臺灣博碩士論文加值系統

儲氣田氣井套管水泥在氣井操作過程中，因井壁週期性壓力加載、氣層溫度變化，導致套管水泥段受到應力作用，而發生套管水泥封固能力喪失的現象，使井內的氣體逸漏出來，造成巨大的經濟損失。
本研究利用電腦輔助工程分析軟體 ANSYS，以中油公司TCS-A2 井為典型案例，模擬井壁壓力加載、溫度變化作用，井底之套管水泥段之應力表現。首先分析井壁溫度加載作用，井壁溫度、三種異質材料之力學參數對水泥段的應力關係。最後對週期性井壁壓力/溫度加載，造成套管水泥的疲勞破壞，作進一步的探討。
研究結果指出週期性井壁壓力/溫度加載下，井底與井壁溫差效應影響水泥段疲勞壽命Nf 甚鉅，當溫差由0℃增至10℃過程中，為造成套管水泥疲勞壽命大幅下降的主因，此時套管水泥之封固能力面臨相當大的考驗。其中水泥段疲勞壽命長短與否，水泥之力學參數也扮演很重要的角色，此外套管與水泥之熱膨脹係數的差異也是另一個考量的重點。

The loss of cement bond log in casing cement in gas well reservoir operation process could result in a serious gas migration and cause big economic loss. The stresses which result in the loss of cement bond log were induced by variations of wellbore pressure and temperature during the operating life of the well.
The study used a finite element analysis package, ANSYS, referring to the setting from TCS-A2 well of CPC. The analysis model carried out the all kinds of mechanical parameters simulate the stress behaviour in bottom hole’s casing cement by the effect of wellbore temperature loading. This study also investigated the fatigue behaviour of the cement by periodical wellbore pressure/temperature loadings.
The results indicate that when the difference of temperature is from 0℃ raise to 10℃ between the bottom hole and wellbore, the fatigue life of the casing cement will decrease greatly. Besides, the loss of cement bond log is related to mechanical properties and the difference between the casing and cement’s coefficient of thermal expansion.

摘要I
致謝II
目錄IV
表目錄VII
圖目錄VII
符號表X

第一章　緒論1
1.1　研究動機與目的1
1.2　油氣井套管水泥工程簡介2
1.3　研究內容與流程4
第二章　文獻回顧6
第三章　理論基礎與軟體介紹18
3.1 理論基礎18
3.1.1　彈性力學18
3.1.2 熱傳導方程22
3.2 數值分析軟體介紹22
3.2.1　ANSYS簡介23
3.2.2　ANSYS分析領域24
3.2.3 ANSYS程式分析程序及其架構25
第四章　數值分析29
4.1　油氣井套管水泥之數值分析模型29
4.2　溫度與壓力之耦合場分析模式33
4.3　井壁溫度加載作用37
4.4　週期性井壁壓力/溫度加載51
4.4.1 週期性井壁溫度變化52
4.4.2 斷裂力學與疲勞破壞理論簡介56
4.4.3 週期性井壁壓力/溫度加載59
4.5　套管水泥疲勞壽命分析66
4.5.1 調整井壁壓力與溫度67
4.5.2 三種異質材料參數69
第五章　結論與建議75
5.1　結論75
5.2　建議78

參考文獻79

表 目 錄
表2-1 Ravi et al.（2002）試驗所用三種水泥之特性14
表3-1 結構反應的分類21
表4-1 氣井套管水泥尺寸及各材料參數表33
表4-2 Paris Law預測疲勞壽命之參數表66

