页岩气井温压耦合下固井质量对套管应力的影响

四川地区部分页岩气井在采用大排量分段压裂工艺施工过程中出现套管变形的现象,严重影响了页岩气井的正常生产。为此,运用ABAQUS软件建立了温压耦合下的套管-水泥环-地层受力有限元模型,模拟压裂过程中套管应力以及组合体温度场分布特征,分析了不同注液温度下,套管偏心及水泥环缺失对套管应力的影响规律。研究结果表明:大排量压裂施工中,套管应力随着偏心距的增加而减小,温降对套管应力的影响较大;不同注液温度下,套管应力随水泥环周向缺失的变化规律基本一致,温降对套管应力的影响呈先降后增趋势;水泥环径向缺失位置以及深度的变化对套管应力的影响较小,温度变化是主控因素;套管偏心下,水泥环缺失以及温降的共同作用均会增加套管应力。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。     

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。     

高压注水引起的套管及地层应力变化规律研究

高压注水会导致油层温度、地层孔隙压力及套管内压等产生变化,认识这些因素影响下套管、水泥环与地层的应力场、位移场的变化规律,有助于深入理解套管损坏的机理,设计合理的注水压力界限;采用三维有限元方法,建立了高压注水的三维有限元数值模型;对模型进行求解,得到了套管管体强度、射孔段应力强度、水泥环和地层应力强度与注水压力变化的回归方程;分析了套管和应力的变化规律,对于避免和减少注水井生产过程中套管损坏具有重要的指导意义.     

页岩气井分段压裂套损影响因素分析

四川盆地长宁—威远页岩气示范区分段压裂过程中出现的套管变形、挤毁问题已经严重影响到页岩气井的井筒完整性以及勘探开发效果。考虑非均匀地应力、套管偏心、页岩各向异性、地层岩性非均质性等多因素的逐级耦合作用,利用有限元数值方法建立了偏心套管-水泥环-地层耦合的全尺寸数值模型,对页岩气水平井分段压裂过程中套管损坏机理进行研究分析。研究发现:套管偏心不是套管先期损坏的主控因素;随着非均匀地应力比增大,套管内壁应力极值及周向应力不均匀程度明显增大;页岩各向异性比越大,偏心角径向位置对应的套管内壁应力越大,此处承载风险也越高;套管内壁应力最大值出现在岩性交替变化界面,非均质性差异对套管内壁应力极值有较大的影响。研究结果可为页岩气井分段压裂过程中套损预测提供理论依据。     

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。     

页岩储层各向异性对套管应力影响敏感性研究

页岩储层各向异性特征明显,基于岩石横向各向同性本构关系理论,建立了套管-水泥环-地层组合体三维有限元模型,对页岩储层各向异性及其与非均匀地应力、水泥石力学特性、水泥环形态的耦合作用对套管应力的影响进行研究。研究结果表明：页岩储层各向异性增大了套管应力,增加了套管损坏的风险;地应力非均匀度越高,储层各向异性对于套管应力的影响越大;水泥石力学特性不变时,考虑储层各向异性时套管应力比不考虑时高;套管偏心时,在套管应力较小的区域,考虑各向异性时比不考虑各向异性时更小,在套管应力较大的区域,考虑各向异性时要比不考虑各向异性时更大。研究结果对于解决多级压裂过程中的套管损坏问题,提高页岩气开发产能具有重要的理论和应用价值。     

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。     

页岩气压裂井瞬态温-压耦合对套管应力的影响

页岩气井压裂过程中,压裂液通过大排量方式注入井筒,井底温度会急剧降低,同时高泵压也增加套管受力,加剧套管失效风险。鉴于此,建立了压裂过程中套管-水泥环-地层组合体瞬态温-压耦合模型,着重分析施工排量、注入温度和施工压力对套管应力的影响。研究结果表明:流变参数会影响对流换热系数,继而影响井底温度的变化,应该选择合理的流变参数,改善压裂液与井筒之间的对流换热;排量增加会迅速降低井底温度,增大套管应力,且原始储层温度越高,温度降低幅度也越大,套管应力增加越多;套管应力随压裂液注入温度降低而增加;合理的施工压力有助于降低套管应力。因此合理的施工泵排量、压裂液注入温度以及施工压力,能有效减小压裂过程中井底温度差,从而改善套管受力,保证压裂过程中套管的安全。     

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。     

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。