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。     

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。     

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。      

利用预应力固井方法预防水泥环微环隙研究

深层页岩气水平井环空带压问题较为普遍,套管-水泥环界面处微环隙是导致环空带压的主要原因。针对该问题,运用力学实验手段和数值模拟方法,分析了预应力固井条件下微环隙的产生与发展,明确了不同预应力条件下水泥环耐受压裂段数。结果表明:套管内压越小,水泥环保证密封完整性时可承受的循环载荷次数越多;循环载荷作用下微环隙宽度为30.89μm是发生气窜的临界值。预应力固井显著降低了初次塑性变形量,增大了塑性变形增量;考虑预应力作用下套管产生的径向预应变,预应力固井技术显著降低了微环隙的宽度,增加了多级压裂过程中水泥环密封完整性的耐受压裂段数。预应力值越高,微环隙出现前的耐受压裂段数越多;压裂段数相同的情况下,预应力越大水泥环微环隙越小。现场应用结果表明,采用预应力固井技术及低弹性模量水泥浆,可以有效缓解深层页岩气水平井套管环空带压现象。研究结果可为页岩气水平井固井提供技术支持。     

页岩气井多簇压裂套管应力影响因素分析

页岩气井储层改造多采用多簇压裂技术实现增产目的，同时也引发了套管失效问题。为研究多簇压裂对套管应力的影响，基于理论公式和有限元分析方法，建立套管应力力学计算模型和多簇裂缝-地层-水泥环-套管三维有限元模型，借助力学模型验证有限元模型的可行性，模拟裂缝簇数、岩石弹性模量、水泥环弹性模量、套管内壁压力和地应力变化对套管应力的影响，并针对威荣区块某井压裂段进行实例分析。研究结果表明：套管应力随着裂缝倾角θ的增大而减小，θ=15°为套管应力风险值；套管应力随着压裂簇数的增加整体呈现先小幅增大后减小的趋势；套管应力随着岩石弹性模量的增大而减小，当岩石弹性模量低于45 GPa时，套管应力随着水泥环的硬度增强而增大；套管应力随着水泥环弹性模量的增大而增大，变内压不会改变套管应力变化趋势；套管应力随套管内壁压力的增大而增大，地应力差值的变化不改变套管应力变化趋势；随着地应力差值的增大，套管应力呈现增大的趋势。研究成果对多簇压裂套管的损坏防治具有一定的指导意义。     

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。     

套管试压对水泥环完整性的影响

目前中国油田套管损坏井日渐增多,研究人员对水泥环长期力学性能的研究主要集中在延缓和减少外挤载荷对套管的作用,改善套管的受力状况,而忽略了这些载荷对水泥环完整性(有效密封性)的影响.从维护水泥环本身的完整性出发,根据套管-水泥环系统受力情况建立平面力学分析模型,以弹性力学厚壁筒理论为基础,建立了水泥环破坏的判定依据,分析了套管内压和水泥环的弹性模量对水泥环完整性的影响.结果表明,提高水泥石的抗拉强度和降低水泥石的弹性模量,均可在保持水泥环完整性的情况下,大幅提高水泥环在套管试压过程中的承压能力.     

基于裂缝诱导应力场的套管应力影响因素分析

水平井分段压裂形成人工裂缝，产生的裂缝诱导应力场影响套管应力分布。为研究在裂缝诱导应力场作用下套管应力影响因素，基于理论公式和有限元分析方法，建立套管应力力学模型和裂缝-地层-水泥环-套管三维有限元模型，借助力学模型验证有限元模型的可行性，模拟岩石弹性模量、套管内壁压力、水泥环弹性模量、地应力变化和施工排量对套管应力的影响，并针对徐深气田实际压裂段进行实例分析。研究结果表明：当岩石弹性模量低于15 GPa时，套管发生塑性形变，套管内壁无压力加剧了套管塑性变形程度；当套管内壁压力为100 MPa时，水泥环软硬程度对套管应力基本无影响；套管应力随着水泥环弹性模量的增大呈现增大的趋势，水泥环泊松比和软硬地层不改变套管应力变化趋势；随着地应力差值的增大，套管应力呈现减小的趋势；施工排量为16 m³/min时，套管存在塑性变形，达到极限施工排量18 m³/min时，套管完全失效。研究成果对压裂段套管的损坏防治具有一定的指导意义。     

页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响

大位移页岩气井的井眼轨迹复杂,且压裂开发过程中经常出现由于水泥环缺陷引发的套变损伤问题。针对页岩气井压裂过程中高泵压大排量的特点,采用有限元分析方法,通过优化模型网格划分,建立了适用于页岩气井复杂井眼轨迹下套管力学完整性计算的套管-水泥环-地层组合体模型,讨论了水泥环缺失角度、缺失厚度、缺失长度及复合缺陷对造斜段及水平段局部屈曲部分套管力学完整性的影响。结果表明,套管的周向应力随水泥环弹性模量的增大而减小,受泊松比影响较小。水泥环角度缺失会使套管出现应力集中现象,当缺失角度超过90°,应力集中现象得到减缓。随着水泥环缺失厚度的增加,套管所受应力增大。无论是造斜段还是水平段,不同缺失角度下,水泥环厚度、套管尺寸及泵压对套管应力的影响类似,趋势均为随着缺失角度的增加,套管应力先增大后减小。水泥环缺失的临界部位会产生应力突变,该位置也是最容易发生套损的部位。同一缺失厚度下,套管应力最大值随着缺失角度的增加而先增加后减小;同一缺失角度下,套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着缺失角度的增加,水泥环缺失部位对应套管沿管长方向的等效应力先增加后减小。水泥环越厚,套管等效应力越小。在相同厚度下,水泥环剩余厚度越薄,套管等效应力越大,全部缺失时应力水平最大。     

