[发明专利]一种定量评价水泥环气密封完整性的方法

权利要求书

1.一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取采样间距I下的水泥环表面粗糙度R_a，R_a为水泥环表面粗糙度；

S2、将水泥环表面视作轴对称正弦微凸体曲面，采用有限元软件生成模拟水泥环表面形貌的微凸体实体模型；

S3、将套管视作光滑平板，将水泥环表面视作轴对称正弦微凸体分布的粗糙平板，采用有限元软件模拟光滑平板与轴对称正弦微凸体分布的粗糙平板间的弹塑性法向接触，获取套管-水泥环界面在径向接触压力作用下的单个正弦微凸体接触面积A_ep，A_ep为单个正弦微凸体接触面积；

S4、获取套管-水泥环界面微观泄漏通道的周向宽度B；

步骤S4中，利用以下公式获取套管-水泥环界面微观泄漏通道的周向宽度B，

式中：B为套管-水泥环界面微观泄漏通道的周向宽度，mm；D为套管外径，mm；

S5、获取套管-水泥环界面微观泄漏通道的平均高度H；

步骤S5中，利用以下公式获取套管-水泥环界面微观泄漏通道的平均高度H，

式中：H为套管-水泥环界面微观泄漏通道的平均高度，μm；

S6、将套管-水泥环界面微观泄漏通道沿井深分为若干串联单元，基于流体力学中平行平板模型获取气体通过套管-水泥环界面的泄漏体积速率Q_v；

步骤S6中，假设套管-水泥环界面沿周向接触压力相等，沿井深接触压力变化，将套管-水泥环界面微观泄漏通道沿井深分为N个串联单元，基于流体力学中平行平板模型并考虑各单元气体泄漏压力边界条件和泄漏体积速率连续性条件，利用以下公式获取气体通过套管-水泥环界面的泄漏体积速率，

式中：Q_v为气体通过套管-水泥环界面的泄漏体积速率，cm³/s；p_u为气体沿套管-水泥环界面泄漏的上游压力，MPa；p_d为气体沿套管-水泥环界面泄漏的下游压力，MPa；N为套管-水泥环界面微观泄漏通道沿井深串联单元个数；L_pi为第i段套管-水泥环界面微观泄漏通道的长度，m；η为泄漏天然气的动力粘度，N·s/㎡；B(i)为第i段套管-水泥环界面微观泄漏通道的周向宽度，mm；H(i)为第i段套管-水泥环界面微观泄漏通道平均高度，μm；

S7、将步骤S6中计算的气体泄漏体积速率Q_v与允许泄漏体积速率Q_a对比，若满足Q_v≥Q_a，则水泥环气密封完整性失效，反之安全。

2.根据权利要求1所述的一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，其特征在于：步骤S1中，采用双套管环空模具按照井下实际温度和围压条件在实验室预制获取水泥环，采用触针式表面粗糙度测量仪测量水泥环表面沿周向形貌高度，获取采样间距I下的水泥环表面粗糙度R_a。

3.根据权利要求1所述的一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，其特征在于：步骤S2中，利用以下公式获取轴对称正弦微凸体曲面：

式中：Z(r)为轴对称正弦微凸体曲面高度，μm；r为轴对称正弦微凸体曲面高度的径向坐标，μm。

4.根据权利要求1所述的一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，其特征在于：步骤S3中，建立光滑平板与轴对称正弦微凸体分布的粗糙平板间的弹塑性法向接触有限元模型，光滑平板上部施加垂向压力p_c，模拟油气井筒套管与水泥环界面微观弹塑性接触，获取套管-水泥环界面在径向接触压力p_c作用下的单个正弦微凸体接触面积，

A_ep＝f(p_c) (2)

式中：A_ep为单个正弦微凸体接触面积，μm²；p_c为套管-水泥环界面径向接触压力，MPa。

5.根据权利要求4所述的一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，其特征在于：建立光滑平板与轴对称正弦微凸体分布的粗糙平板间的弹塑性法向接触有限元模型时，光滑平板采用线弹性本构模型，材料参数设置为套管弹性模量E_p、泊松比ν_p；粗糙平板采用双线性弹塑性本构模型，材料参数设置为水泥环弹性模量E_c、泊松比ν_c、屈服强度σ_yc和抗压强度σ_cc。