油气藏评价与开发

东海A区块CCS井固井水泥环应力状态与完整性研究

郝锋 , 杜帅 , 杨雪峰 , 汪珂欣 , 高东亮 , 黄达

油气藏评价与开发 | 方法理论 2026,16(1): 96-106

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油气藏评价与开发 |方法理论 2026 , 16 (1) : 96 -106

东海A区块CCS井固井水泥环应力状态与完整性研究

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郝锋（1995—），硕士研究生，工程师，主要从事钻完井技术研发工作。地址：上海市浦东新区商城路1225号，邮政编码：200120。E-mail：haof.shhy@sinopec.com

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郝锋（1995—），硕士研究生，工程师，主要从事钻完井技术研发工作。地址：上海市浦东新区商城路1225号，邮政编码：200120。E-mail：haof.shhy@sinopec.com

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郝锋, 杜帅, 杨雪峰, 汪珂欣, 高东亮, 黄达

作者信息

中国石化上海海洋油气分公司，上海　200120

作者简介:

郝锋（1995—），硕士研究生，工程师，主要从事钻完井技术研发工作。地址：上海市浦东新区商城路1225号，邮政编码：200120。E-mail：haof.shhy@sinopec.com

Study on stress state and integrity of cement sheath in well cementing of CCS pilot well in block A, East China Sea

FENG HAO, SHUAI DU, XUEFENG YANG, KEXIN WANG, DONGLIANG GAO, DA HUANG

Affiliations

Sinopec Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China

出版时间: 2026-01-26 doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024523

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关键词

碳封存 / 固井 / 水泥环 / 应力 / 安全系数 / 完整性评价

Key words

carbon storage / well cementing / cement sheath / stress / safety factor / integrity evaluation

引用本文

郝锋, 杜帅, 杨雪峰, 汪珂欣, 高东亮, 黄达. 东海A区块CCS井固井水泥环应力状态与完整性研究. 油气藏评价与开发, 2026 , 16 (1) : 96 -106 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024523

FENG HAO, SHUAI DU, XUEFENG YANG, KEXIN WANG, DONGLIANG GAO, DA HUANG. Study on stress state and integrity of cement sheath in well cementing of CCS pilot well in block A, East China Sea[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2026 , 16 (1) : 96 -106 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024523

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在碳捕集与地质封存（CCS）注入井中，固井水泥环作为关键密封屏障，对实现储盖层层间隔离和维持井筒完整性至关重要^[1-2]。在注CO₂井中水泥环易受多重破坏机制影响^[3]：①机械应力破坏方面，TAKASE等^[4]证实注水井改注CO₂时，高注入压力会引发水泥环发生应力破坏并产生裂缝从而影响其密封性能^[5-6]。BYBEE^[7]、郝锋等^[8]研究证明高温环境会增加水泥脆性，高压高温耦合作用会加速水泥和套管的退化，因此，深层高压储层并非理想的碳封存场所；②化学腐蚀方面，虽然苗禾垚等^[9]认为CO₂溶于地层水生成碳酸引发水泥碳化反应，但KUTCHKO等^[10-11]通过实验证明硅酸盐水泥与CO₂反应速率较低，另外，CAREY等^[12]对生产30~50 a的注CO₂井取样证实碳化水泥仍可维持密封完整性，因此，在海上浅层低压环境中，通过使用抗CO₂腐蚀水泥体系并采用超临界干性CO₂（纯度大于95%）注入工艺，可有效抑制化学腐蚀风险^[13-15]；循环载荷方面，海上船舶输运CO₂会造成注入井循环卸压-加载过程更频繁，这种高频次的压力波动会加剧水泥环疲劳失效使其产生残余应变，应力性破坏产生的裂缝在循环载荷作用下将进一步扩展从而显著削弱其密封性能，因此，建立针对性海上CCS注入井水泥环完整性评估方法，保障CO₂长期封存安全需要。

