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NB／T 14004.4-2022 页岩气 固井工程 第4部分：水泥环密封性评价方法.pdf

作业参数：压裂段数、井口压力、压裂段地层 生产参数：开发期间开关井温度、压力变化。

6.1.1作业参数：压裂段数、并口压力、压裂段地层温月

6.2.1内筒（循环）加卸载，循环次数不少于压裂段数。 6.2.2 压力上限取值压裂井口压力，加卸压速率（3±0.3）MPa/min，稳压时间宜≥30min。

6.3.1内筒（循环）升降温，循环次数不少于压裂段数。 6.3.2温度上限取值井底静止温度，升降温速率（2±0.2）C/min，恒温时间宜≥30min。

内筒（循环）加卸载和升降温YB∕T 4790-2019 焦化初冷上段余热回收利用技术规范.pdf，循环次数不少于压裂段数。 温度上限取值井底静止温度，升降温速率（2±0.2）C/min；压力上限取值压裂井口压力， 玉速率（3±0.3）MPa/min，恒温稳压时间宜≥30min。

6.4.1内筒（循环）加卸载和升降温，循环次数不少于压裂段数。 6.4.2温度上限取值井底静止温度，升降温速率（2±0.2）C/min；压力上限取值压裂井口压力，加 卸压速率（3±0.3）MPa/min，恒温稳压时间宜≥30min。

按下列步骤准备和灌注水泥浆： a）固定内筒和外筒在下密封端； b）连接完好的光栅传感器支架置人模拟井筒环空； c）制备水泥浆注入模拟井筒的环空中至模拟井筒顶端10mm以内； d）拍打模拟井筒外侧，除去夹带的空气； e）嵌人上密封端。

7.2.1 ：设定养护温度，加热养护水泥浆72h。 7.2.2养护结束后，由下密封端往水泥环底部注入氮气，注气压力1.0MPa，稳压时间30min 7.2.3监测有气泡出现，视为密封失效，重新准备实验。

7.3压力变化下密封性测试流程

7.3.1设定压力上下限值、上下限持续时间、循环次数、数据采集间隔时间。 7.3.2 启动压力模块、气窜检测模块、应变测试模块和采集模块。 7.3.3 气窜流量达到3000mL/min，停止测试。

7.4.2启动温控模块、气窜检测模块、应变测试模块和采集模块。 7.4.3气窜流量>3000mL/min，停止测试。

7.5温压耦合下密封性评价测试流程

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7.5.1设定压力和温度上下限值、上下限持续时间、循环次数、数据采集间隔时间。 7.5.2启动压力、温控、气窜检测、应变测试和采集模块。 7.5.3最大气窜流量>3000mL/min，停止测试。

拆除与模拟井筒连接的管线，移除上下密封端。 .2 将模拟井筒放置于脱模装置的支架上，启动液压油缸，利用垫块分别将内筒和水泥环脱出， .3 2 将脱模后的内筒外侧和外筒内侧清洗

8.1.1整个实验周期气泡和流量均未检测到可判定为正常。

8.1.1整个实验周期气泡和流量均未检测到可判定为正常。 8.1.2整个实验周期只检测到非连续气泡可判定为缓渗。 8.1.3整个实验周期连续两次检测到气窜流量≥10mL/min可判定为失效。

8.2.1在加载或升温阶段水泥环密封发生失效，可判定水泥环本体密封破坏。

8.2.1在加载或升温阶段水泥环密封发生失效，可判定水泥环本体密封破坏。 8.2.2在卸压或降温阶段水泥环密封发生失效，可判定水泥环界面胶结破坏。 8.2.3 3水泥环周向应力大于水泥石的抗拉强度，可判定为水泥环本体拉伸破坏

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附录A （资料性） 模拟井筒设计原理 根据轴对称弹性理论，适当选取金属圆筒的厚度，使其对水泥环的约束作用和半径无限大的地层 相同，即受到同样的内压，金属圆筒内壁的径向位移和井壁的径向位移完全相同。根据井壁围岩的弹 性模量和泊松比，计算出等效金属圆筒的厚度。套管一水泥环一井壁围岩组合体模型如图A.1所示。

根据轴对称弹性理论，适当选取金属圆筒的厚度，使其对水泥环的约束作用和半径无限大的地 ， 即受到同样的内压，金属圆筒内壁的径向位移和井壁的径向位移完全相同。根据井壁围岩的 量和泊松比，计算出等效金属圆筒的厚度。套管一水泥环一井壁围岩组合体模型如图A.1所示

图A.1套管一水泥环一井壁围岩组合体模型

设井眼半径为r3，地层外半径为无穷大。根据平面应变下的轴对称弹性理论，当井壁受到径向应 力p作用时，井壁的径向位移U见公式（A.1）：

式中： U一井壁径向位移，单位为毫米（mm）； r3一井眼半径，单位为毫米（mm）； P一井壁受到的径向应力，单位为兆帕（MPa）； E一一井壁围岩弹性模量，单位为兆帕（MPa）； V一井壁围岩泊松比，无量纲。 采用金属圆筒代替地层，当金属圆筒内壁受到径向应力p作用时，其内壁的径向位移U。见 公式（A.2）：

式中： U一井壁径向位移，单位为毫米（mm）； r3一井眼半径，单位为毫米（mm）； P一井壁受到的径向应力，单位为兆帕（MPa）； E一一井壁围岩弹性模量，单位为兆帕（MPa）； V一井壁围岩泊松比，无量纲。 采用金属圆筒代替地层，当金属圆筒内壁受到径向应力p作用时，其内壁的径向位移U。见 公式（A.2）：

