管水泥环界面破坏，记录并保存加载过程中的载荷-位移(F-S)数据；

将所述载荷-位移(F-S)数据转换为应力和应变数据；

根据所述应力和应变数据绘制应力-应变(σ-ε)曲线图，其中x轴为应变ε，y轴为应力σ，图中最高点对应的纵坐标值σ_b即为套管水泥环界面切向胶结强度；

将最高点之前的数据采用最小二乘法进行线性拟合，得到拟合直线，所述拟合直线的方程为y＝kx+c，直线的斜率k为套管水泥环界面切向胶结刚度，c为常数；