目前，一些分析模型和数值模型已经被用于研究各种不同条件下水泥环的完整性。THIERCELIN等^[16]基于线弹性理论建立套管-水泥环-地层协同形变模型；TEODORIU等^[17]结合厚/薄壁筒理论开发井筒应力解析模型；HAIDER等^[18]引入莫尔-库仑准则评估碳封存工况下水泥破坏风险；LI等^[19-20]考虑地应力各向异性构建页岩/砂岩地层密封能力预测模型；ZHANG等^[21]建立了考虑热膨胀环空压力影响的水泥环安全系数计算模型；范明涛等^[22]采用内聚力单元法模拟周期载荷下的界面失效过程；DENG等^[23]建立非均匀应力下套管-水泥环-地层模型，揭示应力不均致脱黏与剪切破坏规律；MENG等^[24]考虑多孔材料特性及初始应力-孔隙压耦合建立套管-水泥环-地层瞬态热孔隙弹性模型；刘奎等^[25-26]、尹奥博等^[27]建立残余应变模型，提出环空加压固井的界面应力增强方法。这些研究为CCS井水泥环完整性预测与优化设计提供了理论支撑。

东海A区块浅层CO₂地质封存面临着水平地应力差异大（垂深2 000 m以上地层最大水平地应力与最小水平地应力比值约为1.12）与间歇性注入CO₂工艺设计下循环应力影响显著的双重挑战。现有水泥环完整性模型未有效建立非均匀地应力场与残余应变耦合作用机制，难以有效评估东海A区块浅层低压储层水泥环密封失效行为，因此构建高地应力差异-循环残余应变的耦合水泥环密封性评估模型，揭示宽应力幅值及循环残余应变作用下水泥环破坏规律，对于指导东海A区块CCS注入井固井水泥力学性能设计及评估井下水泥环密封完整性具有重要意义。

1　水泥环应力状态与完整性计算模型

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1.1　考虑非均匀地应力及残余应变影响的水泥环应力状态计算模型

基于下列假设，简化建立非均匀地应力作用下套管-水泥环-地层组合物理模型（图1）与数学模型：①假定套管、水泥环、地层均为弹性材料；②固井作业良好，水泥环-套管-地层界面黏结状态良好；③忽略模型径向上的温度变化，且受非均匀地应力影响；④垂直钻井情况下，只考虑组合模型的平面应变；⑤水泥环、套管、地层力学参数不随弹性变形发生变化。

基于厚壁圆筒理论，套管任意半径处的周向应力及径向应力分布可由拉梅方程^[28]推导出：

σ r c a = p 2 r 22 - p i r 12 r 22 - r 12 + p i - p 2 r 12 r 22 r 22 - r 12 r 2 σ θ c a = p 2 r 22 - p i r 12 r 22 - r 12 - p i - p 2 r 12 r 22 r 22 - r 12 r 2

（1）

式中：

σ r c a

、

σ θ c a

分别为套管半径r处的径向应力、周向应力，单位MPa；

r 1

为套管内径，单位m；

r 2

为套管外径同时也是水泥环内径，单位m；

r 3

为水泥环外径，单位m；

p i

为套管内压力，单位MPa；

p 2

为套管-水泥环界面接触力，单位MPa；

p 3

为水泥环-地层界面接触力，单位MPa。

套管任意半径r处的径向位移为：

u r c a = 1 + v c a E c a r 12 r 22 + 1 - 2 ν c a r 12 r 2 r 22 - r 12 r p i - r 12 r 22 + 1 - 2 ν c a r 22 r 2 r 22 - r 12 r p 2

（2）

式中：

u r c a

为套管半径r处的径向位移，单位m；

E c a

为套管的弹性模量，单位GPa；

v c a

为套管泊松比。

同理，水泥环任意半径r处的周向应力及径向应力分布可表示为：

σ r c e = p 3 r 32 - p 2 r 22 r 32 - r 22 + p 2 - p 3 r 22 r 32 r 32 - r 22 r 2 σ θ c e = p 3 r 32 - p 2 r 22 r 32 - r 22 - p 2 - p 3 r 22 r 32 r 32 - r 22 r 2

（3）

式中：

σ r c e

、

σ θ c e

分别为水泥环半径r处的径向应力、周向应力，单位MPa。

水泥环任意半径处的径向位移为：

u r c e = 1 + v c e E c e r 22 r 32 + 1 - 2 v c e r 22 r 2 r 32 - r 22 r p 2 - r 22 r 32 + 1 - 2 v c e r 32 r 2 r 32 - r 22 r p 3

