体积压裂过程套管力学行为研究

页岩气体积压裂时,关于固井质量对套管应力的影响分析主要基于传统建模方法,计算时无法考虑水泥浆失重及地层性质变化对套管的影响。鉴于此,基于分步有限元方法,考虑井筒组合体的初始应力应变,建立了温度和压力耦合条件下水泥环含多重工程缺陷的井筒组合体开挖扰动力学模型,对压裂过程中极端工况下的套管力学行为进行了分析。研究结果表明:当水泥环存在结构缺陷时,套管偏心和水泥环缺失单独存在时对套管应力的影响较大,而井筒内温度变化则削弱了水泥环结构缺陷对套管应力的影响;压裂过程中储层性质的降低以及水泥环缺失的综合作用极易导致套管发生变形破坏;极端工况下,水泥环弹性模量对套管应力的改善作用较小,而套管壁厚的增加能明显改善该情况下套管的应力状态。研究结果可为页岩气开发提供理论指导。     

页岩气体积压裂固井界面微环隙产生机理研究

页岩气体积压裂施工过程中地层性质以及固井质量的变化,可能会导致固井界面微环隙的产生,从而威胁油气井的正常生产。为了准确了解页岩气井施工过程中固井界面微环隙的产生规律,基于分步有限元方法,采用场变量以及生死单元技术构建了考虑固井界面存在微环隙的井筒组合体变形数值模型,分析了水泥浆失重、压裂过程中地应力、地层弹性模量变化以及水泥环性质对固井界面微环隙的影响。研究结果表明:压裂过程中地应力的亏空以及水泥浆的失重提高了微环隙产生的概率。微环隙尺寸随着压裂过程中地层弹性模量的降低有所减小;根据施工环境,适当降低水泥环弹性模量有助于降低固井界面微环隙产生的概率。建立的有限元模型以及研究结果能够为压裂施工作业中油气井环空带压的产生提供理论依据。     

瞬态力－热耦合作用下水泥环完整性分析

页岩气井工程实践表明,套管压裂易导致水泥环完整性发生破坏出现环空带压。基于套管压裂工程实际,建立井筒温度场模型和套管－水泥环－地层组合体有限元模型,采用解析法和数值法结合方式,计算页岩气井压裂过程中瞬态力－热耦合对水泥环应力大小、分布影响规律。结果表明:压裂过程中水泥环内外壁温差先增大后减小,压裂初近内壁处存在陡峭温度梯度,易导致内壁应力显著提高;瞬态力－热耦合作用导致水泥环内壁应力大幅提升,加剧了水泥环完整性失效的风险,压裂初期为水泥环易发生损坏的“风险段”;水泥环内壁最大应力随着时间变化,易产生“多裂纹”形态,加剧环空带压。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥环完整性设计控制提供参考。     

体积压裂过程中岩性界面对套管应力影响研究

页岩气井压裂过程中套管变形问题显著,岩性界面是导致套管变形的重要影响因素。基于页岩气井压裂工程实际,建立了套管-水泥环-地层有限元模型,采用解析法和数值法结合的方式,计算了页岩储层各向异性、瞬态温度-压力耦合作用以及岩性界面对套管应力的影响。研究结果表明:相比各向同性储层,页岩储层各向异性提高了套管应力,弹性模量各向异性相比泊松比各向异性更为敏感;瞬态温度-压力耦合作用下套管应力先增大后减小,压裂液排量越大,套管应力越高;岩性界面大幅提高了套管应力,是导致套管产生变形的重要原因。研究结果可为页岩气井压裂过程中套管完整性设计和控制提供参考。     

循环载荷对水泥环密封性影响试验与数值研究

为准确量化循环载荷对井筒水泥环密封性的影响,基于页岩气井多级压裂过程中套管内压多次升高和降低的实际情况,开展了高温三轴循环载荷作用下水泥石岩心应力-应变试验,建立了套管-水泥环-地层组合体数值模型,基于Mohr-Coulomb准则和损伤理论,计算了多级压裂过程中循环载荷作用下水泥环内边界处等效塑性应变量。分析结果表明:循环载荷作用下水泥石累积塑性应变显著,初始塑性应变量最大,后续呈线性增加;多级压裂过程中,水泥环、套管胶结面处易出现累积塑性应变,初始塑性应变量最大,后续呈线性增加,与试验结果具有较好的对应性;降低水泥石弹性模量,增大泊松比、黏聚力和内摩擦角有利于降低累积塑性应变量,保护水泥环密封的完整性。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥环密封完整性设计和控制提供参考。     