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。     

非均匀地应力下套管水泥环受力研究

大多数套管损害是由非均匀外载引起的。以非均匀外载为前提,以弹性力学为基础。以套管-水泥环-储层岩体环组合系统为研究对象,对套管及水泥环在理想状况下受非均匀地应力和均匀内外压共同作用时的受力特性进行分析,并依据不同的接触条件推导相应的线性方程组。借助于计算机,计算不同地应力作用下套管、水泥环内部应力及表面受力分布,并可以分析水泥环弹性模量、水泥环厚度与套管接触情况对套管水泥环受力分布的影响。     

热交变循环次数对水泥石弹性参数的影响

页岩气藏普遍采用水平井多级分段压裂方式开发,压裂过程中水泥环受到循环热应力的作用,其力学性质受到影响,导致井筒完整性变差,套管变形或损坏。针对这一特点,进行水泥石热交变循环实验,研究压裂级数对套管应力的影响规律。首先利用示波器测试水泥石在经历热交变循环后的纵横波速,计算水泥石的弹性参数,然后模拟计算套管应力,在此基础上分析在不同的冷却条件下,不同热交变循环次数后,水泥石弹性参数和套管应力的变化规律。研究结果表明:在小排量压裂条件下,水泥石的弹性模量随热交变循环次数的增加先逐渐减小后趋于稳定;在大排量压裂条件下,随热交变循环次数的增加,水泥石的弹性模量持续减小;在两种不同压裂方式下,水泥石的泊松比均随热交变循环次数的增加而增加;套管应力随着热交变循环次数的增加逐渐增大,且在大排量压裂条件下,增幅更明显。研究结果可为页岩气水平井多级分段压裂过程中套管应力分析提供依据。     

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。     

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。     

大压差条件下水泥环密封完整性分析及展望

为解决目前页岩气井、深井油气勘探开发中广泛存在的环空带压问题,结合理论研究成果及实验室模拟结果,分析得出了目前在"深层、低渗透、非常规"油气资源勘探开发过程中,大压差条件是造成水泥环密封完整性失效主要原因的认识。通过对四川盆地页岩气井、安岳气田和塔里木盆地库车山前等区块高温高压深井在钻井、压裂、生产过程中大压差工况进行梳理和定量计算,运用计算结果解释了上述两个地区气井在大压差条件下水泥环密封完整性失效的原因:加载阶段水泥环周向出现的拉应力、加载—卸载工况使水泥环产生塑性变形、在卸载过程中界面产生拉应力等,造成水泥环拉伸破坏及界面微环隙,从而破坏密封完整性。归纳总结了井筒全生命周期各环节出现密封完整性失效的风险,初步提出了大压差条件下保障水泥环密封完整性的应对措施:①提升水泥石抗变形能力;②提高第一界面及第二界面胶结力;③提高界面接触力。     

抗高交变载荷水泥浆的研制及其在涪陵页岩气井的应用

针对页岩气井普遍存在的套管环空带压问题,从提高固井水泥环长久密封完整性角度出发,研制了具有钢筋混凝土力学性能的絮状弹韧性材料DeForm,并以其为基础配制了一种适应页岩气井大型分段压裂的抗高交变载荷水泥浆。室内性能评价试验结果表明,该水泥浆具有优良的弹韧性和耐久性,可有效提高水泥环的抗交变载荷能力,实现水泥环与套管的同步形变,保证井筒的长久密封完整性。该水泥浆在涪陵页岩气田9口井进行了现场应用,固井优质率达到88.9%,套管环空带压率为0,效果非常显著,为预防页岩气井套管环空带压提供了新的技术途径。      

瞬态力-热耦合作用下水泥环形态对套管应力的影响

基于页岩气水平井压裂工程实际,采用解析法与数值法结合的方式,建立了压裂过程中井筒温度场计算模型和套管偏心、水泥环缺失有限元模型,据此研究瞬态力-热耦合作用下的水泥环形态对套管应力的影响。结果显示:1)页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合作用显著提高了套管应力;套管应力呈先升高后降低的动态变化,最大应力值出现在压裂初期。2)水泥环完整或套管偏心时,瞬态力-热耦合作用降低了套管应力周向分布不均匀差异;水泥环缺失时,套管应力随着缺失角、偏心距的增大而提高。研究结果对于精确计算页岩气井压裂过程中的套管应力具有重要意义。