（4）

式中：

u r c e

为水泥环半径r处的径向位移，单位m；

E c e

为水泥环的弹性模量，单位GPa；

v c e

为水泥环泊松比。

考虑地层刚性与非均匀地应力影响下的地层径向及周向应力为：

σ r f m = 12 σ H + σ h 1 - B r 3 r 2 + 12 σ H - σ h 1 - 2 A r 3 r 2 - 3 C r 3 r 4 c o s 2 θ σ θ f m = 12 σ H + σ h 1 + B r 3 r 2 - 12 σ H - σ h 1 - 3 C r 3 r 4 c o s 2 θ

（5）

A = 2 1 - β c f β c f k f + 1 B = k c - 1 - β c f k f - 1 2 β c f + k c - 1 C = β c f - 1 β c f k f + 1

（6）

β c f = E c e / E f m k c = 3 - 4 v c e k f = 3 - 4 v f m

（7）

式中：

σ r f m

、

σ θ f m

分别为地层半径r处的径向应力、周向应力，单位MPa；

σ H

、

σ h

分别为最大水平地应力、最小水平地应力，单位MPa；A、B、C为地层及水泥环相关的性质参数；

β c f

为刚度比，即水泥环与地层的弹性模量比值；

k c

、

k f

为地层及水泥环相关的性质参数；

E f m

为地层岩石的弹性模量，单位GPa；

v f m

为地层岩石泊松比。

在考虑平面应变条件下，地层径向应变可表示为：

u r f m = 1 E f m 1 - ν f m 2 σ r f m - v f m + ν f m 2 σ θ f m

（8）

式中：

u r f m

为地层半径r处的径向位移，单位m。

在线弹性理论的基础上由连续性条件可知，套管外边界的变形量应等于水泥环内边界的变形量，水泥环外边界的应力值应等于地层内边界的应力值。

u r = r 2 c a = u r = r 2 c e σ θ f m r = r 3 = σ θ c e r = r 3 σ r f m r = r 3 = σ r c e r = r 3

（9）

在海上船舶输运及CO₂间歇性注入工艺实施的过程中，注入压力会产生交替变化，相应的套管内压对套管-水泥环-地层的循环加载-卸载频率也会更大。在这种循环作用机制下，套管一般处于弹性受力状态时其径向变形可完全恢复^[29]，而水泥环作为一种多孔弹性介质，在承受外部载荷时其内部的孔隙结构会发生变形或坍塌从而产生残余应变^[20]，这种微观结构损伤产生的残余应变属于不可逆形变，因此，当受到持续变化的循环载荷作用时，残余应变将随循环作用次数增加而逐渐增大（图2）。

由公式（3）可知：在套管内压载荷作用下，水泥环内壁受到的径向应力最大，并且内壁径向应力远大于外壁的径向应力，因此不可逆残余应变主要产生于水泥环内壁，则考虑残余应变影响下的套管-水泥环径向位移连续性方程为：

u r e = ε h

（10）

u r = r 2 c a + u r e = u r = r 2 c e

（11）

式中：

u r e

为水泥环残余应变引起的水泥环内壁径向位移，单位m；

ε

为水泥环残余应变；

h = r 3 - r 2

，h为水泥环厚度，单位m。

通过连续性条件联立方程求解得到界面接触力p₂、p₃的值：

p 3 = σ r f m r = r 3 = 12 σ H + σ h 1 - B + 12 σ H - σ h 1 - 2 A - 3 C c o s 2 θ p 2 = [(1 + ν c a) / E c a] {[r 12 r 22 + 1 - 2 ν c a r 12 r 22] / r 22 - r 12} p i + [(1 + ν c e) / E c e] {[r 22 r 32 + 1 - 2 ν c e r 32 r 22] / r 32 - r 22} p 3 + ε r 2 r 3 - r 2 [(1 + ν c a) E c a] {[r 12 r 22 + 1 - 2 ν c a r 22 r 22] / r 22 - r 12} + [(1 + ν c e) / E c e] {[r 22 r 32 + 1 - 2 ν c e r 22 r 22] / r 32 - r 22}

（12）

式中：

σ H

为地层水平最大主应力，单位MPa；

σ h

为地层水平最小主应力，单位MPa。

通过获得的套管、水泥环、地层参数与套管内压值结合公式（11）即可计算获得水泥环应力状态分布。

1.2　水泥环完整性评价模型

采用拉伸破坏和塑性剪切破坏准则，评估CCS井固井水泥环在钻完井作业、CO₂注入工况中套管循环内压影响下是否会产生破坏，确定CCS注入井项目中钻完井安全作业参数和CO₂注入过程中的最大允许套管内压力。定义压应力为正、拉应力为负，对于防止水泥环产生受拉破坏，水泥环的周向拉应力小于水泥环的抗拉强度。

