水平井压裂过程中固井界面裂缝的扩展规律北大核心

页岩气水平井压裂过程中,高压流体的注入可能会引起压裂液沿水泥环一、二界面的窜流,对页岩气井井筒完整性提出了严峻挑战。基于CZM模型建立了定注入压力下水泥环一、二界面裂缝扩展模型,分析了水泥环、地层力学参数对固井界面裂缝扩展的影响规律。研究结果表明:提高固井二界面的胶结强度能同时抑制一、二界面的裂缝扩展;水泥环弹性模量由4 GPa增加至9 GPa,一、二界面扩展长度分别降低10 m、19 m,当弹性模量超过6 GPa时,其对二界面的影响减弱,泊松比由0.2增加至0.3,一、二界面裂缝长度分别降低10 m、1 m,表明泊松比主要会对一界面的裂缝扩展有所影响;地层弹性量从25 GPa增加到35 GPa,一、二界面裂缝长度分别增加3 m、9 m,表明弹性模量较低的地层有助于控制界面裂缝扩展。研究结果对水平井压裂过程中水泥环密封完整性的评价以及水泥浆体系的优选具有一定的指导意义。     

裸眼临时弃置井水泥塞-地层界面剥离数值模拟

地层流体沿水泥塞-地层界面运移并泄漏至地面会影响裸眼临时弃置井井筒密封完整性。为此,建立基于Cohesive单元方法的水泥塞-地层系统三维有限元模型,模拟水泥塞-地层界面裂缝的萌生及扩展过程,并与现有微环隙计算模型进行对比以验证模型的可靠性。定量分析了水泥塞-地层界面剥离过程中裂缝发展形态、裂缝扩展压力和裂缝剥离高度的变化,并对水泥塞力学参数、界面胶结强度及水平地应力差进行了敏感性研究。研究结果表明:较大的界面胶结强度和较高的水泥塞弹性模量有益于增大水泥塞-地层界面裂缝扩展压力,降低裂缝剥离高度,减小界面剥离失效的风险;在非均匀水平地应力条件下,地应力差越大,界面越容易剥离;水泥塞泊松比对裂缝扩展压力及剥离高度影响较小。研究结果为预测水泥塞-地层界面剥离导致的裸眼临时弃置井井筒密封完整性失效提供了有效方法。     

水泥环力学参数与载荷间的适应性

为选择水泥环力学参数,保障水泥环封固效能,利用套管- 水泥环- 地层组合体结合有限元力学模型,研究了蠕变地层不同井深条件下水泥环屈服强度、弹性模量、载荷对界面应力及破坏形式的影响,分析了强度、弹性模量与载荷的力学适应性关系。结果表明:套管内加载时井口处水泥环易于发生周向拉伸破坏,井下水泥环则易于发生屈服和出现高的压应力。加载中水泥环发生弹性变形时,水泥环屈服强度对界面各应力不产生影响;弹性模量增加,界面各应力增加。水泥环发生屈服变形时,水泥环屈服强度增加,界面各应力均增大;弹性模量增加,界面接触压力增大,内界面周向应力降低;卸载时井口处水泥环易于发生胶结界面撕裂。水泥环具有低弹性模量、适当屈服强度、高抗拉强度、高胶结界面强度时承载能力高。     

