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申请/专利权人：东北石油大学

摘要：本发明涉及的是考虑CO2腐蚀后套管尺寸和水泥环性能变化的井筒完整性评价方法，它包括：进行CO2动态腐蚀前对水泥石进行力学参数测定，按预设腐蚀时间分别进行腐蚀实验；开展水泥石腐蚀区域纳米压痕实验，计算测试材料的弹性模量、泊松比，Er；将微纳米尺度的弹性模量、泊松比参数升级到宏观尺度；将腐蚀后套管挂片清洗干净后烘干，称量得到腐蚀后挂片质量，进行腐蚀速率计算，建立受温度、CO2分压影响下套管管材随时间变化的腐蚀速率；分别建立受温度、CO2分压因素影响下水泥石弹性模量、泊松比随腐蚀时间变化的数学模型；建立组合体力学模型；依据数值模拟结果进行井筒完整性失效形式判别。本发明实现CCUS井筒在腐蚀条件下的完整性预测评价。

主权项：1.一种考虑CO2腐蚀后套管尺寸和水泥环性能变化的井筒完整性评价方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：室内试验采用多因素正交试验方法，依据现场提供资料确定影响因素，影响因素包括温度、CO2分压、地层水Cl-浓度、流速，建立正交矩阵，进行N次试验；步骤二：进行CO2动态腐蚀前对水泥石进行力学参数的测定，力学参数包括初始抗压强度、弹性模量、泊松比，称量套管挂片得到初始质量为G1；将水泥石、称重后的套管挂片放入CO2动态腐蚀仪中，并根据现场产出气的液气比计算含水率，按预设腐蚀时间分别进行腐蚀实验；步骤三：到达预定腐蚀时间后，对CO2动态腐蚀仪进行降温、泄压的操作，取出釜内水泥石和套管挂片，并用吸水纸吸干挂片表面残留的水分，逐片装入实验保存袋中；步骤四：开展水泥石腐蚀区域纳米压痕实验，通过压痕测试获取的荷载—位移曲线计算测试材料的弹性模量、泊松比，Er由荷载—位移曲线获得；步骤五：采用Mori-Tanaka力学模型实现尺度升级，将微纳米尺度的弹性模量、泊松比参数升级到宏观尺度；步骤六：将腐蚀后套管挂片清洗干净后烘干，称量得到腐蚀后挂片质量G2，进行腐蚀速率计算；将套管挂片腐蚀速率正交试验数据，采用多元回归的数学方法，建立受温度、CO2分压影响下套管管材随时间变化的腐蚀速率： 式中，a、b为关于腐蚀温度T、CO2摩尔浓度CCO2等因素函数；进行均匀腐蚀剩余强度计算，对于壁厚为δ，屈服强度为σy的管柱，腐蚀时间t后：管材剩余壁厚即尺寸：δt＝δ-vtt10管柱剩余抗拉强度：To＝πσy[R2-r+vtt2]411管柱剩余抗内压强度：pbo＝2σyδ-vttR12管柱剩余抗挤强度：pco＝2σy[Rδ-vtt-1][Rδ-vtt]213式中：To—管柱剩余抗拉强度，kN；Pbo—管柱剩余抗内压强度，MPa；Pco—管柱剩余抗挤强度，MPa；t—腐蚀时间，a；σy—管柱屈服强度，MPa；R—原始管柱外径，mm；r—原始管柱内径，mm；δ—原始管柱壁厚，mm；vt—腐蚀速率，mma；步骤七：采用多元回归的数学方法，分别建立受温度、CO2分压因素影响下水泥石弹性模量、泊松比随腐蚀时间变化的数学模型；步骤八：考虑CO2腐蚀水泥石后产生腐蚀层的现象，建立套管—水泥石未腐蚀层—水泥石腐蚀层—地层组合体力学模型，套管外是水泥石未腐蚀层，水泥石未腐蚀层外为水泥石腐蚀层，套管、水泥石未腐蚀层和水泥石腐蚀层处于地层中；步骤九：依据数值模拟结果进行井筒完整性失效形式判别，当水泥环所受切向应力大于其抗拉强度，水泥环发生拉伸破坏；当水泥环上所受等效应力大于其抗压强度时，水泥环发生破坏；水泥石的拉张破坏依赖于水泥环所受的周向应力状态，破坏准则见公式16；水泥石的压缩破坏依赖于水泥环所受的径向应力状态，破坏准则见公式17；基于畸变能理论即第四强度理论，水泥环和套管屈服破坏准则见公式18和公式19；根据3种判别方式，井筒完整性破坏形式分为水泥环拉张破坏、水泥环压缩破坏、水泥环屈服破坏和套管屈服破坏；σθ≥σt16σr≥σc17σM≤σs18 式中：σt—水泥环抗拉强度，MPa；σs—根据拉伸试验而确定的材料许用应力，MPa；σM—等效应力，MPa。

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