在实际的井下固井条件下，套管-水泥环-地层间客观存在界面过渡区，会对水泥环的拉伸破坏形式产生较大的影响。杨广国等^[30]研究表明：界面过渡区通过降低水泥环周向拉应力抑制拉伸破坏，同时套管-地层双向约束可阻止已达强度极限的水泥环产生径向裂纹，因此，采用公式（12）作为水泥环拉伸破坏的评判标准能够满足CCS注入井的严格要求。CCS注入井工况中当套管内载荷增加时，水泥环主要发生塑性剪切破坏产生微环隙，从而对碳封存井井筒完整性带来不利的影响。由摩尔-库伦准则得到水泥环发生塑性剪切破坏时，应满足：

σ r c e = 2 C c e c o s φ c e 1 - s i n φ c e + σ θ c e 1 + s i n φ c e 1 - s i n φ c e

（13）

式中：C_ce为水泥环内聚力，单位MPa；φ_ce为水泥环的内摩擦角，单位（°）。

定义F_shear为水泥环塑性剪切破坏安全系数，计算方法如下：

F s h e a r = σ r c e 2 C c e [c o s φ c e / (1 - s i n φ c e) + σ θ c e [(1 + s i n φ c e) / (1 - s i n φ c e)]

（14）

当F_shear<1时，水泥环不会产生塑性剪切破坏；当F_shear超过1时，认为水泥环产生塑性剪切破坏。

2　东海A区块CCS固井水泥环应力状态与完整性评价

收起

2.1　东海A区块CCS先导试验井基本情况

东海A区块浅部咸水层埋深适宜、断层少、厚度大，具备有利的CO₂封存构造条件，玉泉组下段平均盖层厚度为160 m、平均储层厚度为150 m，有利储层埋深介于1 000~2 000 m，孔隙度为25%，地层压力当量为1.03 g/cm³。计划在该区块钻一口CCS先导试验井，井身结构如图3所示。

研究井为一口直井，有利的CO₂注入咸水层位于垂深介于1 428~1 563 m，1 274~1 428 m为厚泥岩盖层，

Φ

339.7 mm表层套管下深795 m，

Φ

244.5 mm产层套管下深为1 595 m，设计

Φ

244.5 mm套管采用CO₂抗性水泥封固至井口。

设计下入

Φ

88.9 mm注入管柱以间歇式注入工艺注入超临界CO₂干性气体，注入压力不超过砂岩储层破裂压力，注入期间井口压力在注入压力值与关井压力值间交替变化。同时设计采用改进的硅酸盐水泥体系以侧重于增强水泥体系的防腐性能，这可能使其无法兼顾良好的水泥环力学性能，因此需要针对间歇性注入工况下套管内压变化对水泥环完整性展开评价，从而为A区块CCS先导试验井固井抗腐蚀水泥环力学性能设计提供指导。

2.2　东海A区块地应力计算

东海A区块地质条件复杂，高地应力差值影响显著，因此模型中重点考虑了非均匀地应力带来的影响，要针对碳封存目标A区块水泥环力学性能展开设计分析，前提是需要掌握目标区域的地应力资料。地层最大、最小水平应力值可通过参考该区块邻井同等垂深处的全过程破裂压力试验曲线结合地层孔隙压力计算得到^[31]，计算方法如下：

S t = p f - p r σ h = p s σ H = 3 σ h - p f - α p p + S t

（15）

式中：S_t为岩石抗拉强度，单位MPa；p_f为地层破裂压力，单位MPa；p_r为裂缝重张压力，MPa；p_s为瞬时停泵压力，单位MPa；

σ h

为地层最小水平应力，单位MPa；

σ H

为地层最大水平应力，单位MPa；p_p为孔隙压力，单位MPa；α为有效应力系数，取值0.95。

图4为东海A区块某邻井在有利CO₂储层上部盖层泥岩（垂深为1 471.41 m、钻井液密度1.28 g/cm³）处地漏实验记录。由地漏实验曲线可以得到垂深1 471.41 m地层处破裂压力为25.69 MPa、重张压力为23.67 MPa、瞬时停泵压力为24.03 MPa，最后计算得到目标区块该深度处的

