本發(fā)明涉及油氣井安全評價，尤其涉及一種交變載荷下水泥環(huán)破壞程度定量評價方法及存儲介質(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，會導致生產(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價的研究很少，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)量時水泥環(huán)的塑性破壞規(guī)律，定量評價其完整性和強度安全性。為高溫高壓井水泥環(huán)塑性破壞程度提供一種科學、合理的綜合評價方法，可避免由于水泥環(huán)失效而造成的經(jīng)濟損失和社會危害。

2、在中國專利申請文獻cn?110411679?a中公開了一種水泥環(huán)完整性評價方法，包括：獲取儲氣庫井參數(shù)和待測試的水泥環(huán)的水泥環(huán)參數(shù)，其中所述儲氣庫井參數(shù)用于指示在注采氣過程中儲氣庫井底應力環(huán)境的交變載荷；基于載荷等效模型、所述水泥環(huán)參數(shù)和所述儲氣庫井參數(shù)，向所述水泥環(huán)施加對應于所述儲氣庫井底應力環(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)生密封失效所對應的時長，并基于該所測出的時長評價所述水泥環(huán)在所述儲氣庫井底應力循環(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)生密封失效所對應的時長并基于該所確定的時長評價所述水泥環(huán)在所述儲氣庫井中應力循環(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行周期；根據(jù)所述等效交變載荷被施加的載荷運行周期，統(tǒng)計所述水泥環(huán)在所述等效交變載荷作用下發(fā)生密封失效所對應的載荷運行周期的數(shù)量；根據(jù)所統(tǒng)計的所述載荷運行周期的數(shù)量，相應確定所述水泥環(huán)在所述儲氣庫井中實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)破壞評價通常采用相似準則方式開展與實際情況相接近的物理模型試驗，成本較高，且由于該實驗多為破壞性試驗，與現(xiàn)場實際存在一定的差異。

5、2.現(xiàn)有數(shù)值解析解研究在理論研究上進行了大量的簡化，不能反應實際情況水泥環(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置為線彈性方式，且沒有考慮高溫的影響，與實際現(xiàn)場固井解釋資料不能匹配，不能模擬實際交變載荷下地層水泥環(huán)的破壞程度。

技術(shù)實現(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)破壞程度定量評價方法，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以及循環(huán)載荷作用下應力-應變試驗獲取實驗室內(nèi)預設的固井水泥膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)時不同溫度下水泥環(huán)力學參數(shù)；結(jié)合實驗室內(nèi)水泥環(huán)力學參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場套后成像儀固井質(zhì)量解釋結(jié)果，按照預設的質(zhì)量分級制度對全井段水泥環(huán)固井質(zhì)量進行力學參數(shù)定量化賦值；根據(jù)地應力參數(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)平面應變有限元分析模型，進行數(shù)值模擬，得到全井筒不同水泥環(huán)膠結(jié)強度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應變沿內(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)強度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應變沿內(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)域的面積評價交變載荷下水泥環(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)強度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應變沿內(nèi)壁周向以及水泥環(huán)徑向路徑的變化關(guān)系，更接近于實際工況，預測結(jié)果科學、準確；準確評價水泥環(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)濟損失和社會危害具有重要意義，應用前景廣闊。

2、本發(fā)明提供了一種交變載荷下水泥環(huán)破壞程度定量評價方法，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以及循環(huán)載荷作用下應力-應變試驗獲取實驗室內(nèi)預設的固井水泥膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)時不同溫度下水泥環(huán)力學參數(shù)；

4、結(jié)合實驗室內(nèi)水泥環(huán)力學參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場套后成像儀固井質(zhì)量解釋結(jié)果，按照預設的質(zhì)量分級制度對全井段水泥環(huán)固井質(zhì)量進行力學參數(shù)定量化賦值；

5、根據(jù)地應力參數(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)平面應變有限元分析模型，進行數(shù)值模擬，得到全井筒不同水泥環(huán)膠結(jié)強度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應變沿內(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)強度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應變沿內(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)域的面積評價交變載荷下水泥環(huán)破壞程度。

7、優(yōu)選地，進行數(shù)值模擬具體為水泥環(huán)力學強度以及水泥環(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)量進行力學參數(shù)定量化賦值包括對材料參數(shù)和區(qū)塊地層巖石力學參數(shù)定量化賦值，所述材料參數(shù)包括計算當前工況下位置地層巖石力學參數(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)塊地層巖石力學參數(shù)包括最大主應力、最小主應力和垂向應力梯度。

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)不同工況下計算的溫度剖面曲線，在不同工況不同井深位置的模型計算時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)平面應變有限元模型的建立步驟如下：

11、根據(jù)地應力參數(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，設置真實間隙模擬，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)域的面積評價交變載荷下水泥環(huán)破壞程度具體為，采用如下公式確定塑性積分評價因子w，采用塑性積分評價因子評價交變載荷下水泥環(huán)破壞程度：

15、

16、

17、其中，

18、f(x)為不同水泥石膠結(jié)強度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應變沿水泥環(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為對應水泥石膠結(jié)強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)量進行力學參數(shù)定量化賦值時，根據(jù)測井曲線顯示的固井水泥膠結(jié)質(zhì)量等級設置實際的水泥石參數(shù)，

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

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

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

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

28、水泥膠結(jié)質(zhì)量為“極差”，實際的水泥石參數(shù)為實驗室參數(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，進行數(shù)值模擬時，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)強度下的水泥環(huán)內(nèi)壁塑性應變沿內(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；在外邊界最大應力和最小地應力時，在井筒內(nèi)壁施加井筒內(nèi)壓。

31、本發(fā)明還提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)上述的任一交變載荷下水泥環(huán)破壞程度定量評價方法的步驟。

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)力學性能實驗，獲取不同狀態(tài)下水泥石在不同溫度下內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等力學參數(shù)性能參數(shù)。并將實驗室內(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”的分級制度對全井段水泥環(huán)實現(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價因子來定量描述水泥環(huán)的破壞程度，準確評價水泥環(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)濟損失和社會危害具有重要意義，應用前景廣闊。