基于Cohesive单元法的弃置井水泥塞-套管界面胶结失效数值模拟

水泥塞-套管界面胶结失效对弃置井井筒完整性提出了严峻挑战。考虑地下流体与水泥塞的流固耦合作用,基于cohesive单元方法,建立水泥塞-套管-水泥环-地层系统三维有限元模型,模拟垂直井水泥塞-套管界面裂缝剥离过程,研究地应力对界面裂缝损伤演化的影响,并分析水平地应力、水泥塞力学参数及界面性质对裂缝剥离高度的影响。结果显示:水平地应力均匀时剥离裂缝沿着整个界面圆周延伸且高度相等,水平地应力非均匀时剥离裂缝倾向于沿着界面某一圆周角扩展且在最大水平地应力方向具有较大的高度;水泥塞弹性模量从30 GPa减小到1 GPa,裂缝剥离高度降低9.3 m,临界法向强度从0.25 MPa增大到2.0 MPa,裂缝剥离高度降低6.5 m,表明较低的弹性模量及较大的临界法向强度有利于减小水泥塞-套管界面胶结失效的风险;水泥塞泊松比从0.35减小到0.10,裂缝剥离高度仅降低2.0 m,临界剪切强度从0.5 MPa增加到4.0 MPa,裂缝剥离高度仅降低3.3 m,表明泊松比和临界剪切强度对界面胶结失效影响较小。建立的模型能够为水泥浆配方优选和井筒弃置工艺优化提供指导。      

基于Cohesive单元法的弃置井水泥塞-套管界面胶结失效数值模拟

水泥塞-套管界面胶结失效对弃置井井筒完整性提出了严峻挑战。考虑地下流体与水泥塞的流固耦合作用,基于cohesive单元方法,建立水泥塞-套管-水泥环-地层系统三维有限元模型,模拟垂直井水泥塞-套管界面裂缝剥离过程,研究地应力对界面裂缝损伤演化的影响,并分析水平地应力、水泥塞力学参数及界面性质对裂缝剥离高度的影响。结果显示：水平地应力均匀时剥离裂缝沿着整个界面圆周延伸且高度相等,水平地应力非均匀时剥离裂缝倾向于沿着界面某一圆周角扩展且在最大水平地应力方向具有较大的高度;水泥塞弹性模量从30 GPa减小到1 GPa,裂缝剥离高度降低9.3 m,临界法向强度从0.25 MPa增大到2.0 MPa,裂缝剥离高度降低6.5 m,表明较低的弹性模量及较大的临界法向强度有利于减小水泥塞-套管界面胶结失效的风险;水泥塞泊松比从0.35减小到0.10,裂缝剥离高度仅降低2.0 m,临界剪切强度从0.5 MPa增加到4.0 MPa,裂缝剥离高度仅降低3.3 m,表明泊松比和临界剪切强度对界面胶结失效影响较小。建立的模型能够为水泥浆配方优选和井筒弃置工艺优化提供指导。     

基于参数不确定性的井筒失效风险评价研究

目前井筒完整性的相关研究大都未考虑温度的影响,也没有成形的、针对套管和水泥环统一的失效风险评价方法。为此,以深水高温高压完井测试井筒为研究对象,基于参数不确定性影响进行研究,建立一套综合考虑套管和水泥环的井筒完整性失效风险评价方法。研究结果表明：所得评价方法对风险具有较高敏感性,提高套管强度会降低套管失效风险,而环空圈闭压力只重点影响封固井段风险;水泥环的抗压和抗拉失效分别造成固井界面微环隙和本体径向裂缝,弹性模量与泊松比分别主要影响水泥环的抗压与抗拉失效风险,可以通过增大水泥环材料韧性来提高水泥环密封。研究结论可为井筒完整性的保护和深水高温高压完井测试作业的顺利进行提供理论指导。     

水泥石力学性能对井筒密封完整性的影响

长庆油田延长组致密油层物性差,孔隙度和渗透率低,开采难度较大,需采用大型压裂技术才能获得产能。在水力压裂的过程中,存在井筒完整性失效的风险。针对这一问题,探讨了井筒完整性的失效模式,建立了考虑套管、水泥环和地层相互作用的弹塑性有限元力学模型,分析了水泥石弹性模量、屈服强度对组合体密封完整性的影响。结果表明,水泥石的弹性模量较小时,变形能力强,载荷作用下不易于产生硬性压碎破坏,卸载后界面也不易撕开;水泥石屈服强度越高,卸载后界面抗撕裂能力越好,同时水泥环承受的荷载也越高。指出,除水泥环本身的性能外,地层的力学性质、套管尺寸等参数对井筒完整性也有重要影响,尚需进一步深入研究。对于长庆油田延长组致密油水平井,水泥石抗压强度为26 MPa、弹性模量为7.2 GPa、屈服强度为13 MPa的组合可满足施工及生产要求。采用长庆油田合平4井的现场工程数据,通过建立的有限元模型对该井进行井口试压及水力压裂过程中的密封完整性校核,结果表明,采用韧性改造的水泥浆性能满足施工及生产要求。     