σ H

=28.7 MPa、

σ h

=24.0 MPa。考虑超临界CO₂低黏特征，忽略注入过程摩阻影响，则井口注入压力需满足：

p i n j e c t i o n + ρ g h = p i ≤ p f

（16）

式中：

p i n j e c t i o n

为井口注入压力，单位MPa；

ρ

为CO₂密度，单位g/cm³；h为垂深，单位m；

g

为重力加速度，单位N/kg，取9.8 N/kg。

2.3　水泥环应力状态计算与完整性评价

东海A区块CCS先导试验井设计基本参数包括：①套管参数，外径244.50 mm，磅级47.00 ppf，钢级N80，壁厚11.99 mm，弹性模量210 GPa，泊松比0.30；②水泥环参数，抗压强度30 MPa，抗压强度30 MPa，抗拉强度3 MPa，弹性模量10 GPa，泊松比0.30，内聚力3 MPa，内摩擦角40°；③地层岩石参数，抗压强度40 MPa，抗拉强度2.40 MPa，弹性模量20 GPa，泊松比0.18，最大水平地应力28.70 MPa，最小水平地应力24 MPa；④CO₂注入参数，注入井口压力12 MPa，CO₂密度0.80 g/cm³，停泵井口压力2.75 MPa。

基于试验井中设计参数，在不考虑水泥环残余应变情况下（水泥环残余应变

ε

=0），模拟注入压力12 MPa下水泥环应力状态，由图5可以看出：水泥环沿最大水平地应力方向受到的径向应力值较大，且最大值出现在套管-水泥环交界面处，而水泥环沿最小水平地应力方向受到的径向应力值较小，周向应力的值均为正值和均为压应力时不会导致水泥环的拉伸破坏；从应力分布结果上来看，水泥环沿最大水平地应力方向受到的周向应力值较大，且最大值出现在地层-水泥环交界面处；水泥环沿最小水平地应力方向受到的周向应力值较小，最小值出现在套管-水泥环交界面处。

由图6可以看出：注入压力为12 MPa时，塑性剪切破坏安全系数均在1以内，拉伸破坏应力安全系数为负值，此时的水泥环为安全状态。塑性剪切破坏安全系数在最小水平地应力方向最大，最大值位于套管-水泥环界面处为0.375，拉伸破坏应力安全系数在最小水平地应力方向最大，最大值位于套管-水泥环界面处为-2.6。

水泥环在承受CCS注入井循环载荷的过程中会产生残余应变，在一定的周期性压力差作用下残余应变会逐步增加，并且初期水泥环孔隙结构完整因此在循环载荷的作用下残余应变较大，随着循环加载-卸载次数的增多，若水泥环完整性未遭到破坏，其残余应变增加量将越来越低，直至达到某一极限值。

考虑水泥环残余应变极限值影响，模拟注入压力12 MPa、

ε

（残余应变值）为0.003下水泥环应力状态。由图7可以看出：注入压力为12 MPa、

ε

为0.003时，对比不考虑残余应变情况下，水泥环所受的径向应力值增加（最大径向应力值由27.2 MPa增加至29.0 MPa），而周向应力值减小（最大轴向应力值由17.6 MPa降低至13.0 MPa）。

由图8可以看出：注入压力为12 MPa、

ε

为0.003时，对比不考虑残余应变情况下，水泥环剪切破坏应力安全系数由0.375增加至0.750，拉伸破坏应力安全系数由-2.6增加至-1.0，水泥环发生破坏的安全余量均有所减少。

2.4　水泥环应力状态与完整性影响因素分析

为更好针对东海A区块开展CCS井固井水泥环性能设计，以下模拟研究了地应力差、残余应变以及水泥环力学参数（弹性模量）对不同注入压力下水泥环应力状态及完整性影响规律。

2.4.1　地应力差对水泥环应力状态与完整性影响

模拟最小水平地应力为20 MPa条件下地应力差对不同注入压力下的水泥环应力状态的影响，如图9所示，随着井口注入压力增加，最大径向应力逐渐增大，最大周向应力逐渐减小，从趋势上看当注入压力持续增加时，最大周向应力将减小为负值从而由压应力转变为拉应力，当拉应力数值超过水泥环的抗拉强度时容易在该处产生拉伸破坏，而随着地应力差逐渐增大，最大径向应力与最大周向应力均增大。

