脈沖放電沖擊波對(duì)油氣井套管水泥環(huán)損傷研究PPT課件

1、脈沖放電沖擊波對(duì)油氣井套管水泥環(huán)損傷研究李欣陽、黃昆、朱鑫磊西南石油大學(xué)清華四川互聯(lián)網(wǎng)研究院目錄一、損傷機(jī)理二、裝置與方法三、仿真驗(yàn)證四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)一、損傷機(jī)理1 、沖擊波的產(chǎn)生放電脈沖沖擊波的形成基于液電效應(yīng)，主要由預(yù)放電過程和電弧放電兩部分組成：預(yù)放電過程即水間隙加熱直至放電通道產(chǎn)生的過程，電弧放電階段指等離子體放電通道內(nèi)產(chǎn)生脈沖電流的過程。等離子通道形成過程放電開始，液體介質(zhì)中形成放電通道生成氣體、形成“蒸汽-液體套”通道擴(kuò)張產(chǎn)生空腔，行成能量波空腔閉合，壓力反沖擊，行成能量波兩次沖擊波形成過程一、損傷機(jī)理2 、沖擊波的作用區(qū)沖擊波隨能量的衰減可以分為三個(gè)作用區(qū)域和作用效果：應(yīng)力波作用區(qū)

2、、壓縮應(yīng)力波區(qū)域、以及彈性聲波區(qū)域。（1）應(yīng)力波作用區(qū)：在最初作用時(shí)刻造成部分巖石破裂，這一階段沖擊波所至區(qū)域巖石將以剪切、撕裂的形式發(fā)生破壞。（2）壓縮應(yīng)力波區(qū)域：沖擊波衰減為高強(qiáng)壓縮應(yīng)力波。在此區(qū)域，對(duì)儲(chǔ)層中一些膠結(jié)較差的顆粒形成剝離作用，改善微小孔喉的毛管力、儲(chǔ)層吸附滯留效應(yīng)，減小表面張力，提高儲(chǔ)層的滲流能力，促進(jìn)吸附氣體解析。（3）彈性聲波區(qū)域：隨著能量的不斷衰減，沖擊波最終轉(zhuǎn)為彈性聲波，通過彈性聲波可以在海洋等儲(chǔ)層高分辨率淺地層探測(cè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。一、損傷機(jī)理3、沖擊波對(duì)水泥環(huán)作用機(jī)理隨等離子體架橋成功，產(chǎn)生的兩次沖擊波能量都會(huì)對(duì)水泥環(huán)產(chǎn)生擠壓。 110,0sin, 00,tStStt

3、t 21122ZZZ32232ZZZ2121t =tSS （ ）（ ）（3）經(jīng)過兩次透射后到水泥的沖擊波（2）水到鋼管與鋼管到水泥的透射系數(shù)（1）到達(dá)套管壁的沖擊波聲壓其中Z1，Z2，Z3分別為水，鋼管，水泥的聲阻抗，分別為1.48、46、5.45（103MPa/s-1）計(jì)算可得12=0.41，也即通過鋼管到達(dá)水泥的沖擊波幅值衰減為原來的0.41倍，能量則為原來的0.168倍。鋼管套管對(duì)沖擊波的吸收衰減較大，從而很好地保護(hù)了水泥環(huán)套。目錄一、損傷機(jī)理二、實(shí)驗(yàn)與分析三、仿真驗(yàn)證四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)二、實(shí)驗(yàn)與分析1、實(shí)驗(yàn)對(duì)象與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（1）套管水泥環(huán)用于重復(fù)脈沖放電沖擊波損傷實(shí)驗(yàn)的固井水泥環(huán)的制作固化完

4、全還原儲(chǔ)層條件。采用現(xiàn)階段常用51/2尺寸套管（外徑139.7mm，壁厚7.72mm，內(nèi)徑124.26mm），以20孔/m密度、36/孔射孔角度在套管管壁上開有10個(gè)直徑為10mm的模擬射孔孔眼。水泥環(huán)外徑219.7mm，壁厚40mm，內(nèi)徑139.7mm，密度2.0g/cm3。水泥按照現(xiàn)場(chǎng)配置比例配置：1000g固井水泥：40g微硅：6gUSZ分散劑：40g降水劑：3g消泡劑：400g水。1、實(shí)驗(yàn)對(duì)象與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（2）室內(nèi)放電平臺(tái)搭建調(diào)試放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)：裝置最大儲(chǔ)能：1-12.5kJ；儲(chǔ)能電容量：50-250F；最高放電電壓：10kV；最大放電功率：100MW；最大沖擊波壓強(qiáng)：50MPa（