页岩气井体积压裂条件下的水泥环界面裂缝扩展

射孔会对井筒完整性造成局部损伤,尤其是导致水泥环本体破坏以及第一界面(套管-水泥环界面)、第二界面(水泥环-围岩界面)的胶结脱离、微环隙等,在后期页岩气水平井体积压裂过程中,由于高压流体的注入,界面微环隙将会加剧甚至发生裂缝扩展,影响封固性能。针对这一问题,建立了界面裂缝扩展数学模型,通过流体连续性方程、泊肃叶定律和净压力与缝宽弹性关系以及边界条件联立得到非线性偏微分方程组,利用对控制方程无因次化的方法求得自相似解。使用该模型对现场算例进行了计算,并分析了各参数对界面裂缝长度的影响。研究结果表明:适当提高水泥环弹性模量,适当降低井口压力和压裂时间有利于减小界面裂缝扩展长度,有利于保障水泥环长期有效封固。研究结果能够对页岩气井体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测,同时在满足油气开采要求的前提下,对相邻射孔段间距的优选,也具有一定的指导意义。     

深层页岩气井高强度弹韧性水泥石力学性能研究

深层页岩气破裂压力高,压裂荷载大,分析认为在压裂荷载下水泥环可能发生界面胶结破坏和拉伸破坏。为了满足深层页岩气井在高压裂施工荷载下水泥环的密封完整性,需形成高强度弹韧性水泥石。在水泥浆中掺入弹性粒子、纳米硅灰和晶须,测试了水泥石的力学性能和微观结构。弹性粒子改善了水泥石的脆性,降低了水泥石的弹性模量;纳米硅灰填充水泥石中的孔隙,显著增加水泥石的抗压强度;长径比较大的晶须阻碍微裂缝的发展,起到桥链作用,提高水泥石的抗拉强度。三者复掺形成了弹性模量低且强度高的水泥石,有利于水泥环长期密封完整性。     

页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响

以弹塑性力学为基础,借助复变函数与应力场分解,对页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为进行分析研究,通过接触面上位移连续条件得到了系统各接触表面的受力表达式;以Drucker-Prager岩土屈服条件为破坏准则,得到了水泥环达到屈服时的最大套管内压力,并讨论了套管及水泥环参数变化对系统受力行为的影响规律。计算结果表明:水泥环内表面比套管更容易达到屈服极限,水泥环厚度对水泥环内壁受力影响较小;增加套管壁厚,有利于保护井筒的完整性;套管内径和水泥环弹性模量对水泥环内壁受力影响较大,套管内径和水泥弹性模量越小,则水泥环越安全。研究结果对于页岩气压裂过程中井筒完整性设计控制具有一定的参考价值。     

变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响

以膨胀水泥作为研究对象,利用弹性力学理论,采用有限元方法研究了变内压条件下膨胀水泥性能对井筒完整性的影响。研究表明,合适的水泥膨胀率可以降低套管内的最大米塞斯（Mises）应力;水泥膨胀率越大,水泥环内最大Mises应力越大,最大周向应力越小;有套管内压时,膨胀水泥弹性模量越大,套管内最大Mises应力越小,水泥环内最大Mises应力越大;套管内压较小时,水泥弹性模量越大,水泥环内最大周向应力越小,套管内压较大时则与之相反;膨胀水泥泊松比对套管内最大Mises应力的影响较小,水泥泊松比越大,水泥环内最大Mises应力和最大周向应力越小。对于弹性地层和蠕变地层情况,膨胀水泥性能对井筒完整性的影响规律相似。变内压条件下,膨胀水泥性能对水泥环的挤压破坏和周向拉伸破坏影响较为显著,使用膨胀水泥时应根据实际情况优选膨胀水泥石的各项性能。      