在应力状态基础上采用完整性评价准则评价水泥环安全系数如图10所示，随着井口注入压力增加，最大剪切破坏系数成指数式逐渐增大，最大拉伸破坏系数成线性逐渐增大；而在相同注入压力条件下随着地应力差逐渐增大，最大剪切破坏系数与最大拉伸破坏系数均有所降低。这表明地应力差对于提升CCS注入井水泥环破坏安全系数余量具有一定作用。

2.4.2　残余应变对水泥环应力状态与完整性影响

模拟最小水平地应力为20 MPa、最大与最小水平地应力差为2 MPa条件下，水泥环残余应变极限值对不同注入压力下的水泥环应力状态的影响，如图11所示，随着水泥环残余应变的增大，水泥环最大径向应力增大而最大周向应力减小。

在应力状态基础上采用完整性评价准则评价水泥环安全系数如图12所示，随着井口注入压力增加，最大剪切破坏系数成指数式逐渐增大，最大拉伸破坏系数成线性逐渐增大；而在相同注入压力条件下随着残余应变的增大，最大剪切破坏系数与最大拉伸破坏系数均增大。剪切安全系数为1时水泥环产生塑性剪切破坏，图12a中所示在残余应变值为0.002、井口注入压力13 MPa左右就产生塑性剪切破坏，而此条件下最大拉伸破坏安全系数为负值，表明其仍然为受压状态，因此，水泥环率先在沿最小水平地应力方向套管-水泥环界面产生塑性剪切破坏。

2.4.3　弹性模量对水泥环应力状态与完整性影响

模拟

σ h

=20 MPa、

σ H - σ h

=2 MPa、

ε

=0条件下，水泥环弹性模量对不同注入压力下的水泥环应力状态的影响，如图13所示，随着水泥环弹性模量的增大，水泥环受到的最大径向应力和最大周向应力均增加。

在应力状态基础上采用完整性评价准则评价水泥环安全系数（图14）：在弹性模量大于4 GPa时，随着水泥环弹性模量的增大，水泥环最大剪切破坏系数与最大拉伸破坏系数逐渐减小，但并不是水泥环弹性模量越大，剪切破坏安全系数越低；在弹性模量为2 GPa、注入压力为16 MPa条件下，剪切安全系数比弹性模量4~10 GPa下的安全系数还要低，且随着注入压力的增加其安全系数的增长幅度较低。因此，研究应优选弹性模量介于2~6 GPa下的最大剪切安全系数规律进行深入模拟探究。

由图15可以看出：水泥环弹性模量介于2~6 GPa时，随着弹性模量的增大，水泥环最大剪切破坏安全系数先增大后减小，并且随着注入压力的增加其某一注入压力条件下最大剪切破坏安全系数对应的弹性模量值也增大。这表明在CCS井循环注入工况条件下水泥环弹性模量设计应结合注入压力工况并且要避免使其最大剪切破坏安全系数处于局部极大值，从而提升安全余量。

3　结论

收起

1）建立了非均匀应力-残余应变耦合作用下的CCS注入井水泥环应力状态计算及完整性评估模型，模拟结果揭示了CCS注入井水泥环破坏规律为：水泥环拉伸破坏与塑性剪切破坏的薄弱点均位于最小水平地应力方向的水泥环-套管界面处，当井口注入压力增加时水泥环最大剪切破坏系数成指数式增大而最大拉伸破坏系数成线性增大，因此对比拉伸破坏条件而言在加压薄弱点处的水泥环更倾向于先产生剪切破坏。

2）高地应力差区域可有效提升CCS注入井在循环加载工况下的水泥环破坏安全系数余量，因此选取高地应力差区域进行作业有利于维持水泥环完整性；残余应变累积效应会引发水泥环剪切破坏安全系数显著提升，因此需建立注入压力动态调控机制并优化循环加载路径以抑制应变非线性增长；水泥环弹性模量的增加会导致水泥环所受应力水平上升，从而加剧残余应变的累积风险，在工程实践中需通过多目标优化方法确定弹性模量阈值，确保在降低应力集中效应的同时避开剪切破坏安全系数的局部极值区域。

参考文献

收起

文献

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参考文献引证文献

排序方式：

FABIO

, FEDERICO

, DANIELE

, et al. A cutting-edge approach in cement testing for carbon capture and storage applications[C]// Paper OMC-2023-380 presented at the OMC Med Energy Conference and Exhibition, Ravenna, Italy, October 2023.