5、距離放電中心50mm處）。 b實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)a液電放電環(huán)境 二、實(shí)驗(yàn)與分析2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（1）室內(nèi)環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用重復(fù)放電方式作用鋼套管與水泥環(huán)。在靜水壓力下作用次數(shù)為50-500次放電電壓7kV，單次放電能量2.5kJ。由于裂紋的幾何特征與空間分布是衡量放電后固井水泥損傷程度的重要指標(biāo)，以高密度水泥環(huán)為例，分析放電脈沖沖擊波對(duì)水泥環(huán)的損傷區(qū)域和破壞特征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表所示。 二、實(shí)驗(yàn)與分析樣品號(hào)脈沖次數(shù)放電電壓/(kV)放電能量 /(kJ)樣品變化1107kV2.5kJ無明顯變化，水泥環(huán)無損傷2207kV2.5kJ無明顯變化，水泥環(huán)無損傷3507kV2.5kJ射孔周圍出現(xiàn)微裂隙，裂隙延伸至

6、放電位置上部20cm處停止41007kV2.5kJ水泥環(huán)在前期生成裂隙位置形成了脫落水泥環(huán)放電損傷試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（2）靜水壓環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)果在設(shè)計(jì)的靜水圍壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展放電實(shí)驗(yàn)，靜水壓力分別設(shè)計(jì)為5MPa、 10MPa、 20MPa、 30MPa、；實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表所示。 二、實(shí)驗(yàn)與分析樣品號(hào)靜水壓力/(MPa)脈沖次數(shù)放電電壓/(kV)放電能量 /(kJ)樣品變化130309kV4.1kJ無明顯變化，水泥環(huán)無損傷220309kV4.1kJ射孔周圍產(chǎn)生細(xì)小裂紋310309kV4.1kJ細(xì)小裂縫進(jìn)一步延伸45309kV4.1kJ裂紋停止延伸，在射孔遠(yuǎn)端形成新的裂紋水泥環(huán)放電損傷試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

7、目錄一、損傷機(jī)理二、實(shí)驗(yàn)與分析三、仿真驗(yàn)證四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)三、仿真驗(yàn)證1、仿真模型建立（1）仿真模型建立本文基于ANSYS軟件，通過力學(xué)仿真計(jì)算對(duì)損傷發(fā)展規(guī)律做進(jìn)一步驗(yàn)證。模型包括脈沖放電裝置、套管、固井水泥環(huán)和外圍砂巖。其中：脈沖放電裝置簡(jiǎn)化為一對(duì)錐形金屬電極，裝置和套管之間的孔隙用水填充。用電極間隙內(nèi)含一定能量的理想氣體氣泡來等效脈沖放電過程。在模型內(nèi)選取4個(gè)參考點(diǎn)，以觀測(cè)所產(chǎn)生的的沖擊波。1號(hào)參考點(diǎn)位于氣泡附近的水中，2號(hào)參考點(diǎn)位于射孔附近的固井水泥環(huán)上， 3號(hào)位于水泥環(huán)上的射孔中心水中，4號(hào)參考點(diǎn)位于射孔外砂巖上。仿真計(jì)算模型模型內(nèi)參考點(diǎn)三、仿真驗(yàn)證2、仿真模擬結(jié)果（1）仿真模型建立沖擊

8、波作用過程中，模型內(nèi)的不同時(shí)間點(diǎn)的壓力云圖如圖所示。(a) 0.1ms(a) 0.15ms(a) 0.12ms四個(gè)參考點(diǎn)的壓力曲線如圖所示固井水泥環(huán)的損傷云圖損傷度用百分比表示，0表示無損傷，100%表示完全損傷。水泥環(huán)的損傷沿著射孔發(fā)展，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)的裂縫發(fā)展規(guī)律是一致的目錄一、損傷機(jī)理二、實(shí)驗(yàn)與分析三、仿真驗(yàn)證四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)結(jié)論與認(rèn)識(shí)（1）采用對(duì)照真實(shí)入井放電脈沖設(shè)備搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)套管和固井水泥環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，放電沖擊波在2.5kJ能量下累積作用超過50次時(shí)放電沖擊波會(huì)對(duì)固井水泥環(huán)產(chǎn)生一定的損傷，當(dāng)放電沖擊波的能量達(dá)到固井水泥環(huán)的疲勞極限時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生整塊水泥脫落的現(xiàn)象。（2）通過不同圍壓環(huán)境下的放電沖擊波對(duì)水泥環(huán)影響試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，壓力對(duì)水中放電沖擊波的作用效果有較為明顯的影響，隨著圍壓的增加，放電