水泥环弹性参数对套管—水泥环—地层固结体结构完整性的影响

油气井套管试压、压裂等施工作业过程中,套管—水泥环—地层固结体将产生应力与变形响应。过高的载荷作用下,可能会造成水泥环本体破坏、胶结界面撕开等结构破坏形式,危及水泥环的封固效果。应用力学原理及有限元理论,建立了套管—水泥环—地层固结体力学模型,分析了水泥环弹性常数对固结体结构完整性的影响。研究结果表明,水泥环弹性模量较小时,变形能力强,载荷作用下不易于产生结构破坏,卸载后抗撕裂能力较好;高地应力地层条件下,泊松比越小水泥环抗破坏能力越强;低地应力地层,泊松比越大胶结界面抗撕开能力越好。工程中应根据封固井深等具体情况综合考虑加载、卸载两种载荷作用方式对水泥环弹性参数进行优选。     

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。     

井下复杂条件下固井水泥环的失效方式及其预防措施

固井水泥环是封固系统的薄弱环节,而了解井下复杂条件下水泥环的失效方式对于预防其失效具有重要的指导意义。为此,在考虑封固系统初始作用力的基础上,利用数值模拟和室内实验等方法研究了蠕变地应力、井下压力和温度变化等因素对封固系统应力状态及界面胶结强度的影响,进而分析了对应的水泥环失效方式,并提出了相应的预防措施：①蠕变地应力作用下水泥环的失效方式为屈服破坏,建议使用高杨氏模量和高抗压强度的水泥环来预防失效;②套管内压力升高时水泥环的失效方式为切向拉伸破坏,套管内压力降低时水泥环的失效方式为界面挤压应力降低或界面剥离,建议使用低杨氏模量的水泥环或使用膨胀水泥来预防失效;③井下温度升高时水泥环的失效方式为屈服破坏,建议使用低杨氏模量的水泥环来预防失效;④井下温度降低时水泥环的失效方式为界面挤压应力降低或界面剥离,建议使用低杨氏模量的水泥环或使用膨胀水泥来预防失效。     

连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算

固井后井筒内压力的变化可能导致水泥环破坏或使水泥环产生塑性变形,从而在第一界面或第二界面处产生微环隙。基于Mohr-Coulomb准则,建立了套管-水泥环-围岩组合体弹塑性分析模型,对套管内压力加载和卸载过程进行分析,以界面拉力大小判定是否产生微环隙,并给出了微环隙大小的计算公式。使用该模型对前人的气窜实验进行模拟,理论结果与实验结果相符。分析结果表明,微环隙的产生由加载和卸载过程共同决定。加载过程可能会使水泥环进入塑性,而卸载时内压降低将导致界面受拉,从而产生微环隙。第一界面、第二界面均可能产生微环隙,取决于界面胶结强度与界面拉力的关系。卸载时,第一界面拉力大于第二界面拉力,当两个界面胶结强度接近时,第一界面更容易产生微环隙。该模型可用于评价水力压裂等过程中水泥环密封失效的风险,为现场施工提供依据,从而降低井筒密封完整性失效的风险。     

