Experimental and theoretical approaches for integrity evaluation of wellbore cement sheath

Wu, Xuning

doi:10.21268/20250131-0

published

Experimental and theoretical approaches for integrity evaluation of wellbore cement sheath

German
English

Hohe Temperaturen, hohe Drücke, zyklische Belastungen und thermische Spannungen im Bohrloch haben das Risiko einer Zementmantelversagens erheblich erhöht. Allerdings konzentrieren sich bisherige Studien hauptsächlich auf die Gesamtschadensanalyse, wobei die Analyse der Schnittstellenmikroannulare sehr begrenzt ist. Darüber hinaus sind die Bewertungseinrichtungen oft zu einfach und können die Auswirkungen der tatsächlichen unterirdischen Bedingungen nicht genau simulieren.
Dieser Artikel befasst sich mit den ingenieurtechnischen Herausforderungen der Interlayerschadens durch die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften, der Integrität und der Schnittstellenabdichtung von Bohrlochzementmanteln mittels experimenteller und theoretischer Ansätze. Ein selbst entwickeltes Hochtemperatur- und Hochdruck-Zementmantelintegrität Bewertunggerät wurde verwendet, um die Integrität des Zementmantels unter drei Belastungsmodi zu testen. Mit einem elastisch-plastischen mechanischen Modell des Rohr-Zementmantel-Gesteinssystems sowie einem Temperaturdifferenzialspannungsmodell analysiert diese Studie die Spannungsverteilung und Mikroannularenderzeugung unter verschiedenen Bedingungen. Die Integritätstests an verschiedenen modifizierten Zementmilchsystemen ergaben Ergebnisse, die mit der theoretischen Analyse übereinstimmen, was die Wirksamkeit des Geräts bestätigt.
Laboruntersuchungen haben ergeben, dass Zementstein unter zyklischem Druck eine signifikante plastische Verformung aufweist, wobei die anfängliche Verformung erheblich ist und mit der Zeit zunimmt. Diese plastische Verformung ist eine Hauptursache für die Bildung von Mikroannularen, einem wichtigen Faktor für den Interlayerschadens. CT-Scans von Zementmanteln, die zyklischer Belastung unterzogen wurden, zeigen, dass Risse im Zementkörper und Mikroannulare an der Schnittstelle die Hauptversagensformen sind. Diese Versagungen bilden einen Weg für Gasleitungen und beeinträchtigen die Abdichtungsintegrität. Während der Druck während der Belastung nicht sofort Mikroannulare verursacht, führt der Druckabfall während der Entlastung zu Dehnung und anschließenden Mikroannulare. Darüber hinaus induziert der Bohrlochabkühlungseffekt Zug- und Druckspannungen, was zur Schnittstellenentflechtung und Mikroannulare beiträgt. Die Forschung zeigt, dass Zementmantel mit niedrigem Elastizitätsmodul, niedrigem Poissonzahl und hoher mechanischer Festigkeit eine bessere langfristige Abdichtungsintegrität bieten. Die Druckfestigkeit beeinflusst Mikrorisse, während der Elastizitätsmodul eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Mikroannularen spielt. Die Zugabe von Expansionsmitteln, Fasern und Borsten hilft, diese Versagensformen zu mildern.
Zusammenfassend hat diese Studie ein Hochtemperatur- und Hochdruck-Zementmantelintegrität Bewertunggerät entwickelt und ein theoretisches Modell für Spannungen und Verformungen im Rohr-Zementmantel-Gesteinssystem basierend auf der elastisch-plastischen Theorie sowie eine Mikroannulare Analysemethode aufgebaut. Diese Komponenten bilden einen umfassenden Ansatz zur Bewertung und Vorhersage der Abdichtungsfähigkeit des Zementmantels unter Bohrlochbedingungen. Die Ergebnisse erweitern das theoretische Verständnis der Zementmantelintegrität und bieten Anleitung für die Zementmantelgestaltung.

The cement sheath, serving as the primary element of well barriers, plays a crucial role in maintaining zonal isolation, protecting the casing from corrosion, and providing mechanical support. As the petroleum industry shifts from conventional to deep unconventional resources, cement sheaths face increasingly harsh conditions. High temperatures, high pressures, cyclic loading, and thermal stresses in downhole have significantly increased the risk of cement sheath failure. Related research can be carried out from both theoretical and experimental aspects. However, previous studies primarily focus on overall integrity failure, with limited analysis of interface micro-annulus. Moreover, the evaluation devices are often simplistic and cannot accurately simulate the impact of actual underground conditions.
This paper addresses the engineering challenges of interlayer isolation failure by investigating the mechanical properties, integrity, and interface sealing of wellbore cement sheaths through experimental and theoretical approaches. A self-developed high-temperature and high-pressure cement sheath integrity evaluation device was used to test the cement sheath integrity under three loading modes. Using an elastic-plastic mechanical model of the casing-cement sheath-formation system, along with a temperature-differential stress model, this study analyzes stress distribution and micro-annulus generation under varying conditions. The integrity tests on various cement slurry modified systems obtained results consistent with theoretical analysis, verifying the effectiveness of the device.
Laboratory tests revealed that cement stone exhibits significant plastic strain under cyclic pressure, with initial deformation being substantial and increasing over time. This plastic strain is a primary cause of micro-annulus generation, a key factor in interlayer isolation failure. CT scans of cement sheaths subjected to cyclic loading reveal that cracks in the cement body and micro-annulus at the interface are the main failure modes. These failures form a pathway for gas channeling, compromising the sealing integrity. While internal pressure during loading does not immediately cause micro-annulus, pressure reduction during unloading leads to stretching and subsequent micro-annulus. Moreover, wellbore cooling effect induces tensile and compressive stresses, contributing to interface debonding and micro-annulus. The research indicates that cement sheaths with low Young’s modulus, low Poisson’s ratio and high mechanical strength provide superior long-term sealing integrity. Compressive strength affects microcrack, while Young's modulus plays a critical role in micro-annulus generation. The addition of expansion agents, fibers and whiskers helps mitigate these failure modes.
In conclusion, this study developed a high-temperature and high-pressure cement sheath integrity evaluation device and established a theoretical model for stress and displacement in the casing-cement sheath-formation system based on elastic-plastic theory, along with a micro-annulus analysis method. These components form a comprehensive approach for evaluating and predicting the sealing capacity of the cement sheath under wellbore conditions. The findings enhance the theoretical understanding of cement sheath integrity and provide practical guidance for cement sheath design.