KIRAN

, TEODORIU

, DADMOHAMMADI

, et al. Identification and evaluation of well integrity and causes of failure of well integrity barriers(a review)[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2017, 45: 511-526.

, LI

, HOU

, et al. Analytical perspectives on cement sheath integrity: A comprehensive review of theoretical research[J]. ACS Omega, 2024, 9: 17741-17759.

TAKASE

, BARHATE

, HASHIMOTO

, et al. Cement-sheath wellbore integrity for CO₂ injection and storage wells[C]//Paper SPE-127422-MS presented at the SPE Oil and Gas India Conference and Exhibition, Mumbai, India, January 2010.

赵坤, 李泽阳, 刘娟丽, 等. 吉木萨尔页岩油井区CO₂前置压裂工艺参数优化及现场实践[J]. 油气藏评价与开发, 2024, 14(1): 83-90.

ZHAO

Kun

, LI

Zeyang

, LIU

Juanli

, et al. Parameter optimization and field practice of CO₂ pre-fracturing process in Jimsar shale oil block[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2024, 14(1): 83-90.

张志升, 吴向阳, 吴倩, 等. CO₂驱油封存泄漏风险管理系统及应用研究[J]. 油气藏评价与开发, 2024, 14(1): 91-101.

ZHANG

Zhisheng

, WU

Xiangyang

, WU

Qian

, et al. Risk management system and application of CO₂ flooding and sequestration leakage[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2024, 14(1): 91-101.

BYBEE

. Effects of long-term exposure to ultrahigh temperature on the mechanical parameters of cement[J]. Journal of Petroleum Technology, 2007, 59: 68-71.

郝锋, 李基伟, 唐登宇, 等. 海上CCS井固井关键技术探讨[J]. 当代石油石化, 2023, 31(6): 33-38.

HAO

Feng

, LI

Jiwei

, TANG

Dengyu

, et al. Discussion on key cementing technology of offshore CCS wells[J]. Petroleum & Petrochemical Today, 2023, 31(6): 33-38.

苗禾垚, 张军建, 杨斌, 等. 巨野煤田深部煤层CO₂地质封存潜力评价及有利区优选[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2025, 44(3): 56-67.

MIAO

Heyao

, ZHANG

Junjian

, YANG

Bin

, et al. CO₂ geological storage potential evaluation and optimization of favorable areas in deep coal seams of Juye Coalfield[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science), 2025, 44(3): 56-67.

KUTCHKO

B G

, STRAZISAR

B R

, HUERTA

, et al. CO₂ reaction with hydrated class H well cement under geologic sequestration conditions: Effects of flyash admixtures[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43(10): 3947-3952.

KUTCHKO

B G

, STRAZISAR

B R

, DZOMBAK

D A

, et al. Degradation of well cement by CO₂ under geologic sequestration conditions[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(13): 4787-4792.

CAREY

J W

, WIGAND

, CHIPERA

S J

, et al. Analysis and performance of oil well cement with 30 years of CO₂ exposure from the SACROC Unit, West Texas, USA[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2007, 1(1): 75-85.

SANTRA

, SWEATMAN

. Understanding the long-term chemical and mechanical integrity of cement in a CCS environment[J]. Energy Procedia, 2011, 4: 5243-5250.

NYGAARD

, SALEHI

, WEIDEMAN

, et al. Effect of dynamic loading on wellbore leakage for the wabamun area CO₂-sequestration project[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2014, 53(1): 69-82.

杨川, 余才焌, 石庆, 等. CCUS井水泥环腐蚀预测模型及影响因素[J]. 石油与天然气化工, 2024, 53(3): 86-91.

YANG

Chuan

, YU

Caijun

, SHI

Qing

, et al. Prediction model and influencing factors of cement sheath corrosion in CCUS wells[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2024, 53(3): 86-91.

THIERCELIN

, BAUMGARTE

, GUILLOT

. A soil mechanics approach to predict cement sheath behavior[C]//Paper SPE-47375-MS presented at the SPE/ISRM Rock Mechanics in Petroleum Engineering, Trondheim, Norway, July 1998.

TEODORIU

, UGWU

, SCHUBERT

. Estimation of casing-cement-formation interaction using a new analytical model[C]//Paper SPE-131335-MS presented at the SPE EUROPEC/EAGE Annual Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, June 2010.