页岩地层体积压裂过程中水泥环完整性研究

为了准确了解多级压裂过程中水泥环的应力变化规律,基于分步有限元的思想,构建了考虑页岩各向异性的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型,模拟多级压裂过程中水泥环的应力变化特征。新的模型考虑了注液温度、套管内压、地应力、孔隙压力、水泥环以及地层性质等因素对水泥环受力状态的影响。研究结果表明:高压注液过程中,采用传统模型会低估井下水泥环周向应力的变化程度;大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致水泥环应力发生剧烈变化;储层改造后的地应力以及孔隙压力变化对水泥环周向应力均有较大影响;水泥环周向应力随着地层各向异性程度的增加而有所增加;调节施工内压并适当降低水泥环刚度可明显降低水泥环发生拉伸破坏的概率。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。     

页岩气井压裂交变载荷水泥环密封能力研究

页岩气井压裂后的环空带压问题严重影响页岩气安全高效开发,且低弹性模量水泥浆体系及环空加压固井工艺有效降低页岩气井环空带压力的力学机理尚未明确。为此,针对页岩气井水平段和垂直段井筒结构差异,考虑水泥石残余应变,建立了环空加压固井提高水泥环界面径向应力与密封能力的计算方法,分析了环空加压压力和残余应变对界面径向应力的影响规律。研究结果表明：页岩气井压裂过程中套管内压周期变化将导致水泥环内外界面产生较大的径向循环载荷,进而引起水泥环残余应变和界面微环隙,最终造成水泥环密封完整性失效;针对不同水泥环残余应变值需控制环空加压压力下限以满足界面密封能力要求,环空加压固井增强垂直段水泥环密封能力的效果显著大于水平段的效果。现场应用效果显示,提供的模型计算结果与现场实际相符,可为该技术工程推广及应用提供理论支持。     

体积压裂井筒水泥环拉伸失效机理研究

体积压裂施工引起页岩气水平井套管-水泥环受到温度场、套管内压、非均匀地应力的综合作用,对水泥环的密封完整性具有重要影响。文章考虑了地层非稳态传热效应,建立了体积压裂井筒温度场数值计算模型,计算了压裂过程中的井筒温度分布;考虑温度场和非均匀地应力的耦合作用,建立了井筒套管-水泥环-地层系统多层组合体的力学模型,对某页岩气水平井的直井段水泥环密封完整性进行了力学计算与分析,结果表明,最大水平地应力方向的内层水泥环内壁最易出现拉伸破坏,是影响井筒完整性的关键位置;压裂液排量越大或注入温度越低,水泥环环向应力越低;水平地应力的非均匀程度越高,水泥环内壁环向应力越大,越容易出现拉伸破坏;合理控制注入温度和压裂排量,是降低环向应力、防止水泥环拉伸破坏的有效方法。文章研究对固井施工与压裂作业控制具有实际参考意义。     

页岩气井井筒完整性若干研究进展

在页岩气开发工程中遭遇了井筒完整性问题，主要包括页岩气井水泥环密封失效引起的环空带压问题和页岩气井压裂过程中的套管变形问题。基于目前已有的相关研究成果，总结分析了页岩气井井筒完整性失效问题的相关研究进展情况。随着国内外学者对页岩气井压裂过程中套管变形研究的逐渐深入，认为页岩气井套管变形的主要影响因素包括压裂过程中的温度应力、储层非对称压裂、固井质量差及断层或裂缝滑动等。其中，压裂过程中断层或裂缝滑动造成的页岩气井套管剪切变形机理已经受到越来越多的研究人员关注，并提出可以通过提高套管强度和固井质量、避开断层或裂缝滑动区域来有效降低套管变形的技术对策。页岩气井水泥环密封失效主要由套管内压变化和套管偏心引起的水泥环屈服破坏、界面裂缝引起的窜流等问题造成的，通过采用膨胀水泥、柔性水泥及环空预应力等技术措施可有效减小水泥环密封失效的风险。通过优化设计页岩气井的特殊水泥浆体系，对于有效提高页岩气井水泥环密封完整性具有重要意义。考虑到水泥浆固井密封能力的局限性，还可以附加考虑在井眼环空局部采用机械密封方法达到密封完整性要求。关于页岩气井井筒完整性的研究结果，对于通过体积压裂完井的其它非常规油气井工程相关设计控制也具有重要的参考意义。     

温-压作用下水泥环缺陷对套管应力的影响

在页岩气水平井多级分段压裂施工中,由于压裂段固井质量较差,当井筒温度和压力急剧变化时,套管失效风险会大大增加。在现场完井和压裂施工数据基础之上,综合考虑压裂压力和井底温度变化,建立了不同水泥环形态的套管-水泥-地层组合体模型,研究压裂过程中水泥环缺失、压裂压力和温度变化对套管应力的影响。计算结果表明:压裂施工中,当以大排量向井筒内泵入压裂液时,井底温度显著降低;如果施工压力较大、水泥环出现窜槽缺失,则套管会产生应力集中,这将急剧增加套管应力,大大增加套管失效风险。固井质量对井筒完整性至关重要,同时必须将压裂液温度、排量和施工压力控制在合理范围,从而保证压裂过程中套管的安全。