储/隔层岩石及层间界面性质对压裂缝高的影响

为评价储层和隔层岩石及层间界面性质对压裂缝高的影响,基于ABAQUS有限元计算平台,采用Cohesive单元研究了岩石弹性模量、地应力和抗拉强度等因素对压裂缝高的影响,并对各因素的影响程度进行了比较.通过数值模拟得出,弹性模量大的隔层在裂缝穿过界面时对其并无明显限制作用,反而会有利于隔层中缝高的增大;最小水平主应力大和抗拉强度高的隔层对缝高的扩展有显著限制作用;当储隔层界面的抗剪强度高出某一临界值时,压裂缝高急剧增大,小于该临界值时界面会发生滑移,裂缝被完全限制在储层内;在特定地层条件下,裂缝在储层中为垂直缝,扩展至界面处后开始沿界面扩展,形成T形缝.研究表明:弹性模量大的隔层对于控制压裂缝高不利;最小水平应力大和抗拉强度高的隔层有利于控制缝高,并且地应力的影响程度约为抗拉强度的1.6倍;界面抗剪强度越小,储/隔层界面就越容易发生滑移,越有利于控制压裂缝高.      

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。     

套管水泥环刚度与强度对抗挤性能影响分析

油气井固井水泥环的作用就是减小和改善套管的受力状况，延长套管的使用寿命。套管水泥环组合体在一定的外挤压力作用下，均有可能进入屈服状态或发生强度破坏，而水泥环弹性模量、泊松比及其几何参数均表现为组合体刚度对抗挤性能的影响，所以在套管抗挤性能分析中，应该同时考虑组合体刚度以及套管、水泥环的强度对组合体抗挤性能的影响。文章根据厚壁筒弹塑性力学理论，建立了组合体刚度以及套管、水泥环强度对抗挤性能影响的控制方程，揭示了套管、水泥环强度及组合体刚度对抗挤性能的影响规律，得到套管水泥环组合体抗挤性能控制图。在均匀外挤压力作用下，套管、水泥环的强度将确定组合体抗挤性能的刚度控制区，在组合体刚度控制区内，水泥环对套管抗挤强度的提高程度取决于组合体刚度控制线斜率，在套管钢级和壁厚一定条件下，提高水泥环材料弹性模量，增大组合体刚度控制线斜率，可以提高套管水泥环组合体的抗挤性能。     

碳封存区块内弃置井泄露机制及控制方法模拟

弃置井筒作为CO₂地质封存中的主要泄露途径,其密封完整性直接关乎封存效果。为此,针对弃置井筒泄露问题,基于耦合孔隙压力的Cohesive单元法,建立了三维水泥塞-地层有限元模型,模拟了CO₂沿弃置井筒运移过程,分析了水泥浆体系、胶结质量对泄露风险的影响。模拟结果表明：CO₂聚积会诱发水泥塞-地层界面微环隙,形成泄露通道,且微环隙倾向于轴向发育;选择高模量、高泊松比、微膨胀性水泥密封井筒时,井筒泄露风险低;微环隙对胶结质量极为敏感,密封井筒时应重点控制胶结质量。研究结果对指导碳封存区块内井筒弃置具有重要意义。     

陆相页岩储层水力裂缝穿层扩展规律

陆相页岩储层垂向非均质性强,层间岩性与应力差异大,层间弱界面发育,水力裂缝穿层扩展困难,导致压裂改造效果不佳。基于有限元+黏聚力单元法建立了陆相页岩水力裂缝穿层扩展流固耦合模型,与解析解和室内实验结果对比验证了模型的准确性。基于此模型,采用单因素和正交实验分析法开展算例研究,揭示了各项地质与工程参数对陆相页岩储层水力裂缝穿层扩展行为的控制机理与影响规律。研究结果表明,层间界面剪切滑移改变水力裂缝垂向扩展路径,限制缝高增长;水力裂缝宽度较大,削弱缝高扩展能力。高层间界面胶结强度、高垂向应力差、低层间应力差、低抗拉强度差、低弹性模量差、高压裂液黏度、高注入排量,有利于水力裂缝实现穿层扩展,各因素影响程度的主次顺序为层间界面胶结强度>层间应力差/抗拉强度差>压裂液黏度/注入排量>垂向应力差>弹性模量差。研究成果进一步完善了陆相页岩储层水力压裂穿层扩展基础理论,为陆相页岩储层水力压裂选井、选层和施工方案优化设计提供了理论依据。