HAIDER

M G

, SANJAYAN

, RANJITH

P G

. Modeling of a well-bore composite cylinder system for cement sheath stress analysis in geological sequestration of CO₂[C]//Paper ARMA-2012-369 presented at the 46th U.S. Rock Mechanics / Geomechanics Symposium, Chicago, Illinois, 2012.

, GUO

, LI

, et al. An analytical solution to simulate the effect of cement/formation stiffness on well integrity evaluation in carbon sequestration projects[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, 27: 1092-1099.

, LI

, ZHOU

, et al. Effect of cement sheath induced stress on well integrity assessment in carbon sequestration fields[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2017, 46: 132-142.

ZHANG

, WANG

. Effect of thermal expansion annulus pressure on cement sheath mechanical integrity in HPHT gas wells[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 118: 600-611.

范明涛, 李社坤, 李军, 等. 多级压裂水泥环界面密封失效数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2019, 19(24): 107-112.

FAN

Mingtao

, LI

Shekun

, LI

Jun

, et al. Numerical simulation of interface seal failure of cement sheath during multi-stage fracturing[J]. Science Technology and Engineering, 2019, 19(24): 107-112.

DENG

, XIE

, YUE

, et al. Study on the effect of interface failure between casing and cement sheath on casing stress under non-uniform in-situ stress[J]. Applied Mathematical Modelling, 2021, 91: 632-652.

MENG

, LUKE

, CAREY

J W

, et al. Predicting cement-sheath integrity with consideration of initial state of stress and thermoporoelastic effects[J]. SPE Journal, 2021, 26(6): 3505-3528.

刘奎, 丁士东, 周仕明, 等. 套管内压周期变化水泥环应力计算与失效分析[J]. 石油机械, 2021, 49(5): 1-8.

LIU

Kui

, DING

Shidong

, ZHOU

Shiming

, et al. Stress calculation and failure analysis of cement sheath experiencing periodic variation of casing internal pressure[J]. China Petroleum Machinery, 2021, 49(5): 1-8.

刘奎, 丁士东, 初永涛, 等. 页岩气井压裂交变载荷水泥环密封能力研究[J]. 石油机械, 2023, 51(11): 79-86.

LIU

Kui

, DING

Shidong

, CHU

Yongtao

, et al. Study on sealing ability of cement sheath under cyclic loading in shale gas well fracturing[J]. China Petroleum Machinery, 2023, 51(11): 79-86.

尹奥博, 李军, 连威, 等. 页岩气水平井套管变形机理及控制方法研究进展[J]. 新疆石油天然气, 2025, 21(1): 50-60.

YIN

Aobo

, LI

Jun

, LIAN

Wei

, et al. Research progress on the mechanisms and control methods of casing deformation in shale gas horizontal wells[J]. Xinjiang Oil & Gas, 2025, 21(1): 50-60.

GHOLAMI

, AADNOY

, FAKHARI

. A thermo-poroelastic analytical approach to evaluate cement sheath integrity in deep vertical wells[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016, 147: 536-546.

陶谦, 刘仍光, 周仕明, 等. 固井水泥石徐变实验与分析[J]. 钻采工艺, 2016, 39(6): 5-6.

TAO

Qian

, LIU

Rengguang

, ZHOU

Shiming

, et al. Effect of creeping on long-term sealing of cement sheath[J]. Drilling & Production Technology, 2016, 39(6): 5-6.

杨广国, 刘奎, 曾夏茂, 等. 页岩气井套管内压周期变化对水泥环密封失效的实验研究[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(13): 5311-5317.

YANG

Guangguo

, LIU

Kui

, ZENG

Xiamao

, et al. Experimental analysis and discussion on cement sheath failure caused by the varied casing internal pressure in shale gas wells[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(13): 5311-5317.

陈勉, 金衍, 张广清. 石油工程岩石力学[M]. 北京: 科学出版社, 2008.

CHEN

Mian

, JIN

Yan

, ZHANG

Guangqing

. Rock mechanics of petroleum engineering[M]. Beijing: Science Press, 2008.

2026年第16卷第1期

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doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024523

接收时间：2024-11-08
首发时间：2026-10-30
出版时间：2026-01-26

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收稿日期：2024-11-08

基金

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中国石化上海海洋油气分公司，上海　200120

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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