流体压力诱导的井筒水泥裂缝剪切滑移与渗透性演化机制研究

本研究通过三轴孔隙压力剪切试验，首次揭示了流体压力变化对井筒水泥裂缝剪切滑移（shear slip）及渗透率（permeability）的调控机制，建立μ=0.66的滑移判据，为地下储库（underground storage）井筒完整性评估提供关键参数。

　　

Highlight

样本制备

采用API G级波特兰水泥（API Class G Portland cement）与硅灰（silica fume）制备圆柱试样（?92.1mm×121mm），参照ASTM C305-14标准混合浆料。固化后通过巴西劈裂法预制裂缝，表面粗糙度经3D扫描量化（Ra=18.2μm）。

孔隙压力诱导剪切试验

图6(a)-9(a)显示三轴条件下裂缝的临界孔隙压力（p_c）触发剪切滑移的过程。当孔隙压力Δp降低有效正应力时，水力开度（hydraulic aperture）呈阶段性变化，最大增幅达67%（σ_n=3.5MPa工况）。

对井筒水泥裂缝的启示

基于盐穴储库（salt cavern）井筒的应力模型分析，推导出裂缝方位角θ=30°时临界压力最低。剪切滑移可使渗透率骤增2个数量级，但磨损产物（wear products）堆积会导致后续渗透率回降。

结论

研究发现：

1. 1.

   剪切滑移判据符合τ=0.66σ_n有效应力关系；

2. 2.

   渗透率变化呈"先升后降"双相特征，与剪切位移量呈非线性相关；

3. 3.

   直接剪切试验（direct shear test）因摩擦产物滞留导致μ值偏高（0.72-0.81）。

创新点

首次量化流体驱动（fluid-driven）与机械剪切对水泥裂缝渗透率的差异化影响，建立的p_c-σ_n模型可预测储库井筒泄漏风险。