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FoB 外筒外半径，单位为毫米（mm)。 由于金属圆筒的内半径等于井眼半径，即roA=r3，欲使金属圆筒和地层对水泥环的约束作用 则在同样的内壁载荷作用下，内壁的径向位移相等，即U=Uo。 求解可得出等效金属圆筒的外半径，见公式（A.3）：

外筒厚度的计算见公式（A.4）：

式中： 外筒厚度，单位为毫米（mm）

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B.1.1.1资料收集

B.1.1.1.1中石化涪陵页岩气区块××井生产套管固井水泥浆配方：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。 B.1.1.1.2评价压力变化下水泥环密封性，压裂参数及井下温度：压裂25段、最高压裂载荷90MPa 水平段温度80℃。

B.1.1.2试样制备

按照GB/T19139一2012中相关规定制备水泥浆试样，在高温高压养护釜中温度80C、压力 20.7MPa条件下养护72h。

B.1.1.3基本力学性能测试

抗压强度：27.4MPa，抗拉强度：2.1MPa，弹性模量：6.7GPa，泊松比：0.21。

B.1.2水泥环密封性评价

B.1.2.1井筒准备

1.2.1.1沿光栅传感器支架径向、周向和轴向粘贴光栅传感器，由光纤与解调器连接，调试1 作。 1.2.1.2 2 按照GB/T19139中相关规定制备水泥浆，浇人密封性评价装置的环空中。 1.2.1.3 ：利用温控系统加热井筒至80℃，养护72h。

B.1.2.2密封性评价

B.1.2.2.1养护结束后，由下密封端往水泥环底部注人压力1.0MPa的氮气，稳压30min，进行水泥环 初始密封检测，检测结果为密封。 B.1.2.2.2在采集模块中设定压力上限为90MPa、下限为0MPa，上、下限持续时间为30min，循环 次数25次，采集时间间隔5s。启动采集模块、气窜检测模块和应变测试模块，开始测试评价。 B.1.2.2.3交变应力下，没有出现气泡和气窜发生。压力变化及气窜曲线如图B.1所示。 B.1.2.2.4密封判定：交变应力下水泥环产生的最大拉应力为1.1MPa，小于水泥环的抗拉强度，没 有发生拉伸破坏；且没有出现气泡和气窜，判定该井产层段水泥环在分段压裂交变载荷下可保持密 封性。

B.2.1.1资料收集

B.2.1.2试样制备

B.2.1.3基本力学性能测试

抗压强度：30.5MPa，抗拉强度：1.7MPa，弹性模量：8.7GPa，泊松比：0

B.2.2水泥环密封性评价

B.2.2.1井筒准备

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图B.1 某井产层段水泥环在分段压裂载荷下密封性评价

B.2.2.1.1 、沿光栅传感器支架径向、周向和轴向粘贴光栅传感器，由光纤与解调器连接，调试正常 工作。 B.2.2.1.2按照GB/T19139中相关规定制备水泥浆，浇人密封性评价装置的环空中。 B.2.2.1.3利用温控系统加热井筒至95℃，养护72h。

B.2.2.2.1养护结束后，由下密封端往水泥环底部注人压力1.0MPa的氮气，稳压30min，进行水泥环 初始密封检测，检测结果为密封。 B.2.2.2.2在采集模块中设定温度上限为95℃、下限为20℃，上、下限持续时间为30min，循环次数 30次，采集时间间隔5s。启动采集模块、气窜检测模块和应变测试模块，开始测试评价。 B.2.2.2.3温度循环25次时，出现气泡，温度循环结束后没有气窜发生，温度变化及气窜曲线如

图B.2所示。 B.2.2.2.4密封判定：温度循环下水泥环产生的最大拉应力为0.9MPa，小于水泥环的抗拉强 发生拉伸破坏：出现非连续气泡，没有发生气窜，判定水泥环在温度循环下发生缓渗。

B.3.1水泥石力学性能

B.3.1.1资料收集

图B.2温度循环下水泥环密封性评价

3.1.1.1水泥浆配方：100%G级油井水泥+44%水。 3.1.1.2评价温压耦合下水泥环密封性，最高压力：40MPa，最低压力：0MPa；最高温度：90 低温度：20℃

B.3.1.2试样制备

B.3.1.3基本力学性能测试

B.3.2水泥环密封性评价

7、防水分项作业安全技术交底B.3.2.1井筒准备

B.3.2.1.1沿光栅传感器支架径向、周向和轴向粘贴光栅传感器，由光纤与解调器连接，调试正常 工作。 B.3.2.1.2按照GB/T19139中相关规定制备水泥浆，浇人密封性评价装置的环空中。 B.3.2.1.3利用温控系统加热井筒至90℃，养护72h。

B.3.2.2密封性评价

2.2.1养护结束后，由下密封端往水泥环底部注入压力1.0MPa的氮气，稳压30min，进行水泥环

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初始密封检测，检测结果为密封。 B.3.2.2.2在采集模块中设定压力上限为40MPa、下限为0MPa，温度上限为90℃、下限为20℃， 上、下限持续时间为30min，循环次数20次，采集时间间隔5s。启动采集模块、气窜检测模块和应 变测试模块，开始测试评价。 B.3.2.2.3温度压力耦合下，15次循环后开始发生气窜，随循环次数的增加，气窜流量增大，19次 循环后，最大气窜流量达到3000mL/min。温压变化及气窜曲线如图B.3所示。

图B.3温压耦合循环下水泥环密封性评价

B.3.2.2.4密封判定：温压耦合下水泥环产生的最大拉应力为1.3MPa滨州港码头引堤工程护坡砼施工组织设计.doc，小于水泥环的抗拉强度，没有 发生拉伸破坏；气窜发生在降温和卸压阶段，判定水泥环在温压耦合循环下，发生界面胶结破坏