500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000
0 10 20 30 40 50 60 70
井壁壓力加載 (MPa)
發生疲勞破壞時之週期加載次 數 (次)定值井壓加載 線性井壓加載 正弦井壓加載
圖6-44 井壁壓力加載與疲勞壽命 Nf的關係圖(同時包含三種週期性加載的狀態)
6-6 水泥配方與套管水泥封固能力之關係
本節將探討水泥的配方對套管水泥封固能力之影響，將以中油在鐵鉆山氣田之 TCS-A1 井為案例進行分析。TCS-A1 井的井內剖面圖如圖 6-45 所示；該氣井的套管水 泥尺寸及各材料參數如表6-3 所示。該氣井的井口注壓約在 15.17 MPa，達井底注壓約 在17.24 MPa，井口溫度約 40℃，達井底溫度約 60℃。以表 6-3 的套管、水泥及地層之 材料參數輸入數值分析中，求得套管水泥所受之應力；並改變水泥的楊氏模數值，探討 水泥楊氏模數值與各種加載(包括井壁壓力增加、降低及溫度增加三種加載)狀態下的水 泥抗張強度需求值之關係。之後將第四章實驗所得之三種水泥的力學參數代入分析結果 中，探討三種水泥在各種加載下的適用性。其中Cement 2 及 Cement 3 即為 TCS-A1 井 所使用的水泥配比所製成的。三種水泥的基本力學參數，包括：抗張、抗壓強度及楊氏 模數，詳見第五節表 5-8。下將分別介紹井壁壓力增加、井壁壓力降低及井壁溫度增加 三種加載下的分析結果，及三種水泥在各不同加載下的適用性，並探討各種不同加載 下，最適用的水泥力學性質。
圖6-45 TCS-A1 油氣井井內剖面圖
表6-3 TCS-A1 井之套管水泥尺寸與材料參數 (中國石油股份有限公司執行報告，2004)
參數 套管 水泥 岩石
楊氏模數(MPa) 2×105 (註) 5×103
柏松比 0.3 0.35 0.25
外半徑 (m) 0.122 0.156 1.560
內半徑(m) 0.111 0.122 0.156
熱傳導係數(W/m．K) 60.0 0.029 1.0
熱膨脹係數(1/K) 1.35×10-6 1.35×10-5 1.3×10-5
比熱(J/kg．K) 500 670 1000
密度(kg/m3) 7700 1920 2100
註：水泥的楊氏模數值是以實驗求得三種不同水泥的楊氏模數代入數值分析，得到水泥 段所受之應力及抗張強度需求值。
井壁壓力增加
0 3450 6900 10350 13800
水泥楊氏模數值 (MPa)
0
0 3450 6900 10350 13800
水泥楊氏模數值 (MPa) MPa)，這時上述三種不同配比的水泥，Cement 2、3 之抗張強度均不足以抵抗所受之切 向張應力作用，預期Cement 2、3 在此溫度加載下，會喪失其封固能力。Cement 1 僅稍
0
0 3450 6900 10350 13800
水泥楊氏模數值 (MPa)
0 3450 6900 10350 13800
水泥楊氏模數值 (MPa)
築用水泥，而Cement 2 及 3 為油氣井專用之水泥。)
5. 探討油氣井套管水泥的應力分析問題，本研究提出一數值分析模型，除了可分析前 述之井壁壓力、溫度等加載，對其他複雜的加載如：高溫/高壓同時作用、鑽採複雜 地層所引發的加載、週期性井壁溫度加載造成的疲勞破壞…等，應可由此分析模型 加以改良，而求解前述之複雜的加載問題。
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