圖 目 錄
圖1-1 氣井生產圖3
圖1-2 研究流程圖5
圖2-1 水泥封固能力試驗裝置示意圖8
圖2-2 井內壓力與鋼管管徑關係圖8
圖2-3 實驗室模擬套管水泥模型試驗示意圖9
圖2-4 含未封水泥段之注蒸氣油氣井示意圖11
圖2-5 注蒸氣井實驗室設備圖(未包絕熱材料)12
圖2-6 注蒸氣井實驗室設備圖(包覆絕熱材料)12
圖2-7 水泥段距井心距離應力關係圖13
圖2-8 Cement-1 體積收縮導致「水泥/岩石」界面脫離15
圖2-9 Cement-2和3有防止體積收縮處理而無界面脫離之現象15
圖3-1 ANSYS軟體分析流程與相對應之使用模組28
圖4-1 油氣井套管水泥之平面數值分析模型30
圖4-2 井壁壓力加載的ANSYS分析流程35
圖4-3 ANSYS軟體之PLANE 77與PLANE 82元素圖示35
圖4-4 ANSYS建構的套管水泥數值分析模型及其放大圖36
圖4-5 不同井壁溫度加載與氣井水泥段軸向應力關係圖38
圖4-6 不同井壁溫度加載與氣井水泥段切向應力關係圖38
圖4-7 套管水泥受到軸向或切向張應力時，可能的破壞模式40
圖4-8 井底與井壁溫差對套管/水泥界面切向應力關係圖41
圖4-9 套管楊氏模數值與油氣井水泥段所受應力之關係圖42
圖4-10 水泥楊氏模數值與油氣井水泥段所受應力之關係圖43
圖4-11 岩石楊氏模數值與油氣井水泥段所受應力之關係圖44
圖4-12 套管柏松比與油氣井水泥段所受應力之關係圖45
圖4-13 水泥柏松比與油氣井水泥段所受應力之關係圖46
圖4-14 岩石柏松比與油氣井水泥段所受應力之關係圖47
圖4-15 套管熱膨脹係數與油氣井水泥段所受應力之關係圖48
圖4-16 水泥熱膨脹係數與油氣井水泥段所受應力之關係圖49
圖4-17 岩石熱膨脹係數與油氣井水泥段所受應力之關係圖50
圖4-18 週期性井壁溫度加載與時間示意圖52
圖4-19 井底周圍受單一週期井壁溫度加載後溫度分佈圖54
圖4-20 單一週期溫度加載與套管/水泥界面處之應力值關係圖54
圖4-21 單一週期溫度加載與水泥/岩石界面處之應力值關係圖55
圖4-22 二倍週期溫度加載與水泥/岩石界面處之切向應力值關係圖55
圖4-23 裂縫擴張模式示意圖56
圖4-24 典型的疲勞裂縫成長示意圖57
圖4-25 週期性井壁壓力加載與加載時間示意圖61
圖4-26 週期井壓/溫加載的分析模型示意圖61
圖4-27 週期定值井壓/溫加載時間與兩界面處應力關係圖62
圖4-28 週期線性井壓/溫加載時間與兩界面處應力關係圖63
圖4-29 週期正弦井壓/溫加載時間與兩界面處應力關係圖64
圖4-30 加載時間與水泥段裂縫尖端之應力強度因子關係圖65
圖4-31 井壁壓力加載與疲勞壽命Nf的關係圖68
圖4-32 井壁壓力加載與疲勞壽命Nf的關係圖68
圖4-33 套管楊氏模數與疲勞壽命Nf的關係圖71
圖4-34 水泥楊氏模數與疲勞壽命Nf的關係圖71
圖4-35 岩石楊氏模數與疲勞壽命Nf的關係圖72
圖4-36 水泥柏松比與疲勞壽命Nf的關係圖73
圖4-37 熱膨脹係數比與疲勞壽命Nf的關係圖74

符號表
E：楊氏模數 (Young`s Modulus，MPa)
G：剪力模數 (Shear Modulus，MPa)
υ：柏松比 (Poisson`s Ratio，無因次)
α：熱膨脹係數 (Thermal Expansion Coefficient，1/℃)
K：熱傳導係數 (Thermal Conductivity，W/m ℃)
C：比熱 (Specific Heat，J/kg*℃)
ρ：密度 (Solid Density，kg/m3)
T：溫度 (Temperature，℃)
σr：軸向應力 (Radial Stress，MPa)
σθ：切向應力 (Tangential Stress，MPa)
σc：抗壓強度 (Uniaxial Compressive Strength，MPa)
σt：抗張強度 (Tensile Strength，MPa)
σy：抗剪強度 (Shear Strength，MPa)
Rf：抗彎強度 (Flexural Strength，MPa)
KI：應力強度因子 (Stress Intensity Factor，MPa*m1/2)
KIC：斷裂韌度 (Fracture Toughness，MPa*m1/2)
a0：起始裂縫長度 (Initial Crack Length，m)
af：破壞時之裂縫長度 (Final Crack Length，m)
ΔK：應力強度因子差距 (Stress Intensity Factor Range，MPa*m1/2)
Nf：疲勞壽命 (Fatigue Lifetime，次)

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