作者：席岩; 李军; 柳贡慧; 陶谦; 连威页岩气压裂有限元水泥环完整性
摘要：页岩气井工程实践表明套管压裂易导致水泥环完整性破坏,进而引发环空带压。统计数据表明:中国涪陵页岩气田投产井166口,出现环空带压井占比达79.52%。进一步分析研究表明:一级套管头(生产套管和技术套管之间)压裂前后带压比例从14.85%提升至50.05%;二级套管头(技术套管和表层套管之间)压裂前后带压井比例从15.84%提升至53.01%,充分说明页岩气井压裂对环空带压影响较大。针对该问题,基于页岩气井压裂工程实际,在考虑压裂液摩擦生热和排量对换热系数影响的基础上,建立了压裂过程中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相结合的方式,计算了页岩气井压裂过程中瞬态温度-压力耦合作用下水泥环径向、切向应力变化规律,开展了井筒内压、压裂液排量、初始温度、弹性模量、泊松比对水泥环应力影响的敏感性分析,并基于Mohr-Coulomb准则对水泥环是否失效进行了分析。研究结果表明:(1)页岩气井压裂过程中,水泥环温度随时间发生剧烈变化,且内外壁之间存在显著温差,该温差随压裂作业的进行先增大、后减小。(2)页岩气井压裂过程中,水泥环径向、切向应力随时间不断变化,径向应力先减小、后增大,切向应力先降低、后升高,然后再降低。依照Mohr-Coulomb准则分析可知,压裂过程中水泥环易发生拉伸破坏,压裂初期为水泥环失效的"风险段"。(3)降低井筒内压,可以显著降低水泥环径向、切向应力;降低压裂液排量,水泥环径向、切向应力有所降低,但降低幅度不明显;提升压裂液初始温度,将会提高水泥环径向应力、降低水泥环切向应力;水泥石弹性模量降低至4 GPa时,水泥环径向、切向应力低于水泥石抗拉、抗压强度,在压裂过程中有利于保持水泥环的完整性;提高水泥石泊松比,对径向应力影响极小,可忽略不计,但可以有效
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